生产装置过程控制仪表电源供电系统管理的几点见解

1、生产装置过程控制仪表电源供电系统（UPS）管理的几点见解吴国良文章摘要：在石油化工生产装置中因过程控制仪表电源供电系统（UPS）配置不合理，供电系统发生故障而导致生产装置非计划停工的事故时有发生，本文就过程控制仪表电源供电系统（UPS）的各种配置方案和他们的优缺点进行分析，并就如何提高电源供电系统（UPS）规范管理，确保电源供电系统配置技术合理、运行安全可靠提出几点意见。关键字：过程控制仪表、电源供电系统（UPS）、配置方案、瓶颈故障点、逆变器、静态开关、规范管理。在石油化工生产装置中因过程控制仪表（包括：DCS、SIS、PLC及重要在线联锁仪表等，以下简称过程控制仪表）电源供电系统（UPS）

2、配置不合理，供电系统发生故障而导致生产装置非计划停工的事故时有发生。本文就过程控制仪表电源供电系统（UPS）的各种配置方案和他们的优缺点进行分析，并就如何提高电源供电系统（UPS）规范管理，确保电源供电系统配置技术合理、运行安全可靠提出几点意见。一、过程控制仪表电源供电系统（UPS）的几种运行方式及其优缺点比较在石油化工生产装置中过程控制仪表电源供电系统一般都是使用静止型不间断电源装置（简称UPS）。UPS有如下几个重要作用：l 在正常供电情况下可以消除因电网电源的瞬间断电、谐波、电压波动、频率波动及电压噪声等给过程控制仪表带来的影响，l 当生产装置因停电事故而紧急停车时，UPS可以为该装置的

3、过程控制仪表在生产装置停电后继续提供一定时间的供电，使装置能够自动安全的联锁停车，l 让操作人员能够利用这段备用时间通过控制仪表系统将装置设置在尽可能的安全状态，l 一般火灾和可燃气体检测系统（F&G系统）的UPS供电的备用时间为824小时，这样使火灾和可燃气体检测系统能检测到在紧急停车过程中及其停车后一段时间内可能发生的火灾和可燃气体的泄露情况，防止在紧急停车过程中发生意外事故。所以UPS对生产装置的安全运行是十分重要的。UPS运行方式可以有如下几种方案：单机方式，二机串接方式，二机并接方式，一路UPS和一路市电方式，二路UPS（或一路UPS和一路市电分别供给DCS的二组电源模块方式

4、。下面分别说明它们的运行方式和优缺点.1、 UPS单机运行方式下面图1为UPS单机运行方式上图中用虚线框围着的部分是脱机旁路柜，放置隔离变压器和操作开关。当UPS切换到旁路电源供电时，UPS机柜可以单独吊离现场修理，控制系统由脱机旁路柜供电。UPS由主电源回路、交流旁路、维修用手动旁路以及UPS蓄电池组等组成。UPS的主电源回路由电网电源1供电，交流旁路和维修用手动旁路由另一路电网电源2通过变压器柜供电。UPS的主电源回路由主电源开关、整流器、蓄电池组、逆变器和静态开关SS1组成；交流旁路由旁路开关、静态开关SS2组成；主电源回路和交流旁路通过静态开关SS1，SS2切换后的电源通过输出开关送出

5、；当主电源回路和交流旁路自动切换失败，可以切断输出开关，闭合手动旁路开关送出电源；当UPS需要吊离现场修理时，可以切断脱机旁路柜中的D1UPS输出开关，闭合Q3脱机旁路电源开关，由脱机旁路柜供电；脱机旁路柜中的D2、D3输出开关为负载用户开关。UPS单机运行存在的主要问题如下：1） UPS供电系统的故障大多数发生在UPS主回路、交流旁路和维修手动旁路相互切换时引起，故障的发生有随机性；UPS为了实现交流旁路与主回路逆变器之间快速切换，分别在主回路和交流旁路上设置了两个静态开关，静态开关由两只反向并联的快速晶闸管组成，晶闸管的开通时间是微秒级的，因此静态开关的接通时间可认为几乎为零，但是对于50

6、Hz的交流电源，静态开关的切断时间需要几个毫秒（010 ms），慢于接通时间，所以静态开关的接通总是先于切断，可能在几个毫秒时间内二个静态开关都处于接通状态，又由于逆变器输出的电压与旁路电压(市电)在相位（当锁相同步电路故障时）和幅值上不一致时，则在两路交流电源切换操作的瞬态电压差就会形成UPS主回路与交流旁路之间的“环流”，即有一部分电流在交流旁路电源与逆变器电源之间流动。这种“环流”过大不仅会造成逆变器故障，还会导致输出电源的畸变，甚至瞬时中断供电，等维修人员到现场切换到手动旁路供电时装置已经因UPS失电而停车了。2） 蓄电池组故障引起UPS故障；由于在电网断电时，由UPS的蓄电池组对逆变

7、器供电，再给负载供电，这样对蓄电池的性能就要有严格的要求，在所在的UPS故障中，由蓄电池引起的故障占50%以上。首先， UPS蓄电池的设计寿命一般是35年，使用3年以后，就会出现各种各样的故障。其次，市电供应不正常也是UPS蓄电池出现故障的主要原因之一。对蓄电池的平时维护是很重要的，大多数企业采用免维护电池，但是UPS在使用一段时间后，要进行电池活化处理，目的是查看蓄电池储存的电能，然后再进行充电，以保持蓄电池的活性，否则易造成蓄电池活性减弱、失效，所以如果疏忽对蓄电池组的保养，则在大规模停电，需要蓄电池供电时，蓄电池可能会有问题，引起UPS故障使供电中断。3） 存在瓶颈故障点，当静态开关发生

8、故障时将中断UPS系统对负载的供电；UPS主回路和交流旁路中的静态开关发生故障（短路或断路）均会引起不能正常切换电源，造成电源无法输出，UPS停止供电的故障。所以UPS的静态开关故障成为UPS的瓶颈故障点由于UPS本身故障引起的生产装置的非计划停车事故在石油化工企业中时有发生，甚至超过了因电网断电带来的影响，所以单个UPS向过程控制仪表供电存在的风险是较大的。2、 UPS二机串接方式下图2是UPS二机串接方式，这种方式由两台UPS同步工作，UPS2备用机的输出连接到UPS1主机的旁路电源上，当UPS1主机发生故障或电网电源1失电时，自动切换到旁路，这时由UPS2备用机的输出通过UPS1主机的旁

9、路向负载供电。这种运行方式的优点是：1） UPS1主机的锁相同步电路能有效地跟踪UPS2备用机输出电压的频率和相位，互相切换过程中频率和相位相同，如果二机的输出电压相差不大的话，那二机之间的“环流”不会很大，对负载的供电几乎不会产生影响。2) 可将两台不同功率、不同型号、不同制造厂家的任何两台UPS连接成双机串联备份系统，灵活性高，适合老装置技术改造。缺点是：1) 不能组成互为备份的形式，主机永远处于主机状态，备机永远处于备机状态。2) 存在瓶颈故障点：当主机静态开关发生故障时，将中断整个系统对负载的供电，备机不起作用。当备机发生故障时，将中断备机逆变器或旁路市电对主机旁路的供电，使主机处于无

10、旁路的状态下工作。3) UPS1主机的旁路是UPS2备机逆变器的输出端，UPS1主机的锁相同步电路只能同步UPS2备机逆变器输出，无法直接与市电取得频率和相位的同步。3、 UPS二机并联运行方式这是一种 UPS功率均分双机冗余并联运行方式，该方式采用并机柜的形式将两台同功率、同型号的在线式UPS并联，互为备份并通过并机柜达成负载均分效果。但是系统运行必须满足如下条件：1） 两台逆变器输出电压一致；2） 两台逆变器输出电流均衡；3） 两台逆变器输出频率同步这种运行方式的优点是：1） 两台UPS组成互为备份的形式，当任何一台UPS的逆变器发生故障时，另一台UPS的逆变器将连续向负载供电。2） 两台

11、逆变器的锁相同步电路均可以直接与市电取得同步，确保与旁路电源的同步转换。缺点是：1） 要使二台UPS的输出电源具有相同的电压、频率、相位和负载电流是很困难的，这种功率均分控制器结构复杂，所受影响的因素众多，包括两台逆变器输出电压、电流、频率都会给整体系统造成影响，如果这些参数达不到平衡，则在正常运行时它们都将在两台UPS间产生环流，导致输出电源的畸变，甚至瞬时中断供电，使整个系统操作发生故障，在实际的运行记录中故障率较高。2）存在瓶颈故障点，当并机柜发生故障时，将中断整个过程控制仪表电源的供电。 上述几种UPS运行方式都是将UPS的供电输出合并成一路电源向DCS供电，而在DCS则又将二个电源模

12、块的输入电源端子合并起来接收一路电源。这种方式虽然对UPS来说有各种冗余方式，但对DCS来说只是一路电源，并没有冗余。以上几种供电方式有如下缺点：1） UPS供电系统的故障大多数是出现在UPS主回路、交流旁路、维修旁路相互切换时以及UPS蓄电池组故障引起的，这种故障几率还是不小的，而DCS由于单路供电所以风险也是不小的。2） 电源配电盘上的空气开关有时也会故障跳闸，这将造成单路供电的DCS失电，3） 单路供电的电源电缆被小动物咬断或端子接触不良等事故造成DCS失电。4、二台UPS分别向DCS的二个电源模块供电的方式采用二台UPS分别向DCS的二个电源模块供电的方式的优点是：1） 采用两个独立的

13、UPS给DCS控制站的两个电源模块分别供电，两台UPS的电源由两路电网供电，当任何一台UPS故障或任何一路电网失电时，对另一台UPS运行没有任何影响，所以能保证对DCS控制站的可靠供电。2） 该运行方式可以由两台任意品牌的UPS组成供电系统，3） 两个UPS是分别通过二组独立的配电盘向DCS控制站的两个电源模块供电，配电盘中任一电源开关故障只影响DCS一个电源模块的供电，而DCS仍能正常工作，4）一路电源电缆被小动物咬断或端子接触不良只造成一路电源失电，不影响DCS正常工作。5）也可以采用一台UPS和一台市电隔离变压器（或稳压器）组合供电方式，这样可以节省一台UPS的费用。其实某些市电质量较好

14、的地区直接使用电网电压通过变压器隔离或通过交流稳压器供电的可靠性也是很高的。5、通过二台UPS切换方式向只有单路进电的仪表供电方式DCS、SIS、PLC等大型控制系统设备一般都有冗余电源模块，可以接收二路电源进线。但是一些重要仪表设备，例如DCS操作站、参加联锁系统的雷达液位计、流量计、色谱仪等，它们一般只有一路电源进线，一旦当UPS供电发生故障，这些仪表就不能正常工作，造成局部停车。为此可以通过如下几种方式来弥补这个问题：1）通过二台UPS切换方式向只有单路进电的仪表供电方式下面是这种供电方式的示意图在生产装置现有的二台UPS装置基础上增配一套静电开关切换装置（STS），由静电开关切换装置向

15、现场仪表供电，如设置UPS1为主电源，则UPS2是备用电源，当UPS1故障时，通过静电开关切换装置将负载切换到UPS2中。如果配以电源同步控制器，使二台UPS电源输出电压能够相位同步，频率同步，这样在电子开关切换时可以减少因开关先闭合、后断开而可能出现的二台UPS之间的环流影响。也可以用市电电源或经过稳压的电源作为备用电源。2) 对于DCS的操作站来说，可以将他们分为二组，分别由二台UPS供电，或一组由UPS供电，另一组由市电供电，当一路电源故障时，至少还有一半DCS的操作站可以工作，维持操作。3） 通过接触器切换电源；如下图所示，将接触器（或继电器）励磁线圈与主电源（UPS）相连接，接触器的

16、常开触点与主电源（UPS）连接，常闭触点与另一路备用电源连接（例如市电）。 正常时，接触器励磁，常开触点闭合，主电源UPS向现场仪表供电。UPS失电时，接触器失磁，常闭触点闭合，切换到备用电源向现场仪表供电。当然，这里要考虑到接触器（或继电器）切换时间要满足仪表允许瞬间停电时间的要求。 二、 确保过程控制仪表电源供电系统配置技术合理、运行安全可靠的几点意见：1、 控制仪表电源供电系统的配置原则：1）生产装置用的UPS电源容量宜在10KVA以上，且必须要有旁路，并且UPS输入应有主电源和旁路电源二路不同母线供电，不采用旁路和主电源合用一路输入电源的配置方式，以保证冗余供电。2） 容量等于或小于4

17、0KVA以下UPS的输出一般为单相输出，容量大于40KVA的UPS应尽可能采用三相四线制输出，这样在旁路切换时每相切换电流的冲击压力就减小了。采用三相四线制输出的电源系统，在仪表负荷分配上应尽可能各相平衡。3) UPS三相四线制输出的电源系统中，其N线必须与电网N线隔离，UPS的N线接地由仪表专业接于仪表的独立接地系统上。电源供电系统应采用TN-S接地形式（三相五线制，即A,B,C,N,PE）4） 鉴于由UPS单路输出至DCS和SIS系统存在失电的可能，同时考虑到DCS和SIS系统重要单元的电源模块已采用双重化供电方式，能接收二路电源进入，为了确保DCS和SIS系统可靠供电，并充分发挥DCS和

18、SIS系统可以二路输入交流电源的配置，应将原由UPS装置单路供电改为由UPS装置和市电电网二路同时供电，市电供电须设置隔离变压器。5） 分析总结多年的UPS运行经验，单机、双机串联、双机并联各有利弊。双机并联运行时，并联机器的各种性能、参数需完全一致，且控制、操作、维护复杂，如稍有差别将引起解列或环流；双机串联也存在电子静态开关瓶颈问题，在这方面已有事故教训。采用上述第4）条的方案，即供给SIS、DCS两路独立电源，则不仅节省投资，而且运行可靠性也比双机运行高。因此，如无特殊情况应采用单机结合上述第4）条的方案的组合方式。6）在控制仪表电源系统中，要采取防雷、EP谐波吸收装置保护措施，防止过电

19、压对控制仪表电源系统的危害。7）为了在生产装置正常运行时，能离线检修或更换UPS，应在UPS系统外设置在线脱机旁路机柜。2、控制仪表电源（UPS）系统的技术管理1）市电电源质量指标要求：（1）电源电压：交流220V ±10%，电源频率：50HZ ±5HZ。（2）电源瞬间断电时间应小于用电设备的允许电源瞬间断电时间 。（3）波形失真率：小于10%。2） UPS的选择（1）UPS应选用在线式（如电网电源质量符合UPS输出标准时，则UPS的逆变器可以处于热备用状态运行），其接线应简单可靠。（2）运行方式：采用单机运行方式的UPS。（3） UPS的蓄电池应选用密封免维护铅酸蓄电池，其后备时间一般为15min30min。（4）额定容量应该是在单台UPS带全负荷时，其负荷率应在50%60%为宜。（5）基本技术指标a. 输入电源质量指标：输入电压：三相380V±15%或单相220V±15%。输入频率：50HZ±5HZ。b输出电源质量指标：输出电压：220V±5%。输出频率: 50H