潘家口水電廠UPS電源系統(tǒng)改造及應(yīng)用研究

趙丁葉

（海河水利委員會(huì)引灤工程管理局，河北 遷西 064300）

計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提供了重要的電廠設(shè)備監(jiān)控平臺(tái)，負(fù)責(zé)整個(gè)電廠的運(yùn)行協(xié)調(diào)以及調(diào)度，是電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保障，可見計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的可靠穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要。除了要求系統(tǒng)本身穩(wěn)定之外，其配套的UPS 電源系統(tǒng)也必須具有很高的可靠性[1]。因此，需針對(duì)現(xiàn)有的UPS 電源系統(tǒng)的缺陷提出切實(shí)可行的升級(jí)改造計(jì)劃，補(bǔ)齊短板，建立更加穩(wěn)定高效的UPS 電源系統(tǒng)，為水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)提供穩(wěn)定可靠的備用電能。本文以潘家口水電廠為研究對(duì)象，提出滿足其計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行要求的UPS電源系統(tǒng)改造方案，并探討方案的應(yīng)用情況，驗(yàn)證方案的可行性。

1 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)介紹

潘家口水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)硬件包括工作站、上位機(jī)、現(xiàn)場控制單元LCU3和LCU1等，系統(tǒng)軟件采用南瑞公司的Nariacc。上位機(jī)、工作站以及1#機(jī)組控制單元LCU1于1999年開始使用，公用設(shè)備控制單元LCU3于2001年開始使用。LCU1、LCU3的控制核心均為MODICON 的984-685 系列PLC，負(fù)責(zé)獲取并處理I/O 信號(hào)并控制信號(hào)輸出，工控機(jī)的作用是實(shí)現(xiàn)與其他設(shè)備的通信以及與監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)分享數(shù)據(jù)。

2 計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)供電電源

潘家口水電廠監(jiān)控系統(tǒng)供電系統(tǒng)包括UPS電源系統(tǒng)、現(xiàn)場控制單元（Local Control Unit，LCU）電源系統(tǒng)。UPS 電源的負(fù)載來自廠控層設(shè)備、GPS 時(shí)間同步系統(tǒng)、以太網(wǎng)交換機(jī)以及機(jī)組功率變送器的交流電源。現(xiàn)場控制單元?jiǎng)t由各LCU 的電源構(gòu)成，負(fù)載來自LCU 機(jī)柜中的AK1703 自動(dòng)傳輸模塊、繼電器、機(jī)架等設(shè)備[2]。

2.1 LCU電源系統(tǒng)

LUC電源系統(tǒng)包括直流220 V電源和交流220 V電源，均與LCU 機(jī)柜中的供電模組聯(lián)通后提供24 V直流輸出，實(shí)現(xiàn)LCU 的持續(xù)供電。LCU 電源系統(tǒng)的輸入電源配有繼電器，并與計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)連接[3]。如電源供電中斷，計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)報(bào)警，其中一路電源故障，供電模組仍能正常輸出，因此LCU 供電系統(tǒng)可以確?，F(xiàn)場控制層的不間斷供電。

2.2 UPS電源系統(tǒng)

潘家口水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的UPS電源系統(tǒng)由2 組電源UPS1 和UPS2 組成，2 組電源互為備用，其輸入端主電源、輔電源均為水電廠的監(jiān)控系統(tǒng)、控制裝置、交換機(jī)、路由器等設(shè)備供電，其對(duì)運(yùn)行可靠性要求很高，源于同一母線，通過隔離變壓器提供220 V AC 電源。但在實(shí)際運(yùn)行中，兩組UPS 電源采用手動(dòng)切換，且輸入端電源都來自同一母線段，導(dǎo)致系統(tǒng)存在以下問題。

3 原有UPS電源系統(tǒng)存在的問題

3.1 交流進(jìn)線電源不可靠

由于系統(tǒng)投運(yùn)前的設(shè)計(jì)、安裝、調(diào)試存在種種問題，導(dǎo)致改造前計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)UPS 電源系統(tǒng)存在缺陷，無法為水電廠監(jiān)控系統(tǒng)提供可靠的電力支持。①若配電箱電源母線失電將導(dǎo)致全部的UPS電源失電；②若UPS1 主路、旁路均故障，不能無縫切換到UPS2，只能短暫停電后手動(dòng)切換，這對(duì)于需要不間斷電源的計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)來說是不可接受的；③2路UPS電源電池容量不足，若輸入電源斷電，UPS無法做到持續(xù)穩(wěn)定供電；④UPS 交流進(jìn)線電源來自同一個(gè)動(dòng)力柜，且柜內(nèi)還連接了很多輔機(jī)電源、通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)電源、門禁系統(tǒng)電源等，導(dǎo)致UPS電源易受其他系統(tǒng)電源短路、接地的影響，失電風(fēng)險(xiǎn)大。

3.2 未配備專門的蓄電池

UPS 電源系統(tǒng)未配備專門的蓄電池，其直流電源來自廠用直流電，而廠用直流電系統(tǒng)同時(shí)為調(diào)速器系統(tǒng)、勵(lì)磁系統(tǒng)等其他系統(tǒng)供電，若UPS交流電源失電，無法確保直流電源長時(shí)間穩(wěn)定供電。

3.3 供電電壓不符合要求

投入運(yùn)行時(shí)，UPS電源系統(tǒng)主機(jī)接地不正確，輸出端交流電壓L 端為110 V，N 端為-110 V，無法滿足設(shè)備穩(wěn)定供電標(biāo)準(zhǔn)，曾有主機(jī)服務(wù)器主板由于電壓問題被燒壞。

4 潘家口水電廠UPS電源系統(tǒng)改造及應(yīng)用

針對(duì)原有UPS 電源系統(tǒng)存在的問題，基于電廠設(shè)備不能停機(jī)、相關(guān)操作不能中斷的現(xiàn)實(shí)要求，提出對(duì)整個(gè)UPS 電源系統(tǒng)重裝改造的方案，將計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)中所有設(shè)備的負(fù)載轉(zhuǎn)移到新的UPS 系統(tǒng)，以徹底解決存在的問題。經(jīng)過改造的UPS電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖1所示。

圖1 改造后的UPS電源系統(tǒng)框架

4.1 UPS電源選型

遵循可靠穩(wěn)定、操作簡便、安全性好的選型原則，選用20 kVA 高頻UT 系列工業(yè)型UPS 構(gòu)建雙機(jī)并聯(lián)冗余UPS電源系統(tǒng)[4]。

4.2 UPS電源系統(tǒng)改造

2 個(gè)互為備用的UPS 電源構(gòu)成并聯(lián)冗余UPS 電源系統(tǒng)，包含1 個(gè)20 kVA UPS 旁路隔離穩(wěn)壓柜、1 個(gè)輸出配電柜。為提高并聯(lián)冗余的UPS1、UPS2 電源的可靠性，均通過以下3 路供電：①380 V 交流主電源來自400 V 廠用電5D、6D 配電盤（可自切換）；②380 V旁路電源取自5D配電盤；③直流電源220 V來自地面直流系統(tǒng)的直流母線。

4.2.1 雙機(jī)冗余運(yùn)行模式

UPS 并聯(lián)冗余系統(tǒng)應(yīng)為雙轉(zhuǎn)換式UPS，其運(yùn)行方式為2 臺(tái)UPS 電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí)平均分擔(dān)負(fù)載，實(shí)現(xiàn)即時(shí)切換[5]。當(dāng)主電源UPS1 在線工作時(shí)，2 臺(tái)電源UPS2、UPS1 并聯(lián)運(yùn)行，均分負(fù)載。假設(shè)任意UPS1 或UPS2 因各種原因停止工作，則另一臺(tái)UPS電源將無縫切換為主電源，為全部負(fù)載供電，確保輸出電壓不發(fā)生明顯波動(dòng)。計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)和二次保護(hù)系統(tǒng)等關(guān)鍵負(fù)載無需斷電停機(jī)。并聯(lián)冗余UPS電源系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)指標(biāo)為：當(dāng)負(fù)載率在0～100%波動(dòng)時(shí)，輸出端電壓波動(dòng)不超過±2%，同時(shí)電壓恢復(fù)正常的時(shí)間只需1 ms。

4.2.2 硬件冗余及特點(diǎn)

（1）處理器冗余。UPS 的靜態(tài)旁路、整流器、逆變器由3 個(gè)獨(dú)立的CPU 控制，彌補(bǔ)了單處理器在運(yùn)行速度和安全系數(shù)方面的不足，大大提高了系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性[6]。

（2）電源板冗余。UPS 電源系統(tǒng)的關(guān)鍵器件均配備獨(dú)立電源，因此，需冗余電源板提供冗余直流輔助電源，具有高度的容錯(cuò)性，可以讓每個(gè)控制電路板發(fā)揮作用。電源板的輸入是逆變器的電源輸入、直流和旁路電源的輸入和逆變器的輸出，以確保UPS電源系統(tǒng)能夠保持長期穩(wěn)定運(yùn)行。

（3）接口冗余。靜態(tài)旁路、整流器、逆變器都有自己獨(dú)立的通信接口板。接口板之間采用控制器局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)總線技術(shù)，大大提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣群蜏?zhǔn)確性[7]。

（4）控制方式。UPS 電源系統(tǒng)采用CAN 總線控制模式，克服傳統(tǒng)控制模式存在的數(shù)據(jù)包傳輸延遲、瞬時(shí)錯(cuò)誤、丟失等問題，特別適用于對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性要求很高的UPS電源工作場景。

（5）人機(jī)界面設(shè)計(jì)。UPS 電源系統(tǒng)的觸摸屏實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)模擬運(yùn)行圖，系統(tǒng)相關(guān)運(yùn)行參數(shù)也可實(shí)時(shí)呈現(xiàn)，方便用戶讀取、設(shè)置。當(dāng)UPS電源改變工作狀態(tài)、工作不正?；虺霈F(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)都有歷史記錄，維修人員可以通過歷史記錄識(shí)別故障細(xì)節(jié)。

4.3 UPS電源單機(jī)運(yùn)行方式

4.3.1 主電源供電模式

UPS 主電源供電模式用于為整流器供電，并將交流電壓轉(zhuǎn)換為直流電壓，還可以對(duì)UPS電池組充電，確保電池組的電能充足[8]。UPS輸入端直流電源取自地面直流系統(tǒng)，為配備UPS充電電池組，因此無需將直流電壓加載到直流系統(tǒng)中。將直流電壓轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的正弦交流電壓輸出，為負(fù)載供電，如圖2所示。

圖2 主電源供電模式

4.3.2 主電源故障供電模式

當(dāng)UPS 電源系統(tǒng)正常工作時(shí)，在主電源運(yùn)行不正常的情況下，系統(tǒng)自動(dòng)切換為地面直流系統(tǒng)供電，以確保逆變器的正常運(yùn)行，將直流電壓轉(zhuǎn)換為交流電壓輸出，提高UPS 電源并聯(lián)冗余運(yùn)行模式的穩(wěn)定性，如圖3所示。

圖3 主電源故障供電模式

4.3.3 逆變器故障供電模式

若主電源、地面直流系統(tǒng)均不能正常運(yùn)行，則UPS 電源系統(tǒng)將自動(dòng)切換為靜態(tài)旁路開關(guān)電路，由旁路電源供電。若逆變器故障或過載，則在UPS 電源系統(tǒng)供電前提下將負(fù)載轉(zhuǎn)移到靜態(tài)旁路開關(guān)電路[9]，然后通過晶閘管開關(guān)向負(fù)載電路供電。若逆變器輸出電壓保持在允許范圍內(nèi)，則負(fù)載電路在UPS 電源系統(tǒng)供電的情況下自動(dòng)切換為逆變器供電，保證UPS電源系統(tǒng)供電的穩(wěn)定性，如圖4所示。

圖4 逆變器故障供電模式

4.3.4 檢修供電模式

若UPS電源系統(tǒng)需維修，則斷開逆變器后，手動(dòng)閉合開關(guān)Q29，切除靜態(tài)旁路開關(guān)電路，直接給負(fù)載提供旁路交流電，確保負(fù)載正常運(yùn)行，同時(shí)實(shí)現(xiàn)UPS電源系統(tǒng)的檢修，如圖5所示。

圖5 檢修供電模式

4.4 UPS電源系統(tǒng)的應(yīng)用效果

UPS 電源系統(tǒng)改造后，在負(fù)載電源輸出端連接錄波裝置，測試UPS電源的自動(dòng)切換即交流電源、直流電源和旁路電源的切換，并用錄波裝置輸出波形。自動(dòng)切換斷開交直流輸入電源時(shí)，UPS 電源系統(tǒng)的輸出電壓在±2%以內(nèi)波動(dòng)，恢復(fù)時(shí)間不超過1 ms，可以滿足計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行要求。

相較于改造前的UPS 電源系統(tǒng)，改造后的UPS電源系統(tǒng)在可靠性和穩(wěn)定性方面具有很大優(yōu)勢，大大提高了計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性。近1 a 的實(shí)際應(yīng)用顯示，UPS1 和UPS2 的負(fù)載率分別為9%、11%。并聯(lián)冗余UPS 電源系統(tǒng)整體運(yùn)行可靠，雙機(jī)切換無故障，變頻器無斷電，可以有效確保計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)等自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)語

綜上，UPS電源系統(tǒng)對(duì)于水電廠計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行尤為關(guān)鍵?；谠蠻PS電源系統(tǒng)的運(yùn)行問題提出相應(yīng)的改造方案，采用雙機(jī)并聯(lián)冗余運(yùn)行模式，對(duì)其輸入輸出端電源來源進(jìn)行優(yōu)化，提高了UPS 電源系統(tǒng)的可靠性，為水電廠UPS 電源系統(tǒng)的改造提供了可供借鑒的思路。