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征新劍

1   前言

    近幾年來，隨著石化裝置的檢修周期的延長，UPS使用數量的增加及UPS設備的老化，由UPS引起生產裝置的非計劃停車事故時有發生，甚至超過了因電網失電帶來的影響。如何提高UPS供電的可靠性，確保由UPS（Uninterruptable Power Supply）、DCS（Distributed Control System）、ESD（Emergency Shut Down）及相關儀表組成的系統在電網正常和失常情況下，都能有效的發揮作用，對連續運行要求很高的石化生產裝置具有普遍的意義。

2   UPS故障的原因及特征

(1)UPS工作原理
    如圖1所示，電網電源分三路去控制后級電路的正常運行，一路經開關IRP進UPS的主回路，整流器將220VAC（單相）/380VAC（三相）交流電源變換成直流，該直流電源一方面對蓄電池組充電，一路給逆變器供電。逆變器將直流電源變換成220VAC（單相）/380VAC（三相）±1%，50Hz?.1%高質量的交流電源，經靜態開關1給DCS、ESD及儀表供電；一路經開關IRE進交流旁路、靜態開關2給DCS、ESD及儀表供電；一路經開關IBY進維修旁路直接給DCS、ESD及儀表供電。

圖1  UPS工作原理圖

    電網電源正常情況下由UPS主回路的整流器、逆變器、靜態開關1給DCS、ESD及儀表供電；當電網電源失常時，由蓄電池組向逆變器供電，經靜態開關1向DCS、ESD及儀表提供30分鐘以上的電源；當UPS本身發生故障時，靜態開關1自動斷開，同時靜態開關2自動閉合，電網電源經交流旁路向DCS、ESD及儀表供電；在對UPS進行維修時，將開關IBY閉合，維修旁路直接給DCS、ESD及儀表供電。

(2)UPS故障的原因分析
    從上面UPS工作原理看，UPS在設計上已考慮到電網電源正常、電網電源失常、UPS本身發生故障及UPS維修等因素而造成的供電中斷。那么在什么情況下UPS會發生供電中斷呢？從近幾年來的事故分析，筆者發現UPS供電中斷多發生在下列過程中：
    .在UPS本身發生故障自動往交流旁路切換過程中；
    .在對UPS進行維修過程中；
    .在對UPS蓄電池組進行活化過程中。

    由此可見，UPS供電中斷事故絕大多數是由于UPS主回路、交流旁路、維修旁路相互切換時引起的。下面分析一下UPS的切換過程。

    為了實現交流旁路與逆變器之間快速切換，在UPS的逆變器輸出通道上和交流旁路輸出通道上各設置一對由兩只反相并聯的快速可控硅組成的靜態開關（如圖2所示）。這種快速可控硅元件的開關特性如下：

圖2  UPS靜態切換開關

    當可控硅陽極電位高于陰極電位時，在可控硅的柵極加上觸發信號，可控硅即進入導通狀態。由于快速可控硅的開通時間是微秒級，因此，靜態開關的接通時間可認為幾乎為零。可控硅一旦導通，即使將它的柵極觸發信號撤掉，它也沒有自關斷的能力，繼續處于導通狀態。這種狀態一直維持到它的陽極與陰極間的正弦波電源進入負半周，使其陽極電位低于陰極電位為止。因此，對50Hz交流電源，靜態開關的關斷時間為0~10ms。

圖3  同步切換和不同步切換帶來對“環流”的影響

    由圖3分析可知，兩路交流電源當其頻率、相位、電壓幅度任一個不同時，就會產生電壓差，當兩路交流電源在作切換操作的瞬間，由于靜態開關的接通（0ms）總是先于關斷（0~10ms），而使兩路交流電源直接相連。因兩種交流電源的瞬態電壓差不同而形成“環流”，即有一部分電流在交流旁路電源與逆變器電源之間流動。這種“環流”過大不僅會造成逆變器故障，還會導致輸出電源的畸變甚至瞬時中斷供電。

    為了減小作切換操作過程中瞬態電壓差，UPS都設有鎖相同步電路，使逆變器的輸出電源頻率和相位跟蹤交流旁路電源的頻率和相位。但是這種跟蹤又受到UPS輸出頻率波動和波形失真度的質量指標的限制，當交流旁路電源的頻率在UPS鎖相同步窗口（50Hz?Hz）內時，UPS的輸出與交流旁路保持鎖相同步，還要確保輸出頻率不會出現突變。當交流旁路電源的頻率超出UPS鎖相同步窗口時，UPS將不再跟蹤交流旁路電源的頻率，而以本機振蕩頻率50Hz輸出。而UPS的輸出電壓幅值是以其質量指標為依據的，不受交流旁路電源的控制。

(3)UPS故障的特征
①多發生于交流旁路與逆變器之間相互切換的過程，時間較短，一般為ms級；
②切換過程的故障有其隨機性，主要受交流旁路電源質量的影響。當交流旁路電源接近于標準220V/380V、50Hz時，切換幾乎是無擾動的。當交流旁路電源偏離標準較大時，切換時將對UPS電源輸出產生擾動。偏離越大，擾動越大，特別當交流旁路電源頻率超出UPS鎖相同步窗口，或電壓幅值偏離標準值很大時，這種切換將導致UPS輸出電源發生很大畸變甚至瞬時供電中斷。

3   DCS、ESD及相關儀表對供電系統擾動的對策

(1)UPS冗余對策
①雙UPS主-從冗余供電系統
    將UPS交流旁路電源用另一臺UPS輸出代替電網電源，兩臺UPS則組成主-從冗余供電系統。正常時，主UPS向DCS、ESD及相關儀表供電，一旦主UPS故障，自動切換到從UPS，主UPS故障排除后，又由從UPS切換到主UPS。由于從UPS的輸出頻率和幅值都接近于標準220V/380V、50Hz，主UPS的鎖相同步電路能有效的跟蹤從UPS頻率和相位，因此，主-從UPS相互切換時，兩種交流電源的瞬態電壓值相差很小，相互切換的過程比較平穩，對DCS、ESD及相關儀表供電幾乎不產生影響。這種冗余方式的另一優點是，兩臺UPS幾乎處于相互獨立的運行狀態，可以由兩臺任意品牌的UPS組成主-從冗余供電系統。非常適合于老裝置技術改造。

    然而，事情總不是那么完美的，可以發現，兩臺UPS總是處于一用一備狀態。當主UPS正常時，整個DCS、ESD及相關儀表供電負荷都由主UPS提供，即主UPS承擔100%負荷，從UPS處于“熱備”狀態，其負荷為0%。當主UPS故障，切換到從UPS時，全部負載將立即加到原處于空載運行狀態的從UPS，毫無緩沖余地，反之亦然。這就要求主-從兩臺UPS都必須具有優良的帶“階躍性負載”的能力，否則可能造成切換的過程中DCS、ESD及相關儀表供電短時間中斷。加氫裂化裝置就是采用了兩臺UPS組成主-從冗余供電系統，曾經兩度發生主-從UPS切換的過程中DCS、ESD及相關儀表供電短時間中斷，引起聯鎖動作，造成非計劃停車事故。因此，采用兩臺UPS主-從冗余供電方案必須選擇帶“階躍性負載”的能力強的UPS。

②雙UPS 1+1冗余供電系統
    將兩臺UPS并接，加上1+1并機控制電路板，組成兩臺UPS 1+1冗余供電系統。正常情況下，兩臺UPS的輸出頻率和幅值都較好地接近于標準220V/380V、50Hz，達到頻率、相位、幅值三同。每臺UPS輸出1/2負載電流。當一臺故障時，自動退出系統，由另一臺UPS提供100%負載電流，因為兩臺UPS的頻率、相位、幅值相同，負載的階躍電流僅為50%負載電流，所以切換過程中擾動很小。維修也比較方便，可靠性比單臺UPS要提高5到6倍。

    但是，兩臺UPS 1+1冗余供電方案，要求兩臺UPS同步性很好，兩機的各項指標一致性較高。對老供電系統改造時，意味著原UPS設備難以利用，必須新配兩臺性能較高的同型號的UPS，其改造費用將相當高。

(2)DCS、ESD冗余供電對策
    上面從UPS本身討論了提高DCS、ESD及相關儀表供電系統的可靠性，能否從負載側來尋求解決問題的途經呢？下面就這一問題進行分析。
①石化生產裝置UPS負載特點
    .DCS是裝置控制、操作、監視的核心，因此確保DCS供電是三者中最重要的。

    DCS一般由操作員站、網絡、控制站三部分組成。控制站部分是DCS最重要的部分，而保證了控制站的供電也就是保證了DCS供電。下面分析一下控制站對電源的要求。

    所有重要DCS系統控制站都是1 : 1冗余的，而且可由兩組獨立的電源對其供電。每組供電電源的要求是（為說明準確，在此以Honeywell的HPM控制站為例，其它DCS系統基本如此）：電壓：100-132/187-264 VAC, 單相；頻率：50Hz  ?%；允許畸變(THD): 8% maximum；允許掉電時間：10ms maximum。

    .ESD的主要部分是ESD控制站，操作和監視部分大多在DCS上。設計時ESD控制站比DCS控制站還要嚴格，幾乎所有部分都采取了冗余和容錯方式。電源部分毫無疑問的采取了冗余方式。ESD的最大特征是運行速度快，動作及時。因此，一般ESD控制站對電源的要求比DCS高。以Honeywell的FSC系統為例，其對電源的要求：電壓：220VAC, ?0%，單相；頻率：50 Hz ?%；允許掉電時間：20 ms maximum。

    .儀表部分：儀表采用直流24V供電，“熱備”問題容易解決。但是有一部分儀表，如用于大機組軸振動、軸位移測量的本特利振動、軸位移測量儀，用于大機組轉速控制的505轉速控制儀，固態物為檢測的γ料位計等。這類特殊儀表是以220V交流供電的，一般在石化裝置都起重要作用，且大多與聯鎖有關。一旦供電失常，即會引起聯鎖系統誤動作，導致裝置局部或全面停車。

②DCS、ESD冗余供電方案
    在分析了UPS故障的原因及特征和石化生產裝置UPS負載特點的基礎上，提出了圖4所示的DCS、ESD冗余供電方案。

    該方案的總思路是：電網1段電源、電網2段電源、UPS電源三路同時使用。由DCS、ESD及儀表自身解決冗余切換問題，使電網電源失常或UPS電源失常給裝置生產帶來的損失降到最小。

    在DCS系統中，筆者將操作員站和網絡接口分成兩組，一組由電網電源供電，一組由UPS電源供電，這樣，無論是電網電源、UPS電源哪一路失電，具有冗余功能的網絡總是保障網絡暢通，操作員站總有一組能進行操作和監視。對DCS控制站，由于其具有兩組獨立的電源單元，將電網電源和UPS電源分別接到DCS控制站的兩組電源單元，確保電網電源、UPS電源任何一路失電，DCS控制站都能正常工作。

    ESD控制站具有三組獨立的電源單元，將電網1段電源、電網2段電源、UPS電源分別接到ESD控制站的三組電源單元。ESD是三取二表決，因此，電網1段電源、電網2段電源、UPS電源任何一路失電時都能正常工作。

圖4  DCS、ESD冗余供電方案

    對常規儀表，由于采用24V直流供電，將24V電源分為兩組，一組接電網電源，一組接UPS電源，只要一組交流供電正常，24V直流電源就可保證儀表供電。

    對軸振動、軸位移測量儀、505轉速控制儀、γ料位計等特殊儀表，盡量采用24VDC供電或采用220V交流冗余供電。當無法從電源上解決該問題時，可從其輸出信號上來考慮，討論如下：

圖5  電源故障信號與聯鎖/控制信號運算邏輯

    上述特殊儀表的輸出信號分兩類，一類是作為裝置聯鎖的條件信號輸出到ESD，一類是作為控制信號直接輸出到執行器。為了實現信號處理，新增UPS輸出電壓檢測器，檢測UPS輸出電壓的畸變和瞬時失電，并將其輸出到ESD。將作為控制的信號由直接輸出到執行器改為經ESD處理后再由ESD輸出到執行器。在ESD中由軟件實現圖5所示的電源故障信號與聯鎖/控制信號邏輯運算。

    在UPS正常運行時，電源故障信號為0，切換開關控制端4信號為1，切換開關2、3端被打通，聯鎖/控制信號經10ms延遲后去后續邏輯運算，10ms延遲是為了補償UPS輸出電壓檢測器的測量滯后，提高運算的可靠性，應根據檢測器的特性調整。此時，整個聯鎖/控制功能不變。

    在UPS發生故障自動往交流旁路切換時，或UPS故障處理后，由交流旁路往UPS切換時，當發生UPS供電電壓的畸變和失電情況，UPS輸出電壓檢測器檢測到電源故障信號，切換開關控制端4信號為0，切換開關1、3端被打通，輸出保持原有狀態不變，從而達到UPS切換過程中聯鎖/控制不受影響。由于UPS輸出電源中斷，一般都是瞬間的（ms級），一旦切換過程結束，不需人為干預，自動回到正常運行狀態。當UPS發生長時間輸出電源中斷時，由于由UPS供電的特殊儀表聯鎖條件被上述運算邏輯旁路，控制信號被上述運算邏輯保持，則操作人員必須采取相應的措施，加強監控，手動操作由特殊儀表控制的執行器。

    DCS、ESD冗余供電方案的優點是只要很小的投資，就可起到甚至連兩臺UPS 1+1冗余供電方案都無法比擬的效果。特別適合于老裝置改造。但在實施時必須注意下列幾點：

①  對DCS控制站電源、ESD控制站電源、常規儀表24V電源要認真核算，必須保證單組電源能滿足整個負荷要求；
②  對特殊儀表電源故障信號與聯鎖/控制信號運算邏輯，要根據裝置的具體情況進行組態；
③  實施后要進行嚴格的測試，合理設置相關時間參數。確保動作可靠。

4   結語

    該冗余供電方式已在中國石化股份有限公司金陵分公司重油催化和連續重整兩套裝置實施。經過近一年的運行，效果良好。由于曾經發生過UPS電池活化和UPS維修過程中，UPS輸出電源晃動，導致ESD聯鎖動作，裝置停車事故，UPS電池活化幾乎成了風險性很高的一項工作。由于改造時對UPS電源故障、電網1段故障、電網2段故障的影響進行了嚴格的測試，確保任何一路供電中斷都不對儀表控制構成影響，任何一路供電中斷，裝置都處于安全停車狀態。在今年做UPS電池活化時，大家都很放心，不會對DCS、ESD有任何影響，大大提高了儀表系統供電的可靠性。