天然氣輸氣場(chǎng)站UPS配置的改進(jìn)

姚 剛 宋建法

（陜西省天然氣股份有限公司 西安）

一、使用現(xiàn)狀

公司現(xiàn)通用于各天然氣輸氣場(chǎng)站UPS配置的一般模式為：一臺(tái)大功率三相UPS后串機(jī)聯(lián)接一臺(tái)單相通信UPS和一臺(tái)單相自控UPS的串聯(lián)冗余供電系統(tǒng)，這種電源的設(shè)置模式如圖1所示。這種主機(jī)--從機(jī)串聯(lián)冗余配置，有不合理之處。

圖1 現(xiàn)UPS供電系統(tǒng)的配置示意圖

（1）負(fù)載嚴(yán)重不平衡，主控UPS輸入電源為三相交流電源，而其所帶“負(fù)載”主要為一臺(tái)小容量的自控UPS（大多為2 kV·A）和一臺(tái)更小容量的單相通信UPS（大多為 1 kV·A），這樣就造成大功率三相主控UPS的輸出一相懸空（只在電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)為三相輸出），長(zhǎng)期這樣使用會(huì)影響UPS的使用質(zhì)量和壽命。也有個(gè)別天然氣輸氣場(chǎng)站在主控UPS后還帶載部分電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)。由于UPS的逆變器向負(fù)載輸出的為方波電源而不是正弦波電源，所以合理的帶載應(yīng)該是電阻性負(fù)載或開(kāi)關(guān)性電源負(fù)載，而不適合帶電感性儲(chǔ)磁負(fù)載（電機(jī)類），因?yàn)槿绻须姼行载?fù)載的出現(xiàn)，會(huì)導(dǎo)致在出現(xiàn)方波電源脈沖波形的上升沿或下降沿的尖峰電壓干擾，使峰值電壓急劇增大而有可能引發(fā)設(shè)備損壞，所以，電感性負(fù)載電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)嚴(yán)格的說(shuō)來(lái)不能加載在UPS的輸出端，而通信UPS前端的穩(wěn)壓電源也是鐵芯電感線圈結(jié)構(gòu)的穩(wěn)壓器，同樣不適合于帶載在主控UPS的輸出端。

以西安分公司為例，各站主控UPS的配置情況：（主控UPS容量為15～30 kV·A不等，原配臨潼、渭南輸氣站為15 kV·A；銅川、西安輸氣站為30 kV·A，其中銅川，西安輸氣站為同型號(hào)同廠家的2臺(tái)30 kV·A進(jìn)口ABB型主控UPS分別于2003年在遠(yuǎn)遠(yuǎn)不到使用壽命的情況下?lián)p壞，而后西安輸氣站又于2006年4月重新配置臺(tái)達(dá)牌30 kV·A主控UPS，使用至2009年7月又損壞，接二連三地未到使用壽命周期而過(guò)早損壞，足以說(shuō)明這種配置的不合理性，從西安站主控UPS的更換周期和損壞情況看，這種配置的損壞率是比較高的，也能說(shuō)明不均衡帶載和引入電感性負(fù)載對(duì)UPS壽命的影響。

（2）容量配置很不合理，高額費(fèi)用購(gòu)置的大功率UPS幾乎閑置。用一臺(tái)大容量的UPS（15～30 kV·A），帶載2臺(tái)加起來(lái)總?cè)萘坎坏?0 kV·A的小UPS，其所帶負(fù)載大部分僅為一臺(tái)1 kV·A的單相通信UPS 和一臺(tái) 2 kV·A，3 kV·A，7 kV·A不等的單相自控UPS，負(fù)荷率不到10%是極大的資源浪費(fèi)。

（3）可靠性較低，這種串聯(lián)冗余設(shè)計(jì)在實(shí)際生產(chǎn)使用中很不科學(xué)合理，不便于維修和應(yīng)急使用，從圖1很容易看出，自控UPS的輸出是DC機(jī)柜的唯一供電途徑，如有意外故障造成供電中斷，PLC及所有儀表都會(huì)瞬間失電，可以導(dǎo)致整個(gè)DC柜失電而黑屏，而前端的主控UPS又無(wú)法跨過(guò)自控UPS來(lái)直接給DC柜供電，缺乏保護(hù)措施，這對(duì)工藝及貿(mào)易就會(huì)產(chǎn)生很大的影響。還有，在生產(chǎn)中需要維修、維護(hù)時(shí)，輸氣系統(tǒng)在運(yùn)行，供電中斷就會(huì)導(dǎo)致無(wú)法計(jì)量和自控系統(tǒng)因失去信號(hào)而觸發(fā)部分執(zhí)行機(jī)構(gòu)誤動(dòng)作情況。所以，遇到這種情況，即使維修、維護(hù)時(shí)間很短，也要匯報(bào)調(diào)度，協(xié)調(diào)下游停氣，然后機(jī)柜下電處理，非常不方便。

（4）這種串聯(lián)冗余設(shè)計(jì)不利于電瓶正常工作，由于長(zhǎng)期處于空載運(yùn)行狀態(tài)中的從機(jī)（通新、自控）的蓄電池一直處于“浮充”充電狀態(tài)，幾乎沒(méi)有深度放電的機(jī)會(huì)，市電停電時(shí)，首先主控UPS切入電池逆變供電狀態(tài)，自控，通信UPS的電池依然在只充不放的狀態(tài)，常造成從機(jī)蓄電池壽命明顯縮短或容量大大低于標(biāo)稱值，即使操作規(guī)程中有定期放電，但是自控供電關(guān)系重大，一般不會(huì)達(dá)到深度放電的要求，（深度放電有電池耗盡，輸出瞬間斷電的因素），所以從機(jī)自控UPS幾乎一直處在"浮充淺放"的狀態(tài)維持，這樣使用壽命減少已是不爭(zhēng)的事實(shí)，如西安站自控UPS的電池，與主控UPS電池是同一期安裝的，在主控電池完好的情況下，自控UPS蓄電池已然耗干殆盡。

二、改造后的模式及優(yōu)越性能和預(yù)期效果

如果改進(jìn)為“1+1”型UPS并聯(lián)聯(lián)機(jī)冗余供電設(shè)置，如圖2所示，改造后，取消大功率主控UPS,而采用2臺(tái)相同的自控UPS的并聯(lián)聯(lián)機(jī)對(duì)DC柜供電來(lái)取代原供電結(jié)構(gòu)中的一大帶兩小的串聯(lián)配置，同時(shí)將通信UPS前端的穩(wěn)壓電源輸入直接從配電柜引入，雖然通信UPS減少了一次串機(jī)聯(lián)接，但絲毫不影響其使用效果。電動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)的電源也直接從配電柜引入，無(wú)需從UPS后端引入，避免了UPS帶載電機(jī)類感性負(fù)載，使UPS的配載更加合理規(guī)范，對(duì)自控系統(tǒng)的可靠性和安全系數(shù)大大提高，也更加方便維護(hù)。

在實(shí)際使用中，串聯(lián)聯(lián)機(jī)冗余系統(tǒng)的主控UPS的作用非常微弱，改造后用2臺(tái)相同的自控UPS的并聯(lián)聯(lián)機(jī)對(duì)DC柜供電來(lái)取代原供電結(jié)構(gòu)中的一大帶兩小的串聯(lián)配置，對(duì)自控系統(tǒng)帶來(lái)很大的方便，在運(yùn)行中，如果一臺(tái)自控UPS出現(xiàn)故障的情況下，另一臺(tái)仍的逆變?nèi)匀槐３址€(wěn)定的輸出而不會(huì)跳變到旁路（市電直供）上或中斷輸出，大大提高了對(duì)DC機(jī)柜供電的可靠性。同時(shí)也有效的避免了維修切換中的斷點(diǎn)問(wèn)題。不論從成本還是可靠性而言，都比大拖小的串聯(lián)結(jié)構(gòu)合理。采用這種“1+1”型UPS并聯(lián)聯(lián)機(jī)冗余系統(tǒng)設(shè)置的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）鎖相同步調(diào)節(jié)，為了確保UPS電源能安全可靠的進(jìn)行市電--逆變器間的正確切換操作，并機(jī)中的邏輯控制電路對(duì)2臺(tái)(或多臺(tái)）并機(jī)UPS間的相位差進(jìn)行微調(diào)，使之趨向于零（目前已可實(shí)現(xiàn)2臺(tái)UPS間的相位差控制在0.2°甚至更?。膽?yīng)用角度看，并機(jī)間的環(huán)流幾乎為零。

圖2 改造后UPS并聯(lián)冗余設(shè)置示意圖

（2）均流調(diào)節(jié)，并機(jī)邏輯控制電路可以實(shí)現(xiàn)2臺(tái)UPS均擔(dān)負(fù)載，通過(guò)動(dòng)態(tài)微調(diào)2臺(tái)UPS的輸出電壓，使2臺(tái)機(jī)器的均流不平衡度控制在很小范圍內(nèi)（一般在1.5%～5%，當(dāng)均流不平衡度超過(guò)8%的時(shí)候，只能作為控制水平較低的被動(dòng)式并聯(lián)聯(lián)機(jī)結(jié)構(gòu)使用，即可當(dāng)作雙機(jī)一備一用模式）根據(jù)目前的UPS生產(chǎn)水平，很容易達(dá)到5%以下。

（3）選擇性脫機(jī)“跳閘”功能，在一臺(tái)UPS出現(xiàn)故障的情況下，并機(jī)邏輯控制電路會(huì)自動(dòng)關(guān)閉出故障的UPS的逆變器，使發(fā)生故障的UPS脫離系統(tǒng)運(yùn)行，同時(shí)也阻斷導(dǎo)通該臺(tái)UPS的旁路開(kāi)關(guān)，并發(fā)出報(bào)警。而另一臺(tái)UPS則繼續(xù)向負(fù)載供電，這時(shí)供電UPS輸出端的階躍電流時(shí)從50%的負(fù)載電流增長(zhǎng)到100%的負(fù)載電流，對(duì)UPS的逆變器沖擊較小。而主從系統(tǒng)中，從機(jī)的階躍電流將是從0增長(zhǎng)到100%的負(fù)載電流，對(duì)逆變器沖擊比較強(qiáng)。

（4）擴(kuò)容功能，用2臺(tái)相同功率的UPS并機(jī)系統(tǒng)，必要時(shí)將UPS的輸出功率擴(kuò)大一倍，例如，用2臺(tái)7 kV·A的“1+1”并機(jī)系統(tǒng)，輸出功率可以擴(kuò)容到14 kV·A，這樣的冗余供電系統(tǒng)有很好的靈活性。

綜上所述，可以選擇相同額定功率的同型號(hào)UPS來(lái)構(gòu)成具有容錯(cuò)功能的雙機(jī)并接UPS供電系統(tǒng)，構(gòu)成“1+1”并機(jī)冗余配置供電系統(tǒng)。既提高供電系統(tǒng)的可靠性，又可以節(jié)省設(shè)置大功率主控UPS的大量費(fèi)用，也方便在維修中雙機(jī)切換供電而不必臨時(shí)下電及相關(guān)的工藝操作。比串聯(lián)冗余設(shè)計(jì)，是非常經(jīng)濟(jì)和可靠的UPS供電配置系統(tǒng)，應(yīng)加以推廣和采用。