基于比較優(yōu)選模塊化UPS在關(guān)鍵門站、電廠分輸計量站中的應用

摘 要：為了避免突然斷電對燃氣生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)的影響，減少對信息設備的沖擊，單機UPS作為后備應急電源在城市燃氣SCADA系統(tǒng)得到了廣泛運用，但是由于單機UPS存在不支持在線冗余功能、存在擴容不便等缺陷，為了消除因UPS故障影響燃氣監(jiān)控系統(tǒng)正常生產(chǎn)和可靠計量的安全隱患，文章基于多方案比較分析，最終優(yōu)選“2+1”冗余方式模塊化UPS對存在供電隱患的門站和電廠進行了改造，大大提高了關(guān)鍵分輸計量站后備電源系統(tǒng)的安全性和可靠性，為連續(xù)性供氣生產(chǎn)創(chuàng)造了良好條件。

關(guān)鍵詞：影響；缺陷；分析比較；冗余功能；模塊化UPS

1 案例背景

2013年10月，求雨嶺門站因單機UPS主機內(nèi)部故障，導致“919”調(diào)壓器和流調(diào)閥等重要遙調(diào)設備無法正常工作；2014年8月，鈺湖電廠UPS主機自檢故障突然停機導致通訊中斷，面對這種突發(fā)性后備電源系統(tǒng)故障導致站控系統(tǒng)臨時癱瘓、氣量數(shù)據(jù)無法遠傳的嚴重后果，很快讓我們意識到了各門站、電廠后備電源系統(tǒng)的不足，尋求一套可靠性高、便于維護、擴容的不間斷電源系統(tǒng)破迫在眉睫。

2 當前供電系統(tǒng)主要存在的問題

2.1 可靠性差。單機運行的UPS主機無控制器的冗余，一旦主機內(nèi)部出現(xiàn)故障，將導致站控系統(tǒng)臨時性癱瘓，直接影響站控系統(tǒng)的正常監(jiān)控和氣量計量。

2.2 維修操作不便。一般單臺在線運行UPS更換UPS電池或維護、維修時均需停機操作。

2.3 增容難，帶負載能力受限。當前我司站控系統(tǒng)各門站、電廠使用的UPS容量為（3000～6000）KVA，按最大功率因數(shù)0.8算，主機能帶的最大負載范圍為（2.4～4.8）KW，但隨著新工藝、新技術(shù)的應用都會不斷增大負載，這對于相對固定容量的主機來說是致命的，最終不得不更換大容量UPS來增容。以我司求雨嶺門站為例，UPS運行時瞬時功率高達額定功率的80%，這樣長期使設備工作在高負荷下，將大大縮短UPS使用壽命，嚴重威脅站控系統(tǒng)的用電安全和可靠性。

3 多方案比較分析

3.1 備選方案。方案一：單機UPS輸出端安裝靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（STS）：思路1：在設備電源輸出端安裝靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)將UPS的市電輸出與電網(wǎng)的市電輸入進行并接，正常供電情況下由UPS給負載供電，當UPS輸出供電異常時快速切換（切換時間T≤8ms）至市電供電。方案二：雙機并聯(lián)：思路2：將兩臺功率相同的UPS通過并機模塊將兩臺設備在線并接，正常工作狀態(tài)時兩臺設備處于熱備狀態(tài)同時給負載輸出市電，當其中某個主機出現(xiàn)故障時，由另一臺設備負責給站控系統(tǒng)供電。方案三：采用模塊化UPS：思路3：冗余并聯(lián)“N+X”方式，本思路是源于設備自身控制單元采用冗余設計，支持獨立功率、電池模塊在線熱熱插拔，并且能根據(jù)負載大小自動調(diào)節(jié)冗余方式，保證足夠輸出功率供應負載。

3.2 分析比較

方案一，靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)是瓶頸點，一旦功能失效將起不到切換作用；另外UPS維護、維修更換均需進行停電操作，不能滿足時時在線監(jiān)控要求，對連續(xù)性不間斷生產(chǎn)非常不利。方案二，本方案需使用兩臺功率、型號規(guī)格完全一致的UPS，并且需要在主機市電輸出端安裝并機模塊避免兩臺設備產(chǎn)生環(huán)流和輸出相位不同步的影響。缺點是：安裝兩臺設備占地空間大，成本相對較高，另外并機模塊是該系統(tǒng)的瓶頸點，一旦該并機模塊損壞，將可能產(chǎn)生高電壓和環(huán)流作用，嚴重損壞供電主機和負載設備。方案三，模塊化UPS的改造思路相對于方案一、方案二而言，既克服了系統(tǒng)因外接設備接入的瓶頸點，也大幅度提高了系統(tǒng)自身穩(wěn)定性和可靠性，真正實現(xiàn)了在不影響負載的情況下，可對供電設備進行熱插拔、增容等操作。通過以上各方案的比較以及綜合考慮模塊化UPS的優(yōu)越性，為了保證關(guān)鍵計量門站、電廠的安全穩(wěn)定運行，最終建議使用模塊化UPS作為站控系統(tǒng)和計量系統(tǒng)的后背電源。

3.3 模塊化UPS主要優(yōu)點

3.3.1 便于維修和擴容。模塊化UPS功率部分、電子部分、電池部分都是模塊化抽屜式結(jié)構(gòu)，模塊化的設計使用戶可根據(jù)自身需要進行靈活的組合，另外模塊化UPS采用高難度的雙機容錯技術(shù)，當機器需要更換功率模塊、增加容量、旁路維修時均可在不影響負載供電的前提下進行操作，這對連續(xù)性生產(chǎn)運行系統(tǒng)非常適合。

3.3.2 低維護成本及節(jié)能降耗。雖然模塊化UPS的單價比單臺UPS高，但是模塊化UPS采用的RAID技術(shù)和獨有的無時間間隔容錯技術(shù)告別了使用兩臺UPS來實現(xiàn)的高成本，從長遠來看模塊化UPS憑借其高效率、高功率密度和易于維護及擴容的優(yōu)勢，可以使后期運行維護費用大大降低；另外模塊化UPS是高頻機，采用IGBT高頻整流和主動功率因素校正技術(shù)，使整機效率高達96%左右，輸入功率因素接近1，因此模塊化UPS在節(jié)能方面具有優(yōu)勢。

3.3.3 高可靠性。模塊化UPS功率模塊之間是通過并聯(lián)技術(shù)連接，可以實現(xiàn)“N+X”的冗余。雖然熱插拔技術(shù)會使單個模塊的性能有所下降，但是模塊化的設計結(jié)構(gòu)就是讓多個模塊并聯(lián)工作，更換某個模塊不會對整個系統(tǒng)的可靠性產(chǎn)生任何影響。

4 方案部署

4.1 負荷計算。以設備額定容量12KVA，按最大有效功率系數(shù)0.7計算可得最大輸出功率8.4KW，遠遠大于計算負載功率4KW，說明該方案的設備選型符合整改及使用要求。另外當負載≤8KW時，SYA12K16IUPS其中一塊功率模塊為冗余備用模塊，可實現(xiàn)“2+1”的冗余工作方式。

4.2 方案選型。計算機房作為數(shù)據(jù)集中處理和發(fā)送中心，UPS合理容量設計以及可靠冗余性是保障中心計算機房服務器及網(wǎng)絡設備正常運行的關(guān)鍵。綜合考慮可能增加設備以及冗余要求，最終推薦使用APCSymmetraLX（機架式）12KVAUPS，由于現(xiàn)場已配置應急發(fā)電機，故APCSymmetraLX12KVAUPS配備10塊電池可滿足系統(tǒng)供電要求。

4.3 設備部署。依據(jù)計算負荷及冗余配置要求，單個站點設備選型和配置如下：（1）UPS主機一臺，型號SYA12K16I，使用APCSymmetraLX系列模塊化電源陣列式UPS，標配2個冗余智能模塊，安裝3個4KVA功率模塊，最大輸出功率12KVA，3個電池模塊；（2）后備電池10只，免維護鉛酸蓄電池，單只電池電壓為DC12V，容量為100Ah；（3）電池柜C10，10位電池柜，可安裝10支100Ah電池；（4）電池連接線、連接器，10mm2銅芯導線，SymmetraLX專用電池連接器1個；（5）AP9619網(wǎng)絡管理卡，網(wǎng)絡遠程管理，配合PCNS軟件實現(xiàn)服務器無人值守安全關(guān)閉。

5 結(jié)束語

隨著不間斷電源技術(shù)的發(fā)展，模塊化UPS在核心數(shù)據(jù)機房將會得到越來越廣范的應用，此次對天然氣關(guān)鍵門站、電廠涉及貿(mào)易計量的UPS改造正是迎合了不間斷電源技術(shù)的主流發(fā)展方向，實現(xiàn)了在不影響站控和計量系統(tǒng)正常運行下可對后備電源系統(tǒng)進行熱插拔、旁路維修、增加容量等維護操作，完全滿足了連續(xù)性生產(chǎn)氣站的要求，真可謂稱之便利、高效、可靠“綠色電源”。

參考文獻

[1]陳息坤.高頻模塊化UPS及其并聯(lián)控制技術(shù)研究[D].華中科技大學，2005.

[2]謝擁華，程勁暉.通信用模塊化UPS的選型與設計探討[J].電信技術(shù)，2011.

作者簡介：彭超龍（1987，12-），男，工程師，從事燃氣調(diào)度SCADA系統(tǒng)維護。