雙路冗余供電模式在天然氣輸配系統(tǒng)中的應(yīng)用

彭超龍,呂志軍,楊秀平

(深圳市燃?xì)饧瘓F(tuán)股份有限公司,廣東 深圳 518049)

2021年1月份,某燃?xì)夤咎烊粴庹{(diào)壓站發(fā)生了兩起站控系統(tǒng)供電電源單點(diǎn)設(shè)備故障事件: 一起是濱海調(diào)壓站遠(yuǎn)程調(diào)壓系統(tǒng)直流電源故障,導(dǎo)致整個遠(yuǎn)程調(diào)壓系統(tǒng)停運(yùn);另一起是紅嶺東調(diào)壓站站控系統(tǒng)不間斷電源(UPS)突發(fā)故障,導(dǎo)致整個站控系統(tǒng)停運(yùn),遠(yuǎn)程調(diào)壓系統(tǒng)失效。兩起電源故障事件恰逢調(diào)壓站供氣高峰時段,調(diào)度中心無法遠(yuǎn)程調(diào)壓,且兩站電源故障時處于停供狀態(tài),給區(qū)域調(diào)壓、穩(wěn)定供氣造成了一定影響。同時也給場站如何保證站控系統(tǒng)可靠供電、穩(wěn)定供氣敲響了警鐘。

天然氣場站站控系統(tǒng)主要由PLC,UPS電源,儀器儀表,人機(jī)界面等構(gòu)成[1-3]。UPS作為站控系統(tǒng)的后備電源,要保證市電中斷后站控系統(tǒng)設(shè)備仍能正常工作10 h以上,為穩(wěn)定供氣發(fā)揮著重要作用,被廣泛應(yīng)用于不停機(jī)生產(chǎn)過程控制系統(tǒng)中[4-5]。

當(dāng)市電正常時,UPS相當(dāng)于交流穩(wěn)壓電源,它將市電整流后與電池組并聯(lián)并充電,再逆變成交流電為負(fù)載供電。當(dāng)市電突然中斷時,UPS由電池組提供電能繼續(xù)向負(fù)載設(shè)備供電[6-8]。

然而,在上述供電模式中,當(dāng)單臺UPS供電系統(tǒng)突發(fā)故障失效時,將導(dǎo)致整個站控系統(tǒng)因失電而停運(yùn)。因此,為保證站控系統(tǒng)供電安全,采用雙UPS或者雙直流電源冗余的供電模式[9-11]。但實(shí)際應(yīng)用還需結(jié)合使用場合、站點(diǎn)類型以及供電可靠性要求進(jìn)行相應(yīng)配置,以提升站控系統(tǒng)供電的可靠性和穩(wěn)定性。

1 供電模式分析

1.1 供電現(xiàn)狀

紅嶺東調(diào)壓站站控系統(tǒng)由兩路供電,一路由單臺容量為2 kVA在線式UPS供電,另一路由2臺直流24 V,10 A的直流電源裝置供電,后備電池組由8塊免維護(hù)12 V,100 Ah鉛酸蓄電池構(gòu)成,該調(diào)壓站站控系統(tǒng)功率約1.5 kW,備電時間約32 h,該站控系統(tǒng)供電架構(gòu)如圖1所示。濱海調(diào)壓站遠(yuǎn)程調(diào)壓系統(tǒng)由單臺24 V,5 A直流電源裝置供電,該調(diào)壓系統(tǒng)供電架構(gòu)如圖2所示。

圖1 紅嶺東調(diào)壓站站控系統(tǒng)UPS供電架構(gòu)示意

圖2 濱海調(diào)壓站遠(yuǎn)程調(diào)壓系統(tǒng)供電架構(gòu)示意

1.2 存在的問題

當(dāng)紅嶺東調(diào)壓站UPS突發(fā)故障時,一旦UPS主機(jī)內(nèi)部旁路失效將導(dǎo)致整個站控系統(tǒng)因失電而停機(jī),無法進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)控。當(dāng)濱海調(diào)壓站直流電源裝置故障時,將導(dǎo)致遠(yuǎn)程調(diào)壓系統(tǒng)失電而停機(jī),無法進(jìn)行遠(yuǎn)程調(diào)壓。尤其在用氣高峰時段,如遇站控系統(tǒng)UPS主機(jī)或遠(yuǎn)程調(diào)壓系統(tǒng)直流電源裝置突發(fā)故障時,不能及時恢復(fù)系統(tǒng)正常供電,調(diào)度中心將無法進(jìn)行實(shí)時在線監(jiān)控和遠(yuǎn)程壓力調(diào)節(jié),導(dǎo)致管網(wǎng)壓力不平衡而給區(qū)域供氣造成嚴(yán)重影響,甚至可能引起工廠和商戶、居民用戶停供,造成社會負(fù)面影響。

1.3 解決方案

通過設(shè)備失效模式和影響分析(Failure Mode and Effect Analysis,FMEA)方法進(jìn)行分析[12],為保證紅嶺東調(diào)壓站在UPS失效后,站控系統(tǒng)仍可正常運(yùn)行,該站設(shè)計(jì)成雙路冗余電源供電模式。同樣,為保證濱海調(diào)壓站遠(yuǎn)程調(diào)壓系統(tǒng)直流電源失效后,遠(yuǎn)程調(diào)壓系統(tǒng)仍可正常運(yùn)行,也采用冗余供電模式,同時為保障遠(yuǎn)程調(diào)壓系統(tǒng)不受站控系統(tǒng)UPS失效的影響,即遠(yuǎn)程調(diào)壓系統(tǒng)直流電源裝置的輸入電源由站控系統(tǒng)UPS提供,有必要將遠(yuǎn)程調(diào)壓系統(tǒng)電源線路進(jìn)行調(diào)整,直接由站控系統(tǒng)雙路冗余電源供電,并將冗余電源的工作狀態(tài)信號上傳至天然氣調(diào)度中心數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)(SCADA)。

2 改造方案

對于紅嶺東調(diào)壓站出現(xiàn)電源故障,導(dǎo)致該站控系統(tǒng)停運(yùn)現(xiàn)象,提出了雙路市電加雙路直流電源裝置供電模式改造方案。在市電輸入端采用兩路電源輸入,在負(fù)載側(cè)前端采用直流冗余電源模塊實(shí)現(xiàn)雙路直流電源裝置自動切換供電,同時在現(xiàn)場站控系統(tǒng)、天然氣調(diào)度中心人機(jī)界面增加相應(yīng)程序組態(tài),可實(shí)時在線監(jiān)測供電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),并對供電異常情況實(shí)現(xiàn)主動預(yù)警。雙路冗余電源供電系統(tǒng)架構(gòu)如圖3所示。

圖3 雙路冗余電源供電系統(tǒng)架構(gòu)示意

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成

該系統(tǒng)主要由UPS、電池組、直流電源裝置以及直流冗余電源模塊構(gòu)成,當(dāng)某部件發(fā)生故障時,冗余配置的部件可以作為備援,及時介入并承擔(dān)故障部件的工作,由此避免或減少系統(tǒng)的故障時間。UPS采用的是國產(chǎn)UPS2000-G1-3KTRL,它除了能夠提供不間斷電源外,還具備停電保護(hù)、穩(wěn)壓、突波保護(hù)、高低電壓保護(hù)、諧波失真保護(hù)、穩(wěn)定頻率、瞬間保護(hù)、抑制橫模和共模噪聲的作用。電池組采用免維護(hù)鉛酸蓄電池,由8塊6FM-100 Ah單節(jié)電池組成,具有免補(bǔ)水、密封安全、安裝簡單、高功率放電性能好以及使用壽命長等特點(diǎn)。該系統(tǒng)中直流電源裝置和直流冗余電源模塊均為進(jìn)口設(shè)備,可監(jiān)測設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)干節(jié)點(diǎn)信號。使用時直流冗余電源模塊與2個直流電源裝置并聯(lián)供電,當(dāng)一個電源裝置發(fā)生故障時,并聯(lián)的另一個直流電源裝置繼續(xù)通過該冗余模塊維持供電。

2.2 工作原理

無論輸入端的市電是來自UPS輸出端還是由市政市電直接接入,正常狀態(tài)下,UPS交流電經(jīng)直流電源裝置1整流穩(wěn)壓后給自控系統(tǒng)負(fù)載提供24 V直流電;2個直流電源裝置并聯(lián)供電,任一臺直流電源裝置故障都不會影響供電。市電220 V交流電經(jīng)直流電源裝置2整流穩(wěn)壓后給自控系統(tǒng)負(fù)載提供24 V直流電,并進(jìn)行供電切換報(bào)警。

2.3 優(yōu)缺點(diǎn)分析

采用雙路冗余電源供電系統(tǒng)較原供電系統(tǒng)對比結(jié)果如下:

1)優(yōu)點(diǎn)。單路UPS、直流電源裝置等設(shè)備出現(xiàn)故障時,供電系統(tǒng)可自動切換至正常供電電路,保證自控系統(tǒng)、遠(yuǎn)程調(diào)壓系統(tǒng)穩(wěn)定可靠供電;通過人機(jī)界面增加相應(yīng)的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控報(bào)警,調(diào)度中心可實(shí)時在線監(jiān)測供電系統(tǒng)直流電源設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)并主動預(yù)警;利用雙路電路切換,可在線更換UPS、直流電源裝置以及后備電池等故障設(shè)備,實(shí)現(xiàn)站控系統(tǒng)不停機(jī)維護(hù)。

2)缺點(diǎn)。直流冗余電源模塊是保證供電系統(tǒng)可靠性的新的瓶頸,一旦該冗余模塊出現(xiàn)嚴(yán)重故障,可能兩路電源都不能為整個站控系統(tǒng)供電,并且冗余模塊存在電壓降和耗電發(fā)熱的問題;無法滿足自控系統(tǒng)內(nèi)交流供電設(shè)備雙電源切換,建議將交流供電設(shè)備更改為24 V直流供電,并需重新評估系統(tǒng)直流電源額定電流;或采用小型靜態(tài)開關(guān)為每一臺交流用電設(shè)備提供雙交流電源的切換供電。

2.4 系統(tǒng)功能

該冗余電源供電系統(tǒng)在市電輸入側(cè),即直流電源裝置前端有兩路市電輸入,在負(fù)載電源輸入側(cè)可實(shí)現(xiàn)雙路直流電源裝置并聯(lián)供電,同時在現(xiàn)場、調(diào)度中心人機(jī)界面增加相應(yīng)組態(tài)監(jiān)控,將直流電源裝置干節(jié)點(diǎn)信號接入天然氣調(diào)度中心SCADA可實(shí)時在線監(jiān)測供電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài),并對供電異常情況主動預(yù)警。

采用雙路市電加雙路直流電源裝置供電模式應(yīng)用于場站站控系統(tǒng)和遠(yuǎn)程調(diào)壓系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化改造,具體步驟如下:

1)將現(xiàn)有站控系統(tǒng)機(jī)柜中直流電源裝置更換為由2個直流電源裝置組成的冗余配置,其中一個用UPS供電,另一個用市電供電,在直流電源輸出側(cè)配置直流電源冗余模塊,使直流電源裝置并聯(lián)輸出供電。

2)將現(xiàn)有場站的遠(yuǎn)程調(diào)壓系統(tǒng)供電回路并聯(lián)在直流電源出口側(cè),從而提高遠(yuǎn)程調(diào)壓電源系統(tǒng)供電的可靠性。

3)開關(guān)電源、電源冗余模塊等設(shè)備安裝位置需依據(jù)現(xiàn)場的柜內(nèi)設(shè)備位置進(jìn)行調(diào)整。

4)兩路直流電源裝置運(yùn)行狀態(tài)信號通過干接點(diǎn)接入至現(xiàn)場控制系統(tǒng),并通過遠(yuǎn)程終端單元(RTU)將信號傳送至天然氣調(diào)度中心SCADA平臺監(jiān)視其運(yùn)行狀態(tài)。

5)站控系統(tǒng)電源改造后,重新進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)收測試(Site Acceptance Test,SAT),重點(diǎn)驗(yàn)證遠(yuǎn)程調(diào)壓、閥門控制、雙電源供電、狀態(tài)信號反饋、流量采集等基本功能及生產(chǎn)數(shù)據(jù)采集是否正常。

2.5 功能驗(yàn)證測試

為了驗(yàn)證預(yù)期功能效果,現(xiàn)場進(jìn)行了直流電源主、副路通斷電測試,直流電源冗余模塊通道測試以及UPS市電斷電測試,功能驗(yàn)證測試結(jié)果見表1所列。

表1 功能驗(yàn)證測試結(jié)果

通過功能驗(yàn)證測試,結(jié)果表明符合預(yù)期。同時,為了檢驗(yàn)系統(tǒng)功能的可靠性,對先行試點(diǎn)的調(diào)壓站進(jìn)行了為期1個月的運(yùn)行狀態(tài)檢查和觀測,測試結(jié)果表明該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,可靠性高。

3 結(jié)束語

采用雙路市電加雙路直流電源供電模式對原有單路市電單臺UPS加雙路直流電源裝置供電模式進(jìn)行優(yōu)化改造,改造后的供電模式能夠提高自控系統(tǒng)供電的可靠性及維修的便捷性;能夠?qū)崿F(xiàn)雙路電源自動切換,保證了單臺UPS,單臺直流電源裝置故障后站控、遠(yuǎn)程調(diào)壓系統(tǒng)不停機(jī),有效提升了站控、遠(yuǎn)程調(diào)壓系統(tǒng)供電的可靠性,保障了自控系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行,調(diào)壓站穩(wěn)定供氣。使用的直流電源裝置、電源冗余模塊、UPS等設(shè)備均為行業(yè)內(nèi)廣泛使用的產(chǎn)品,可降低企業(yè)成本。改造后的供電模式還可以應(yīng)用到其他需要供電的子系統(tǒng),如遠(yuǎn)程調(diào)壓、加臭單元等子系統(tǒng),并與自控系統(tǒng)共用一套雙電路電源系統(tǒng),提升整個自控系統(tǒng)供電的可靠性。