潘家口水電廠UPS電源系統改造及應用研究

趙丁葉

（海河水利委員會引灤工程管理局，河北 遷西 064300）

計算機監控系統提供了重要的電廠設備監控平臺，負責整個電廠的運行協調以及調度，是電力系統安全運行的重要保障，可見計算機監控系統的可靠穩定運行至關重要。除了要求系統本身穩定之外，其配套的UPS 電源系統也必須具有很高的可靠性[1]。因此，需針對現有的UPS 電源系統的缺陷提出切實可行的升級改造計劃，補齊短板，建立更加穩定高效的UPS 電源系統，為水電廠計算機監控系統提供穩定可靠的備用電能。本文以潘家口水電廠為研究對象，提出滿足其計算機監控系統運行要求的UPS電源系統改造方案，并探討方案的應用情況，驗證方案的可行性。

1 計算機監控系統介紹

潘家口水電廠計算機監控系統硬件包括工作站、上位機、現場控制單元LCU3和LCU1等，系統軟件采用南瑞公司的Nariacc。上位機、工作站以及1#機組控制單元LCU1于1999年開始使用，公用設備控制單元LCU3于2001年開始使用。LCU1、LCU3的控制核心均為MODICON 的984-685 系列PLC，負責獲取并處理I/O 信號并控制信號輸出，工控機的作用是實現與其他設備的通信以及與監控網絡分享數據。

2 計算機監控系統供電電源

潘家口水電廠監控系統供電系統包括UPS電源系統、現場控制單元（Local Control Unit，LCU）電源系統。UPS 電源的負載來自廠控層設備、GPS 時間同步系統、以太網交換機以及機組功率變送器的交流電源?，F場控制單元則由各LCU 的電源構成，負載來自LCU 機柜中的AK1703 自動傳輸模塊、繼電器、機架等設備[2]。

2.1 LCU電源系統

LUC電源系統包括直流220 V電源和交流220 V電源，均與LCU 機柜中的供電模組聯通后提供24 V直流輸出，實現LCU 的持續供電。LCU 電源系統的輸入電源配有繼電器，并與計算機監控系統連接[3]。如電源供電中斷，計算機監控系統報警，其中一路電源故障，供電模組仍能正常輸出，因此LCU 供電系統可以確保現場控制層的不間斷供電。

2.2 UPS電源系統

潘家口水電廠計算機監控系統的UPS電源系統由2 組電源UPS1 和UPS2 組成，2 組電源互為備用，其輸入端主電源、輔電源均為水電廠的監控系統、控制裝置、交換機、路由器等設備供電，其對運行可靠性要求很高，源于同一母線，通過隔離變壓器提供220 V AC 電源。但在實際運行中，兩組UPS 電源采用手動切換，且輸入端電源都來自同一母線段，導致系統存在以下問題。

3 原有UPS電源系統存在的問題

3.1 交流進線電源不可靠

由于系統投運前的設計、安裝、調試存在種種問題，導致改造前計算機監控系統UPS 電源系統存在缺陷，無法為水電廠監控系統提供可靠的電力支持。①若配電箱電源母線失電將導致全部的UPS電源失電；②若UPS1 主路、旁路均故障，不能無縫切換到UPS2，只能短暫停電后手動切換，這對于需要不間斷電源的計算機監控系統來說是不可接受的；③2路UPS電源電池容量不足，若輸入電源斷電，UPS無法做到持續穩定供電；④UPS 交流進線電源來自同一個動力柜，且柜內還連接了很多輔機電源、通風空調系統電源、門禁系統電源等，導致UPS電源易受其他系統電源短路、接地的影響，失電風險大。

3.2 未配備專門的蓄電池

UPS 電源系統未配備專門的蓄電池，其直流電源來自廠用直流電，而廠用直流電系統同時為調速器系統、勵磁系統等其他系統供電，若UPS交流電源失電，無法確保直流電源長時間穩定供電。

3.3 供電電壓不符合要求

投入運行時，UPS電源系統主機接地不正確，輸出端交流電壓L 端為110 V，N 端為-110 V，無法滿足設備穩定供電標準，曾有主機服務器主板由于電壓問題被燒壞。

4 潘家口水電廠UPS電源系統改造及應用

針對原有UPS 電源系統存在的問題，基于電廠設備不能停機、相關操作不能中斷的現實要求，提出對整個UPS 電源系統重裝改造的方案，將計算機監控系統中所有設備的負載轉移到新的UPS 系統，以徹底解決存在的問題。經過改造的UPS電源系統結構，如圖1所示。

圖1 改造后的UPS電源系統框架

4.1 UPS電源選型

遵循可靠穩定、操作簡便、安全性好的選型原則，選用20 kVA 高頻UT 系列工業型UPS 構建雙機并聯冗余UPS電源系統[4]。

4.2 UPS電源系統改造

2 個互為備用的UPS 電源構成并聯冗余UPS 電源系統，包含1 個20 kVA UPS 旁路隔離穩壓柜、1 個輸出配電柜。為提高并聯冗余的UPS1、UPS2 電源的可靠性，均通過以下3 路供電：①380 V 交流主電源來自400 V 廠用電5D、6D 配電盤（可自切換）；②380 V旁路電源取自5D配電盤；③直流電源220 V來自地面直流系統的直流母線。

4.2.1 雙機冗余運行模式

UPS 并聯冗余系統應為雙轉換式UPS，其運行方式為2 臺UPS 電源并聯運行時平均分擔負載，實現即時切換[5]。當主電源UPS1 在線工作時，2 臺電源UPS2、UPS1 并聯運行，均分負載。假設任意UPS1 或UPS2 因各種原因停止工作，則另一臺UPS電源將無縫切換為主電源，為全部負載供電，確保輸出電壓不發生明顯波動。計算機監控系統和二次保護系統等關鍵負載無需斷電停機。并聯冗余UPS電源系統的運行狀態指標為：當負載率在0～100%波動時，輸出端電壓波動不超過±2%，同時電壓恢復正常的時間只需1 ms。

4.2.2 硬件冗余及特點

（1）處理器冗余。UPS 的靜態旁路、整流器、逆變器由3 個獨立的CPU 控制，彌補了單處理器在運行速度和安全系數方面的不足，大大提高了系統的運行穩定性[6]。

（2）電源板冗余。UPS 電源系統的關鍵器件均配備獨立電源，因此，需冗余電源板提供冗余直流輔助電源，具有高度的容錯性，可以讓每個控制電路板發揮作用。電源板的輸入是逆變器的電源輸入、直流和旁路電源的輸入和逆變器的輸出，以確保UPS電源系統能夠保持長期穩定運行。

（3）接口冗余。靜態旁路、整流器、逆變器都有自己獨立的通信接口板。接口板之間采用控制器局域網網絡總線技術，大大提高了數據傳輸的速度和準確性[7]。

（4）控制方式。UPS 電源系統采用CAN 總線控制模式，克服傳統控制模式存在的數據包傳輸延遲、瞬時錯誤、丟失等問題，特別適用于對系統運行穩定性要求很高的UPS電源工作場景。

（5）人機界面設計。UPS 電源系統的觸摸屏實時動態呈現模擬運行圖，系統相關運行參數也可實時呈現，方便用戶讀取、設置。當UPS電源改變工作狀態、工作不正常或出現故障時，系統都有歷史記錄，維修人員可以通過歷史記錄識別故障細節。

4.3 UPS電源單機運行方式

4.3.1 主電源供電模式

UPS 主電源供電模式用于為整流器供電，并將交流電壓轉換為直流電壓，還可以對UPS電池組充電，確保電池組的電能充足[8]。UPS輸入端直流電源取自地面直流系統，為配備UPS充電電池組，因此無需將直流電壓加載到直流系統中。將直流電壓轉換為穩定的正弦交流電壓輸出，為負載供電，如圖2所示。

圖2 主電源供電模式

4.3.2 主電源故障供電模式

當UPS 電源系統正常工作時，在主電源運行不正常的情況下，系統自動切換為地面直流系統供電，以確保逆變器的正常運行，將直流電壓轉換為交流電壓輸出，提高UPS 電源并聯冗余運行模式的穩定性，如圖3所示。

圖3 主電源故障供電模式

4.3.3 逆變器故障供電模式

若主電源、地面直流系統均不能正常運行，則UPS 電源系統將自動切換為靜態旁路開關電路，由旁路電源供電。若逆變器故障或過載，則在UPS 電源系統供電前提下將負載轉移到靜態旁路開關電路[9]，然后通過晶閘管開關向負載電路供電。若逆變器輸出電壓保持在允許范圍內，則負載電路在UPS 電源系統供電的情況下自動切換為逆變器供電，保證UPS電源系統供電的穩定性，如圖4所示。

圖4 逆變器故障供電模式

4.3.4 檢修供電模式

若UPS電源系統需維修，則斷開逆變器后，手動閉合開關Q29，切除靜態旁路開關電路，直接給負載提供旁路交流電，確保負載正常運行，同時實現UPS電源系統的檢修，如圖5所示。

圖5 檢修供電模式

4.4 UPS電源系統的應用效果

UPS 電源系統改造后，在負載電源輸出端連接錄波裝置，測試UPS電源的自動切換即交流電源、直流電源和旁路電源的切換，并用錄波裝置輸出波形。自動切換斷開交直流輸入電源時，UPS 電源系統的輸出電壓在±2%以內波動，恢復時間不超過1 ms，可以滿足計算機監控系統的運行要求。

相較于改造前的UPS 電源系統，改造后的UPS電源系統在可靠性和穩定性方面具有很大優勢，大大提高了計算機監控系統的運行穩定性。近1 a 的實際應用顯示，UPS1 和UPS2 的負載率分別為9%、11%。并聯冗余UPS 電源系統整體運行可靠，雙機切換無故障，變頻器無斷電，可以有效確保計算機監控系統等自動化系統設備的穩定運行。

5 結語

綜上，UPS電源系統對于水電廠計算機監控系統的穩定運行尤為關鍵?；谠蠻PS電源系統的運行問題提出相應的改造方案，采用雙機并聯冗余運行模式，對其輸入輸出端電源來源進行優化，提高了UPS 電源系統的可靠性，為水電廠UPS 電源系統的改造提供了可供借鑒的思路。