長(zhǎng)輸油氣管道控制系統(tǒng)供電電源的設(shè)計(jì)及改進(jìn)

摘 要：結(jié)合國(guó)家、行業(yè)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范要求和行業(yè)管理規(guī)定，提出了長(zhǎng)輸油氣管道SCADA系統(tǒng)供電電源常用的多級(jí)冗余設(shè)計(jì)方案，包括供電設(shè)備的選擇、供電方式的確定，并且根據(jù)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和負(fù)載重要性和特性，提出一種控制系統(tǒng)供電按照UPS電源和普通電源分開(kāi)設(shè)計(jì)的改進(jìn)方法。

關(guān)鍵詞：長(zhǎng)輸油氣管道 SCADA UPS 供電

中圖分類號(hào)：TM623.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2012）12（c）-0127-02

隨著自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展和控制水平的提高，目前長(zhǎng)輸油氣管道大多采用SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)全線的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制。SCADA系統(tǒng)完成輸油生產(chǎn)過(guò)程數(shù)據(jù)采集、監(jiān)視控制和安全聯(lián)鎖保護(hù)，是目前油氣儲(chǔ)運(yùn)生產(chǎn)過(guò)程調(diào)度指揮和控制的核心平臺(tái)，其供電電源的穩(wěn)定可靠是SCADA系統(tǒng)安全運(yùn)行的必要基礎(chǔ)。本文介紹SCADA系統(tǒng)供電電源的常用設(shè)計(jì)方案，提出系統(tǒng)供電電源按照用電等級(jí)分別設(shè)置的改進(jìn)方案。

1 SCADA系統(tǒng)供電電源等級(jí)確定

SCADA系統(tǒng)供電包括儀表及控制系統(tǒng)的供電和儀表輔助設(shè)施的供電。儀表及控制系統(tǒng)供電范圍包括：PLC（可編程序控制器）、現(xiàn)場(chǎng)儀表、服務(wù)器、工作站、通信設(shè)備、火災(zāi)報(bào)警控制系統(tǒng)和可燃?xì)怏w和毒性氣體報(bào)警系統(tǒng)；儀表輔助設(shè)施的供電范圍包括：機(jī)柜照明、機(jī)柜通風(fēng)風(fēng)扇、機(jī)柜和操作臺(tái)的外接備用電源。按照《供配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50052-2009）的規(guī)定，儀表及控制系統(tǒng)供電屬于一級(jí)負(fù)荷中特別重要負(fù)荷，這類負(fù)荷當(dāng)供電中斷時(shí)，為確保安全停工及處理事故，不致造成設(shè)備損壞和人身傷害事故，不致造成重大經(jīng)濟(jì)損失，需要穩(wěn)定可靠的后備電源系統(tǒng)。儀表輔助設(shè)施的供電屬于三級(jí)負(fù)荷，這類負(fù)荷在供電中斷時(shí)，對(duì)生產(chǎn)過(guò)程影響較小，不會(huì)造成設(shè)備損壞，也不會(huì)對(duì)過(guò)程控制產(chǎn)生影響。因此，儀表及控制系統(tǒng)的供電一般采用不間斷供電裝置（UPS），UPS電源既可以防止突然斷電對(duì)生產(chǎn)過(guò)程控制的影響，也可以消除普通電源上的電涌、瞬間高電壓、瞬間低電壓、電線噪聲和頻率偏移等“電源污染”，改善電源質(zhì)量。

2 UPS主要技術(shù)指標(biāo)

UPS是一種包含有儲(chǔ)能裝置，以逆變器為主要元件，具有穩(wěn)壓穩(wěn)頻輸出的功能的電源設(shè)備。主要由整流器、蓄電池、逆變器和靜態(tài)開(kāi)關(guān)等幾部分組成。UPS按工作原理分成后備式、在線式與在線互動(dòng)式三大類，考慮到SCADA系統(tǒng)連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)電源的要求，一般采用在線式UPS作為主供電設(shè)備，能夠持續(xù)零中斷地輸出純凈正弦波交流電，解決電源尖峰、浪涌、頻率漂移等問(wèn)題。

UPS電源的主要質(zhì)量指標(biāo)如下。

2.1 輸出交流電源

電壓：220 V±5%。

頻率：50 Hz±0.5 Hz。

波形失真率：小于5%。

2.2 輸出直流電源

電壓：24 V：24～28V可調(diào)。

紋波電壓：小于0.2%。

2.3 電源瞬斷時(shí)間：小于等于20 ms

2.4 瞬時(shí)電壓降：小于10%

2.5 后備電池

電池類型：宜采用密封免維護(hù)鉛酸電池。

后備供電時(shí)間：不小于2 h。

充電性能：2 h充電至額定容量的80%。

2.6 功率

按照儀表及控制設(shè)備耗電量總和的1.2～1.5倍考慮。

需要特別說(shuō)明的是，按照《石油化工儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH/T3082-2003）要求，UPS 電池的后備時(shí)間為15～30 min即可，而《輸油管道設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50253-2003）明確輸油站自動(dòng)化控制系統(tǒng)等特別重要負(fù)荷供電采用UPS電池后備時(shí)間不少于2 h，是在參照《35～110 kV無(wú)人值班變電所設(shè)計(jì)規(guī)程》相關(guān)內(nèi)容，結(jié)合部分輸油站地處偏僻，周邊依托條件差的基礎(chǔ)上提出的。

3 SCADA系統(tǒng)電源的配電方式

按照《石油化工儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)范》（SH/T3082-2003）和《中國(guó)石化生產(chǎn)裝置過(guò)程控制儀表電源供電系統(tǒng)技術(shù)管理規(guī)定》（中國(guó)石化生[2011]157號(hào)）要求，儀表及控制系統(tǒng)的供電電源應(yīng)按照雙電源設(shè)計(jì)，即一路由UPS饋出，一路由低壓母線饋出。在遵照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的前提下，結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為保證UPS進(jìn)線安全可靠，防止因電纜線路及低壓電氣設(shè)備故障而造成UPS供電輸入意外中斷，UPS進(jìn)線按照兩路設(shè)計(jì)，兩路電源均取自變電所不同低壓母排，供電方式見(jiàn)圖1。

從圖1可見(jiàn)，SCADA系統(tǒng)正常情況下由UPS供電，在UPS設(shè)備故障時(shí)由變電所直接供電。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)考慮多級(jí)冗余，一是UPS進(jìn)線冗余設(shè)置，二是在線式UPS本身具有旁路功能，即正常情況下一路經(jīng)濾波整流直接輸出，故障情況下另一路由后備電池經(jīng)逆變器后輸出，三是一路變電所低壓電作為UPS的備用。以上供電系統(tǒng)多級(jí)冗余設(shè)計(jì)時(shí)需設(shè)置STS靜態(tài)切換開(kāi)關(guān)。

STS（Static Transfer Switch）靜態(tài)切換開(kāi)關(guān)具有電源二選一自動(dòng)切換功能，正常工作狀態(tài)下，在主電源處于正常的電壓范圍內(nèi)，負(fù)載一直連接于主電源；在主電源發(fā)生故障時(shí)，負(fù)載自動(dòng)切換到備用電源。在主電源恢復(fù)正常后，負(fù)載又自動(dòng)切換到主電源。STS靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)采用先斷后通的切換方式，確保兩路電的轉(zhuǎn)換過(guò)程中用電設(shè)備不斷電，從而能夠正常連續(xù)工作。其最高轉(zhuǎn)換時(shí)間可以達(dá)到5 mS，滿足PLC等控制設(shè)備數(shù)據(jù)采集輪詢周期不大于20 mS的要求，確保控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)不丟失，運(yùn)行不中斷，控制不失效。

4 SCADA系統(tǒng)供電電源改進(jìn)方案

SCADA系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)時(shí)一般由UPS電源為儀表及控制系統(tǒng)和儀表輔助設(shè)施統(tǒng)一供電，即將UPS電源的輸出回路引入相應(yīng)的機(jī)柜和計(jì)算機(jī)操作臺(tái)，機(jī)柜內(nèi)部供電回路分配多由系統(tǒng)集成商完成，一般是將UPS的輸出經(jīng)分流后接斷路器，分送到各個(gè)機(jī)柜，再由各機(jī)柜分別送給各負(fù)載。

根據(jù)用電負(fù)荷的重要性，結(jié)合SCADA系統(tǒng)的技術(shù)特點(diǎn)和運(yùn)行環(huán)境的狀況分析，儀表及控制系統(tǒng)供電是SCADA系統(tǒng)供電的關(guān)鍵和核心，其對(duì)供電電源都有苛刻的要求，既要求電源24小時(shí)不間斷，同時(shí)要保證電源電壓穩(wěn)定，無(wú)尖峰、浪涌、頻率漂移等問(wèn)題。儀表輔助設(shè)施的供電相比來(lái)說(shuō)并無(wú)太多要求，普通電源即可滿足，且目前輸油站和油庫(kù)大多為雙電源供電，電源質(zhì)量較好。次外，控制室環(huán)境依托條件也較好：機(jī)房和控制室均設(shè)置有事故應(yīng)急照明系統(tǒng)，因此在電源故障時(shí)機(jī)柜和控制室照明可以利用室內(nèi)應(yīng)急照明燈；機(jī)房通風(fēng)良好，空氣清潔，因此機(jī)柜風(fēng)扇可以短時(shí)間中斷運(yùn)行；外接備用電源只是控制系統(tǒng)安裝調(diào)試時(shí)用，供電中斷對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行不產(chǎn)生影響。由此可見(jiàn)，儀表輔助設(shè)施的供電短時(shí)間的中斷，不會(huì)對(duì)控制系統(tǒng)產(chǎn)生影響。因此，儀表輔助設(shè)施可以單獨(dú)采用普通電源供電。

綜合以上分析，SCADA系統(tǒng)的供電可以分為兩類配置：UPS供電電源和普通電源，即儀表及控制系統(tǒng)供電采用UPS電源，儀表輔助設(shè)施的供電采用普通電源（供電方式如圖2所示）。

電源分別設(shè)置具有以下優(yōu)點(diǎn)：一是避免電扇和電燈這些感性負(fù)載和阻性負(fù)載等易發(fā)生短路、斷路的用電設(shè)備對(duì)儀表及控制系統(tǒng)的主電源的污染，保證關(guān)鍵儀表和控制設(shè)備的用電安全；二是防止在設(shè)備安裝及系統(tǒng)調(diào)試階段，因管理不善或人員繁雜，各種大功率施工設(shè)備對(duì)UPS電源沖擊或過(guò)載的影響；三是降低UPS電源的功率需求，節(jié)省投資。

5 結(jié)語(yǔ)

SCADA系統(tǒng)是長(zhǎng)輸油氣管道生產(chǎn)調(diào)度指揮的核心，其供電系統(tǒng)的安全可靠對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行起到基礎(chǔ)支撐作用。儀表及控制系統(tǒng)供電采用采用不間斷電源供電，并且采用雙電源配電方式，儀表輔助設(shè)施的供電采用普通電源，此設(shè)計(jì)方案既保證了SCADA系統(tǒng)的供電可靠性，又增強(qiáng)供電系統(tǒng)的安全性。

參考文獻(xiàn)

[1]劉宏斌.輸油管道工程設(shè)計(jì)/石油和化工工程設(shè)計(jì)工作手冊(cè)[M].東營(yíng)：中國(guó)石油大學(xué)出版社，2010：798-802.

[2]SH/T3082-2003，石油化工儀表供電設(shè)計(jì)規(guī)范[S].