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征新劍

1   前言

    近幾年來(lái)，隨著石化裝置的檢修周期的延長(zhǎng)，UPS使用數(shù)量的增加及UPS設(shè)備的老化，由UPS引起生產(chǎn)裝置的非計(jì)劃停車(chē)事故時(shí)有發(fā)生，甚至超過(guò)了因電網(wǎng)失電帶來(lái)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(guān)儀表組成的系統(tǒng)在電網(wǎng)正常和失常情況下，都能有效的發(fā)揮作用，對(duì)連續(xù)運(yùn)行要求很高的石化生產(chǎn)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(wǎng)電源分三路去控制后級(jí)電路的正常運(yùn)行，一路經(jīng)開(kāi)關(guān)IRP進(jìn)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(duì)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(zhì)量的交流電源，經(jīng)靜態(tài)開(kāi)關(guān)1給DCS、ESD及儀表供電；一路經(jīng)開(kāi)關(guān)IRE進(jìn)交流旁路、靜態(tài)開(kāi)關(guān)2給DCS、ESD及儀表供電；一路經(jīng)開(kāi)關(guān)IBY進(jìn)維修旁路直接給DCS、ESD及儀表供電。

圖1  UPS工作原理圖

    電網(wǎng)電源正常情況下由UPS主回路的整流器、逆變器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)1給DCS、ESD及儀表供電；當(dāng)電網(wǎng)電源失常時(shí)，由蓄電池組向逆變器供電，經(jīng)靜態(tài)開(kāi)關(guān)1向DCS、ESD及儀表提供30分鐘以上的電源；當(dāng)UPS本身發(fā)生故障時(shí)，靜態(tài)開(kāi)關(guān)1自動(dòng)斷開(kāi)，同時(shí)靜態(tài)開(kāi)關(guān)2自動(dòng)閉合，電網(wǎng)電源經(jīng)交流旁路向DCS、ESD及儀表供電；在對(duì)UPS進(jìn)行維修時(shí)，將開(kāi)關(guān)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(shè)計(jì)上已考慮到電網(wǎng)電源正常、電網(wǎng)電源失常、UPS本身發(fā)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(huì)發(fā)生供電中斷呢？從近幾年來(lái)的事故分析，筆者發(fā)現(xiàn)UPS供電中斷多發(fā)生在下列過(guò)程中：
    .在UPS本身發(fā)生故障自動(dòng)往交流旁路切換過(guò)程中；
    .在對(duì)UPS進(jìn)行維修過(guò)程中；
    .在對(duì)UPS蓄電池組進(jìn)行活化過(guò)程中。

    由此可見(jiàn)，UPS供電中斷事故絕大多數(shù)是由于UPS主回路、交流旁路、維修旁路相互切換時(shí)引起的。下面分析一下UPS的切換過(guò)程。

    為了實(shí)現(xiàn)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(shè)置一對(duì)由兩只反相并聯(lián)的快速可控硅組成的靜態(tài)開(kāi)關(guān)（如圖2所示）。這種快速可控硅元件的開(kāi)關(guān)特性如下：

圖2  UPS靜態(tài)切換開(kāi)關(guān)

    當(dāng)可控硅陽(yáng)極電位高于陰極電位時(shí)，在可控硅的柵極加上觸發(fā)信號(hào)，可控硅即進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)。由于快速可控硅的開(kāi)通時(shí)間是微秒級(jí)，因此，靜態(tài)開(kāi)關(guān)的接通時(shí)間可認(rèn)為幾乎為零。可控硅一旦導(dǎo)通，即使將它的柵極觸發(fā)信號(hào)撤掉，它也沒(méi)有自關(guān)斷的能力，繼續(xù)處于導(dǎo)通狀態(tài)。這種狀態(tài)一直維持到它的陽(yáng)極與陰極間的正弦波電源進(jìn)入負(fù)半周，使其陽(yáng)極電位低于陰極電位為止。因此，對(duì)50Hz交流電源，靜態(tài)開(kāi)關(guān)的關(guān)斷時(shí)間為0~10ms。

圖3  同步切換和不同步切換帶來(lái)對(duì)“環(huán)流”的影響

    由圖3分析可知，兩路交流電源當(dāng)其頻率、相位、電壓幅度任一個(gè)不同時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓差，當(dāng)兩路交流電源在作切換操作的瞬間，由于靜態(tài)開(kāi)關(guān)的接通（0ms）總是先于關(guān)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(tài)電壓差不同而形成“環(huán)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(dòng)。這種“環(huán)流”過(guò)大不僅會(huì)造成逆變器故障，還會(huì)導(dǎo)致輸出電源的畸變甚至瞬時(shí)中斷供電。

    為了減小作切換操作過(guò)程中瞬態(tài)電壓差，UPS都設(shè)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(dòng)和波形失真度的質(zhì)量指標(biāo)的限制，當(dāng)交流旁路電源的頻率在UPS鎖相同步窗口（50Hz?Hz）內(nèi)時(shí)，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(huì)出現(xiàn)突變。當(dāng)交流旁路電源的頻率超出UPS鎖相同步窗口時(shí)，UPS將不再跟蹤交流旁路電源的頻率，而以本機(jī)振蕩頻率50Hz輸出。而UPS的輸出電壓幅值是以其質(zhì)量指標(biāo)為依據(jù)的，不受交流旁路電源的控制。

(3)UPS故障的特征
①多發(fā)生于交流旁路與逆變器之間相互切換的過(guò)程，時(shí)間較短，一般為ms級(jí)；
②切換過(guò)程的故障有其隨機(jī)性，主要受交流旁路電源質(zhì)量的影響。當(dāng)交流旁路電源接近于標(biāo)準(zhǔn)220V/380V、50Hz時(shí)，切換幾乎是無(wú)擾動(dòng)的。當(dāng)交流旁路電源偏離標(biāo)準(zhǔn)較大時(shí)，切換時(shí)將對(duì)UPS電源輸出產(chǎn)生擾動(dòng)。偏離越大，擾動(dòng)越大，特別當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)值很大時(shí)，這種切換將導(dǎo)致UPS輸出電源發(fā)生很大畸變甚至瞬時(shí)供電中斷。

3   DCS、ESD及相關(guān)儀表對(duì)供電系統(tǒng)擾動(dòng)的對(duì)策

(1)UPS冗余對(duì)策
①雙UPS主-從冗余供電系統(tǒng)
    將UPS交流旁路電源用另一臺(tái)UPS輸出代替電網(wǎng)電源，兩臺(tái)UPS則組成主-從冗余供電系統(tǒng)。正常時(shí)，主UPS向DCS、ESD及相關(guān)儀表供電，一旦主UPS故障，自動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)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(shí)，兩種交流電源的瞬態(tài)電壓值相差很小，相互切換的過(guò)程比較平穩(wěn)，對(duì)DCS、ESD及相關(guān)儀表供電幾乎不產(chǎn)生影響。這種冗余方式的另一優(yōu)點(diǎn)是，兩臺(tái)UPS幾乎處于相互獨(dú)立的運(yùn)行狀態(tài)，可以由兩臺(tái)任意品牌的UPS組成主-從冗余供電系統(tǒng)。非常適合于老裝置技術(shù)改造。

    然而，事情總不是那么完美的，可以發(fā)現(xiàn)，兩臺(tái)UPS總是處于一用一備狀態(tài)。當(dāng)主UPS正常時(shí)，整個(gè)DCS、ESD及相關(guān)儀表供電負(fù)荷都由主UPS提供，即主UPS承擔(dān)100%負(fù)荷，從UPS處于“熱備”狀態(tài)，其負(fù)荷為0%。當(dāng)主UPS故障，切換到從UPS時(shí)，全部負(fù)載將立即加到原處于空載運(yùn)行狀態(tài)的從UPS，毫無(wú)緩沖余地，反之亦然。這就要求主-從兩臺(tái)UPS都必須具有優(yōu)良的帶“階躍性負(fù)載”的能力，否則可能造成切換的過(guò)程中DCS、ESD及相關(guān)儀表供電短時(shí)間中斷。加氫裂化裝置就是采用了兩臺(tái)UPS組成主-從冗余供電系統(tǒng)，曾經(jīng)兩度發(fā)生主-從UPS切換的過(guò)程中DCS、ESD及相關(guān)儀表供電短時(shí)間中斷，引起聯(lián)鎖動(dòng)作，造成非計(jì)劃停車(chē)事故。因此，采用兩臺(tái)UPS主-從冗余供電方案必須選擇帶“階躍性負(fù)載”的能力強(qiáng)的UPS。

②雙UPS 1+1冗余供電系統(tǒng)
    將兩臺(tái)UPS并接，加上1+1并機(jī)控制電路板，組成兩臺(tái)UPS 1+1冗余供電系統(tǒng)。正常情況下，兩臺(tái)UPS的輸出頻率和幅值都較好地接近于標(biāo)準(zhǔn)220V/380V、50Hz，達(dá)到頻率、相位、幅值三同。每臺(tái)UPS輸出1/2負(fù)載電流。當(dāng)一臺(tái)故障時(shí)，自動(dòng)退出系統(tǒng)，由另一臺(tái)UPS提供100%負(fù)載電流，因?yàn)閮膳_(tái)UPS的頻率、相位、幅值相同，負(fù)載的階躍電流僅為50%負(fù)載電流，所以切換過(guò)程中擾動(dòng)很小。維修也比較方便，可靠性比單臺(tái)UPS要提高5到6倍。

    但是，兩臺(tái)UPS 1+1冗余供電方案，要求兩臺(tái)UPS同步性很好，兩機(jī)的各項(xiàng)指標(biāo)一致性較高。對(duì)老供電系統(tǒng)改造時(shí)，意味著原UPS設(shè)備難以利用，必須新配兩臺(tái)性能較高的同型號(hào)的UPS，其改造費(fèi)用將相當(dāng)高。

(2)DCS、ESD冗余供電對(duì)策
    上面從UPS本身討論了提高DCS、ESD及相關(guān)儀表供電系統(tǒng)的可靠性，能否從負(fù)載側(cè)來(lái)尋求解決問(wèn)題的途經(jīng)呢？下面就這一問(wèn)題進(jìn)行分析。
①石化生產(chǎn)裝置UPS負(fù)載特點(diǎn)
    .DCS是裝置控制、操作、監(jiān)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(wǎng)絡(luò)、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(duì)電源的要求。

    所有重要DCS系統(tǒng)控制站都是1 : 1冗余的，而且可由兩組獨(dú)立的電源對(duì)其供電。每組供電電源的要求是（為說(shuō)明準(zhǔn)確，在此以Honeywell的HPM控制站為例，其它DCS系統(tǒng)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(shí)間：10ms maximum。

    .ESD的主要部分是ESD控制站，操作和監(jiān)視部分大多在DCS上。設(shè)計(jì)時(shí)ESD控制站比DCS控制站還要嚴(yán)格，幾乎所有部分都采取了冗余和容錯(cuò)方式。電源部分毫無(wú)疑問(wèn)的采取了冗余方式。ESD的最大特征是運(yùn)行速度快，動(dòng)作及時(shí)。因此，一般ESD控制站對(duì)電源的要求比DCS高。以Honeywell的FSC系統(tǒng)為例，其對(duì)電源的要求：電壓：220VAC, ?0%，單相；頻率：50 Hz ?%；允許掉電時(shí)間：20 ms maximum。

    .儀表部分：儀表采用直流24V供電，“熱備”問(wèn)題容易解決。但是有一部分儀表，如用于大機(jī)組軸振動(dòng)、軸位移測(cè)量的本特利振動(dòng)、軸位移測(cè)量?jī)x，用于大機(jī)組轉(zhuǎn)速控制的505轉(zhuǎn)速控制儀，固態(tài)物為檢測(cè)的γ料位計(jì)等。這類(lèi)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(lián)鎖有關(guān)。一旦供電失常，即會(huì)引起聯(lián)鎖系統(tǒng)誤動(dòng)作，導(dǎo)致裝置局部或全面停車(chē)。

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(chǎn)裝置UPS負(fù)載特點(diǎn)的基礎(chǔ)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(wǎng)1段電源、電網(wǎng)2段電源、UPS電源三路同時(shí)使用。由DCS、ESD及儀表自身解決冗余切換問(wèn)題，使電網(wǎng)電源失常或UPS電源失常給裝置生產(chǎn)帶來(lái)的損失降到最小。

    在DCS系統(tǒng)中，筆者將操作員站和網(wǎng)絡(luò)接口分成兩組，一組由電網(wǎng)電源供電，一組由UPS電源供電，這樣，無(wú)論是電網(wǎng)電源、UPS電源哪一路失電，具有冗余功能的網(wǎng)絡(luò)總是保障網(wǎng)絡(luò)暢通，操作員站總有一組能進(jìn)行操作和監(jiān)視。對(duì)DCS控制站，由于其具有兩組獨(dú)立的電源單元，將電網(wǎng)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(wǎng)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(dú)立的電源單元，將電網(wǎng)1段電源、電網(wǎng)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(wǎng)1段電源、電網(wǎng)2段電源、UPS電源任何一路失電時(shí)都能正常工作。

圖4  DCS、ESD冗余供電方案

    對(duì)常規(guī)儀表，由于采用24V直流供電，將24V電源分為兩組，一組接電網(wǎng)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(duì)軸振動(dòng)、軸位移測(cè)量?jī)x、505轉(zhuǎn)速控制儀、γ料位計(jì)等特殊儀表，盡量采用24VDC供電或采用220V交流冗余供電。當(dāng)無(wú)法從電源上解決該問(wèn)題時(shí)，可從其輸出信號(hào)上來(lái)考慮，討論如下：

圖5  電源故障信號(hào)與聯(lián)鎖/控制信號(hào)運(yùn)算邏輯

    上述特殊儀表的輸出信號(hào)分兩類(lèi)，一類(lèi)是作為裝置聯(lián)鎖的條件信號(hào)輸出到ESD，一類(lèi)是作為控制信號(hào)直接輸出到執(zhí)行器。為了實(shí)現(xiàn)信號(hào)處理，新增UPS輸出電壓檢測(cè)器，檢測(cè)UPS輸出電壓的畸變和瞬時(shí)失電，并將其輸出到ESD。將作為控制的信號(hào)由直接輸出到執(zhí)行器改為經(jīng)ESD處理后再由ESD輸出到執(zhí)行器。在ESD中由軟件實(shí)現(xiàn)圖5所示的電源故障信號(hào)與聯(lián)鎖/控制信號(hào)邏輯運(yùn)算。

    在UPS正常運(yùn)行時(shí)，電源故障信號(hào)為0，切換開(kāi)關(guān)控制端4信號(hào)為1，切換開(kāi)關(guān)2、3端被打通，聯(lián)鎖/控制信號(hào)經(jīng)10ms延遲后去后續(xù)邏輯運(yùn)算，10ms延遲是為了補(bǔ)償U(kuò)PS輸出電壓檢測(cè)器的測(cè)量滯后，提高運(yùn)算的可靠性，應(yīng)根據(jù)檢測(cè)器的特性調(diào)整。此時(shí)，整個(gè)聯(lián)鎖/控制功能不變。

    在UPS發(fā)生故障自動(dòng)往交流旁路切換時(shí)，或UPS故障處理后，由交流旁路往UPS切換時(shí)，當(dāng)發(fā)生UPS供電電壓的畸變和失電情況，UPS輸出電壓檢測(cè)器檢測(cè)到電源故障信號(hào)，切換開(kāi)關(guān)控制端4信號(hào)為0，切換開(kāi)關(guān)1、3端被打通，輸出保持原有狀態(tài)不變，從而達(dá)到UPS切換過(guò)程中聯(lián)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(jí)），一旦切換過(guò)程結(jié)束，不需人為干預(yù)，自動(dòng)回到正常運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)UPS發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間輸出電源中斷時(shí)，由于由UPS供電的特殊儀表聯(lián)鎖條件被上述運(yùn)算邏輯旁路，控制信號(hào)被上述運(yùn)算邏輯保持，則操作人員必須采取相應(yīng)的措施，加強(qiáng)監(jiān)控，手動(dòng)操作由特殊儀表控制的執(zhí)行器。

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

①  對(duì)DCS控制站電源、ESD控制站電源、常規(guī)儀表24V電源要認(rèn)真核算，必須保證單組電源能滿(mǎn)足整個(gè)負(fù)荷要求；
②  對(duì)特殊儀表電源故障信號(hào)與聯(lián)鎖/控制信號(hào)運(yùn)算邏輯，要根據(jù)裝置的具體情況進(jìn)行組態(tài)；
③  實(shí)施后要進(jìn)行嚴(yán)格的測(cè)試，合理設(shè)置相關(guān)時(shí)間參數(shù)。確保動(dòng)作可靠。

4   結(jié)語(yǔ)

    該冗余供電方式已在中國(guó)石化股份有限公司金陵分公司重油催化和連續(xù)重整兩套裝置實(shí)施。經(jīng)過(guò)近一年的運(yùn)行，效果良好。由于曾經(jīng)發(fā)生過(guò)UPS電池活化和UPS維修過(guò)程中，UPS輸出電源晃動(dòng)，導(dǎo)致ESD聯(lián)鎖動(dòng)作，裝置停車(chē)事故，UPS電池活化幾乎成了風(fēng)險(xiǎn)性很高的一項(xiàng)工作。由于改造時(shí)對(duì)UPS電源故障、電網(wǎng)1段故障、電網(wǎng)2段故障的影響進(jìn)行了嚴(yán)格的測(cè)試，確保任何一路供電中斷都不對(duì)儀表控制構(gòu)成影響，任何一路供電中斷，裝置都處于安全停車(chē)狀態(tài)。在今年做UPS電池活化時(shí)，大家都很放心，不會(huì)對(duì)DCS、ESD有任何影響，大大提高了儀表系統(tǒng)供電的可靠性。