UPS并聯冗余系統在關鍵裝置中的應用

徐乙天 普存毅

（云南云天化紅磷化工有限公司）

云南云天化紅磷化工有限公司（以下簡稱紅磷公司）具有年產107萬噸硫酸、44萬噸磷酸、8萬噸合成氨和90萬噸高濃度磷復肥的生產能力，分散控制系統 （Distributed Control System，DCS）等自動化系統已覆蓋了公司的所有生產裝置。 目前公司在線運行的DCS有30余套， 安全儀表系統（Safety Instrumented System，SIS）2套。由于化工生產的特點，對DCS、SIS運行的可靠性、穩定性提出了極為嚴格的要求，而高品質的電源系統是確保這一要求實現的前提條件［1］。 不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS） 的選用和配置是一個關鍵。 紅磷公司DCS基本上都采用UPS單機供電方式， 由于運行工況等多方面的原因，UPS故障頻發。

1 UPS的作用及事故案例

1.1 UPS的作用

UPS的作用如下：

a. 濾波、隔離功能。 濾除瞬間閃斷、諧波及電壓噪聲等干擾，給負載提供純凈的電源，同時UPS本身及負載特性不對電網及其他設備產生影響。

b. 穩壓、穩頻功能。 當市電電壓和頻率發生變化時，UPS提供給負載的電源保持電壓和頻率的穩定。

c. 不間斷供電功能。UPS帶有蓄電池組，市電正常時對電池組充電蓄能，當市電突然中斷時給負載持續供電一段時間以保護負載。

1.2 UPS故障案例

UPS故障案例如下：

a. 某年11月29日02：40，5#硫酸UPS故障，DCS供電中斷， 恢復投用的UPS于06：00再次出現故障，工藝系統在一個操作班內兩次緊急停車。

b. 某年4月27日22：30，2#磷酸UPS故障，DCS供電中斷， 因多套裝置共用一套DCS， 使1#、2#磷酸，1#、2#濃縮及2#磷銨裝置緊急停車， 損壞I/O模塊2塊， 恢復投用的UPS于次日01：50再次出現故障，裝置又緊急停車。

c. 合成氨裝置曾在2年時間內，因UPS故障導致裝置9次緊急停車，損壞I/O模塊、系統部件累計數十臺/件。

2 UPS單機供電方式存在的不足

2.1 UPS單機供電方式

合成氨裝置為紅磷公司A類關鍵裝置， 主要包括氣化和聯合兩個工段，DCS配置兩個控制站，UPS單機配置及供電系統如圖1所示。

圖1 UPS 單機配置及供電系統

2.2 存在的不足

2.2.1 使用可靠度低

高可靠性實際上就是要求UPS能長期穩壓、穩頻、不間斷地供電，因此，盡管UPS主機在出廠時經過了各種測試，但無論設計得再好、選用多么可靠的電力電子元器件， 一旦投入工況運行，總會出現故障［2］。 單機供電的實際使用可靠度RU可用下式表示：

式中 K——修正系數；

RS——固有可靠度。

在合成氨裝置UPS故障頻發的時段內， 不利因素首先來自惡劣的現場環境，氣化工段主要是粉塵和含硫的腐蝕性氣體，聯合工段主要是含氨的腐蝕性氣體。 在紅磷公司其他裝置同時投用的同型號UPS正常情況下可使用5年，而用在氣化工段只能按1.5年考慮，則K為0.3，即實際使用可靠度只有其固有可靠度的0.3倍， 聯合工段按2年考慮，則K為0.4。

由于合成氨生產的連續性很強， 而兩UPS在邏輯上構成了串聯系統， 只要有一個UPS發生故障，系統就會發生故障。 串聯系統的可靠度是各串聯子系統可靠度的乘積， 如兩個控制站供電UPS為同時投用的同一型號， 則RU=RS×0.3×0.4=0.12RS，若RS取 值 為0.95［3］，則RU=0.12×0.95=0.114，比單臺UPS的固有可靠度降低了88%。這也是工程實際中無論選用哪一個型號的UPS或是定期更換UPS，也不能夠滿足生產需要的根本原因。

2.2.2 可維護（修）性低

對現代大型化工生產而言， 要求即使UPS故障也不能影響裝置正常運行，對采用單機供電的系統來說是很難滿足的。 氣化工段新更換一套UPS，投運8個月后便出現隱患，這種情況下即使有同型號的備機，裝置也須停車才能更換，且再次更換后的新機也不一定能滿足生產運行需求，可維護（修）性無從談起。

2.2.3 UPS故障造成的危害大

由于UPS處于DCS等自動化系統電源的前端，一旦出現故障，其所帶負載全部失電。 從已發生的UPS故障來看， 每次故障均使裝置非計劃緊急停車且無任何先兆。 合成氨裝置不只一次出現過由于UPS故障致使工藝系統緊急停車， 重新開車后工藝系統運行不正常，最后不得不停車檢修的案例。如UPS故障時電源切換到旁路，即由電氣專業來的電源直接為DCS供電， 由于電源品質和各DCS的差異性，會導致部分型號DCS部件損壞。在1.2節案例b中，UPS二次故障后， 切除UPS而由電氣專業來的220 V（AC）電源直接為DCS供電，結果導致一天內多個系統設備和I/O模塊損壞，使裝置多次停車，對系統的危害無法評估。

3 UPS并聯系統及要求

3.1 并聯系統的可靠度

并聯系統中只有全部子系統發生故障時，系統才出故障，并聯系統模型如圖2所示。

圖2 并聯系統模型

并聯系統可靠度RP可用下式表示：

其中，（1-R1），（1-R2），…，（1-Rn）分別為各子系統發生故障的概率。

如果并聯系統中各子系統的可靠度均為r，則RP=1－（1－r）n，即并聯的單元越多，可靠性越高。但隨著并聯子系統的增多， 系統硬件和投資將增加，結構變得復雜。當r＞0.9、n＞2時，增加并聯子系統對提高系統可靠度的貢獻并不顯著，因此實際工程中常選用n=2的并聯子系統［4］。

3.2 UPS并聯運行的技術要求

UPS并聯，實質上是UPS中逆變器的并聯，由于所有UPS的輸出阻抗不可能一樣， 加之各逆變器的輸出電壓和市電電壓鎖相都具有正負誤差，各UPS的電壓既有相位差又有幅值差，因此，不能用普通的UPS直接并聯。 只有具備并聯功能的UPS才能并聯，并聯必須滿足以下3個條件［5］：

a. 每臺UPS輸出的相位和幅值相同，以確保2臺UPS之間無破壞性的環流產生；

b. 2臺UPS并聯后，每臺UPS的輸出電流均為總負載電流的一半，如是N臺并聯則為1/N；

c. 當并聯系統中任何一臺的逆變器出現故障時，均不能將本身的負載單獨轉到旁路，而是將負載分配到與其并聯的其他UPS上， 只有并聯系統中所有UPS的逆變器都停止工作時， 才能集體轉到旁路上。

4 9155 UPS并聯冗余系統及運行效果

4.1 9155 UPS的技術特點

9155 UPS是美國伊頓愛克賽電源國際公司推出的三進/單出中小容量功率的雙變換在線式不間斷電源。大部分具有并聯功能的UPS，并聯控制方式以主從控制或分散邏輯控制為主。 9155 UPS則可實現無互聯線獨立并聯控制［6］。 無互聯線控制技術不僅方便后續的運行維護，還可保障并機系統長周期安全穩定運行［7］。

采用獨特的“熱同步”并機技術［8］。 并機時各UPS單機間無需通信電纜連接， 不需要互相獲取對方實時的輸出頻率、相位、電壓及電流等參數信息，就能達到相互鎖相同步、均分負載電流的目的。 并機系統中的各UPS采用“直接數字合成”和“自適應調控”技術，智能、同步跟蹤調整到最佳狀態， 實時動態地調節所帶的負載百分比，實現高精度的負載均分， 使故障UPS從并機系統中快速、可靠地脫機。 并機系統的均流不平衡度在1.5%～2.0%以下。 兩臺UPS均獨立工作，無主從關系。 當一臺UPS的輸入電源發生故障時， 另一臺UPS輸出電源可對這臺故障UPS電池進行充電，從而確保電池組處于滿充狀態。 9155 UPS可以實現4臺單機并聯運行。

采用ABM型智能化“三階”式電池充放電管理系統，可實施間隙式電池管理和實時電池監控，不僅可及時向用戶提供電池組的工作狀態和故障信息，更可有效延長電池50%以上的使用壽命。

4.2 9155 UPS并聯冗余系統的投運

采用2臺15 kVA的9155 UPS組成雙機并聯冗余系統，集中為合成氨裝置DCS兩個控制站供電，雙機并聯供電系統如圖3所示。

圖3 9155 UPS 雙機并聯供電系統

為最大限度地改善工況運行環境對UPS的影 響，單獨為并聯系統配置了機房和空調系統。 需要注意的是：并聯UPS旁路相線必須取自同一相。在工程實際應用中并機卡和通信線應配置為最優，以便并聯系統具有更好的故障清除能力與運行可靠性。 通過QF1等開關可以方便地隔離UPS，維護檢修后能快速并入系統。

4.3 9155 UPS并聯冗余系統的運行效果

并聯系統投運后的第5個月，出現單臺UPS電池開關（帶線圈）跳閘、相應的單臺UPS從并聯系統中脫機停運的情況， 但并聯系統的供電正常，DCS的運行沒有受到影響。通過分析與檢查，電池開關跳閘的原因是一個遠程關機參數設置不合理所致，重新設置參數后，并機系統再沒有出過類似情況。

在合成氨裝置的應用中， 并聯系統可安全、可靠地自動隔離故障單機。 新機設置參數后，在工藝系統正常開車的情況下也可安全完成并機。通過對比：同型號、同時投用的電池狀態也比應用于其他型號UPS上的好，電壓均衡，電池組的壽命明顯延長。 多次在線安全更換存在隱患的單只電池。 并聯系統能在外部供電中斷時為DCS提供更長的供電時間，這對于SIS、安全裝置的持續供電尤為重要。 針對UPS工程應用中可能出現的多種典型情況進行多次測試，并聯系統均表現出了優越的性能。

5 結束語

現代化工生產裝置越趨大型化、 復雜化，對UPS提出的要求更高，甚至較苛刻，因此，為提高UPS供電的穩定性和可靠性， 避免UPS故障給生產帶來損失或安全隱患， 工程中除改善UPS運行工況環境、選用高性能UPS外，最適宜的解決方案就是選用合理、適當的UPS并聯冗余運行方式。紅磷化工在多套關鍵、 大型裝置DCS上投用的9155 UPS并聯冗余系統均表現出了優越的性能和良好的工程應用效果，在供電方面為公司安全生產提供了堅實的技術支持。