一種儀表供電的新方式
——直流高壓供電

邢勐，葉向東

(1. 中國石油化工股份有限公司 煉油事業部，北京 100728；2. 中國石化工程建設有限公司，北京 100101)

石油化工工業是典型的流程工業，工廠中的儀表及控制系統是工藝過程運行的關鍵設備，儀表及控制系統的供電(以下簡稱儀表供電)不可須臾中斷。而供電系統由于電網波動、負荷變化、線路故障、設備故障、檢查維修等原因會發生供電系統故障而中斷供電，導致儀表供電的中斷。為了減少供電系統斷電對儀表供電的影響，儀表供電通常采用靜止不間斷電源(UPS)作為保障供電的設備。但是，UPS也會發生故障，從現場的應用情況來看，主要是UPS逆變部分的故障。如果能采用直流高壓供電系統代替UPS供電，則可以避免逆變部分的故障，提高供電質量。

1 儀表供電的現狀

由于儀表供電的中斷會引發工藝過程的失控，導致停工停產的巨大經濟損失，甚至引起爆炸、火災、有毒介質擴散、設備損壞和人員傷亡等重大事故和災害。當發生供電系統停電時，為能緊急處理事故、及時停止工藝過程、保護重要設備、采取防災減災措施，需要對儀表及控制系統維持一段時間的供電，使控制系統能夠在緊急情況下有效運行及發揮作用。

根據石油化工工廠工藝過程連續生產的性質和儀表及控制系統用電的需要，以及SH/T 3082—2019《石油化工儀表供電設計規范》的規定，儀表及控制系統供電采用電力供電負荷規定的一級負荷中特別重要的負荷，并采用UPS供電[1]。一級負荷是最高等級的供電負荷，而特別重要的負荷還要配備應急供電設備，UPS就是其中的一種，是適合控制系統維持一段時間連續供電的常用設備。

2 采用UPS供電的原因

石油化工工廠的控制系統主要采用以計算機、微處理機、網絡設備為基礎的分散型控制系統、程序控制器、計算機服務器、智能儀表等控制設備[2]，由于這些設備斷電停止運行后，再啟動時不能自動返回到斷電前的工作狀態，需要從操作系統開始啟動，再啟動控制系統程序和應用軟件，有一個過渡過程，并且常常需要人工引導到正常的工作狀態，即使是瞬間斷電也是這樣。有些采用微處理器和微程序控制器的單體儀表也具有類似特性。

為了減少和避免短時間或瞬間斷電導致的控制系統再啟動，就需要采用UPS。在供電系統斷電或瞬時跌落時利用UPS中的蓄電池逆變成與電力供電系統低壓供電的220 V(AC)的供電規格，持續不間斷地向儀表及控制系統供電。這種供電方式是目前最常用的供電方式[3]。

3 采用直流高壓電源的根據

交流供配電系統的優點是可以方便地采用變壓器變換電壓。工業中廣泛采用的中小功率交流電機、工業及民用照明幾乎全部采用低壓交流(電氣對220 V(AC)的稱謂)供配電系統，所以交流供配電一直是工業及民用供配電系統的主要供電方式。但交流供電的缺點也是明顯的，電網和用電設備的諧波電流經常影響電能質量，交流供電的無功功率增加了供電設備的負荷，所以許多大型交流用電負載需要配備功率因數補償設備，增加了交流供配電的復雜程度和配套設備數量[4]。

由于直流電壓的有效值就是供電電壓，沒有周期波動，瞬時值就是平均值，電能質量高。直流供配電和用電設備負荷用電沒有無功功率，電能輸送損耗小，可以方便地與電池并聯使用，比交流供配電具有特殊應用的優勢。由于直流系統的優點，使用也很廣泛，典型應用領域有： 電力行業直流輸配電、軌道交通和電力機車供電及其信號系統、光電發電和風力發電的原始發電系統、通信行業等。

石油化工行業也有直流電的應用，由于石油化工工廠電力供配電系統的信號設備、繼電保護、自動裝置、事故照明等很多用電設備都是采用直流電，供電采用一種直流供電設備——直流屏提供直流電源。

直流屏是一種整流電源設備，將交流電整流成為220 V或110 V直流電，并采用蓄電池直接并聯在直流供電線路中作為后備電源，實現直流不間斷供電，在外部供電中斷的情況下由后備電源(蓄電池)繼續供電[5]。直流屏只有整流設備，沒有UPS的直流—交流逆變部分，減少了故障率較高的設備部分，所以直流屏的可靠性、可用性都比UPS設備好，維護和檢修也比較方便和容易。

如果能采用直流屏供電，就能取代UPS設備，但這與交流用電設備的供電形成矛盾。雖然儀表內部用電是直流電，但外部供電都是采用交流供電的，若采用直流外部供電就必須解決用220 V(DC) 代替220 V(AC)供電的問題。

4 直流電源供電的分析

由于儀表內部用電均為半導體分立元件或集成電路用電，所以是半導體器件級別的專用低壓直流用電。根據電路器件的用電規格，需要±3.3 V，±5 V，±6 V，±12 V，24 V等專用低壓直流電壓[6]，有的還有其他電壓等級，但都是從電氣供配電系統的220 V(AC)變換成所需要的專用低壓直流電壓。

儀表有現場檢測儀表和控制室信號處理儀表之分，現場儀表用電有兩種電壓規格： 一種是220 V(AC) 直接供電的單體儀表；另一種是24 V(DC)供電的儀表，是通過控制室的直流電源裝置或控制系統提供電源的，大多數儀表的供電是該方式。

電源變換有兩種變壓方式： 一種是將220 V(AC)通過直流電源裝置變成24 V(DC)作為通用直流供電，再由用電儀表內部變成需要的低壓直流電壓，常用于24 V(DC)供電的變送器、測量儀表、某些品牌的分散控制系統、可編程控制器、數據采集與監控系統(SCADA)等；第二種是由用電儀表將220 V(AC)直接變換成內部所需要的低壓直流電壓，常見于某些品牌的分散控制系統、可編程控制器、220 V(AC)直接供電的單體儀表[7]，如： 某些分析儀、雷達液位計、電磁流量計等。

所以，采用直流屏代替UPS為儀表系統供電只需要解決220 V(AC)電源端采用220 V(DC)電源的問題即可，后端的24 V(DC)等的專用低壓直流用電是完全一樣的。

電壓變換有兩種技術： 一種是傳統的變壓器電源技術，直接將220 V(AC)變壓、整流、穩壓、濾波成需要的低壓直流電壓，優點是可靠性高，缺點是體積大、質量大、發熱量高、對供電電壓的適應性差；另一種是開關電源，先一次整流后采用晶體管開關一次降壓并變成高頻交流，用隔離變壓器二次變壓，再經過二次整流、穩壓、濾波成需要的低壓直流電壓，優點是效率高、體積小、質量小、發熱量低、對供電電壓的適應性強。其實開關電源并不是沒有變壓器，只是采用高頻變壓器進行變壓并實現電磁隔離，這也是開關電源優點明顯的原因。開關電源還有一點與傳統的變壓器電源裝置不同的是既可以輸入交流電，也可以輸入直流電。

現在這兩種電源技術都已經很成熟了。由于開關電源的優點比較明顯，絕大多數儀表電源電路都采用開關電源技術，除了少數特殊應用以外，已經很少見到傳統的變壓器電源了。

儀表系統還有一種設備就是計算機設備，有各類臺式機、服務器、交換機、打印機等，除一些交換機有24 V(DC)供電外，都是直接采用220 V(AC)供電的。

查閱設備樣本可知，多數品牌直流電源裝置的常用儀表電源都有輸入電壓為單相100～240 V(AC)兼容110～250 V(DC)的規格[8]，也就是說，儀表現在用的直流電源裝置既可以用交流電，也可以用直流電，電壓適用范圍包括110 V和220 V兩個電壓等級。以某品牌的產品為例，電壓輸入范圍為： 85～264 V(AC)或80～370 V(DC)。220 V(AC)直接供電的單體儀表的供電規格多數也可以采用交直流兩種供電方式。

計算機和服務器等設備的供電已經全部采用開關型直流電源裝置，有ATX和SSI兩種電源標準[9]。ATX標準使用較為普遍，主要用于臺式機、工作站和低端服務器；SSI標準適用于各種檔次的服務器。

ATX和SSI兩種開關電源均適用于交流供電和直流供電，雖然有的計算機標牌上只標明220 V(AC) ，50～60 Hz，但ATX和SSI兩種開關電源的標準就是交直流兩用的，實際測試也證明了這一點。

通過分析常用直流電源裝置、ATX和SSI開關電源的電路可知，各種常用開關電源的設計原理和電路大同小異(電路圖略)。現在的儀表及控制系統絕大多數采用可以交直流兩用的電源設計，基本上具備采用直流屏供電的條件。

5 控制系統直流高壓供電的方案

等同于交流供電的一級負荷中的特別重要負荷，采用UPS供電的方案，直流屏的交流供電也采用一級負荷，并采用蓄電池作為應急電源。由電氣提供兩路直流220 V供電線路，到儀表直流配電柜，不再使用UPS。直流電源裝置、計算機設備、分散控制系統、各種可編程控制器等所有能夠采用直流高壓供電的儀表設備均直接從直流配電柜用電。

鑒于可能會有少量儀表不能直接使用直流220 V電源，仍然需要配備一對小容量的UPS(一般石化裝置不會超過總用電量的5%)。

不能使用直流220 V的可以離線的設備(如： 打印機)等采用市電。

火災報警及聯動系統仍然采用原來的專用電源系統。

雖然直流屏也有24 V(DC)的供電規格，但由于24 V電壓較低，相應的電流較大，不能用于十幾米以上距離較大容量的送配電，并且計算機設備不能使用24 V(DC)的電源，所以不能采用這種供電規格的方案。

6 直流高壓供電的注意事項

在采用直流高壓供配電之前，應認真檢查每一種儀表的用電規格，區分可以直流220 V供電的和不能使用直流220 V供電的儀表。

認真檢查各種型號計算機及網絡設備的用電規格，將機柜內的風扇和照明用電等所有220 V(AC) 用電的設備分離，采用市電供電。如果是20年前的控制系統，不能確定能否使用直流高壓供電，則不能采用直流屏供電。如果是新購設備，在系統訂貨時就應當明確采用直流220 V供電，以提供確定性方便。

確認每一型號的直流電源裝置是可以使用直流220 V供電的，新購置的設備，在系統訂貨時就應當明確采用直流220 V供電，以提供確定性方便。

由于直流配電設備與交流的不一樣，所以，所有用于直流220 V的斷路器、配電器、熔斷器、配電開關、空氣開關等設備和部件應全部采用直流220 V的規格[10]。直流24 V的配電設備不變。

7 結束語

采用直流高壓供電設備——直流屏提供直流高壓電源代替UPS為儀表及控制系統供電是一種新型的供電方式，簡化了供電設備，沒有了直流—交流逆變部件，提高了電源質量及儀表供電的可靠性和可用性，便于維護和檢修，使儀表供電設備對供電系統更寬容。開關電源技術的成熟和普及為儀表供電提供了技術條件，現在的直流電源裝置、計算機內電源裝置、控制系統電源模塊全部采用寬電壓范圍、交直流兼容的開關電源技術使大多數采用220 V交流供電的控制系統可以直接采用220 V直流供電，為直流高壓供電系統提供了基礎條件。

中石化旗下某企業的供電試點裝置采用直流屏直接為儀表及控制系統供電，取消了UPS，已經運行了一年多，取得了很好的效果。

從供電技術上、電源技術上、電源設備規格上、儀表供電實踐等方面，都充分證明了石油化工裝置采用直流屏為儀表及控制系統供電方案的優越性能，是值得推廣應用的一種新型的儀表供電方式。