征新剑

1   前言

    近几年来，随着石化装置的检修周期的延长，UPS使用数量的增加及UPS设备的老化，由UPS引起生产装置的非计划停车事故时有发生，甚至超过了因电网失电带来的影响。如何提高UPS供电的可靠性，确保由UPS（Uninterruptable Power Supply）、DCS（Distributed Control System）、ESD（Emergency Shut Down）及相关仪表组成的系统在电网正常和失常情况下，都能有效的发挥作用，对连续运行要求很高的石化生产装置具有普遍的意义。

2   UPS故障的原因及特征

(1)UPS工作原理
    如图1所示，电网电源分三路去控制后级电路的正常运行，一路经开关IRP进UPS的主回路，整流器将220VAC（单相）/380VAC（三相）交流电源变换成直流，该直流电源一方面对蓄电池组充电，一路给逆变器供电。逆变器将直流电源变换成220VAC（单相）/380VAC（三相）±1%，50Hz?.1%高质量的交流电源，经静态开关1给DCS、ESD及仪表供电；一路经开关IRE进交流旁路、静态开关2给DCS、ESD及仪表供电；一路经开关IBY进维修旁路直接给DCS、ESD及仪表供电。

图1  UPS工作原理图

    电网电源正常情况下由UPS主回路的整流器、逆变器、静态开关1给DCS、ESD及仪表供电；当电网电源失常时，由蓄电池组向逆变器供电，经静态开关1向DCS、ESD及仪表提供30分钟以上的电源；当UPS本身发生故障时，静态开关1自动断开，同时静态开关2自动闭合，电网电源经交流旁路向DCS、ESD及仪表供电；在对UPS进行维修时，将开关IBY闭合，维修旁路直接给DCS、ESD及仪表供电。

(2)UPS故障的原因分析
    从上面UPS工作原理看，UPS在设计上已考虑到电网电源正常、电网电源失常、UPS本身发生故障及UPS维修等因素而造成的供电中断。那么在什么情况下UPS会发生供电中断呢？从近几年来的事故分析，笔者发现UPS供电中断多发生在下列过程中：
    .在UPS本身发生故障自动往交流旁路切换过程中；
    .在对UPS进行维修过程中；
    .在对UPS蓄电池组进行活化过程中。

    由此可见，UPS供电中断事故绝大多数是由于UPS主回路、交流旁路、维修旁路相互切换时引起的。下面分析一下UPS的切换过程。

    为了实现交流旁路与逆变器之间快速切换，在UPS的逆变器输出通道上和交流旁路输出通道上各设置一对由两只反相并联的快速可控硅组成的静态开关（如图2所示）。这种快速可控硅元件的开关特性如下：

图2  UPS静态切换开关

    当可控硅阳极电位高于阴极电位时，在可控硅的栅极加上触发信号，可控硅即进入导通状态。由于快速可控硅的开通时间是微秒级，因此，静态开关的接通时间可认为几乎为零。可控硅一旦导通，即使将它的栅极触发信号撤掉，它也没有自关断的能力，继续处于导通状态。这种状态一直维持到它的阳极与阴极间的正弦波电源进入负半周，使其阳极电位低于阴极电位为止。因此，对50Hz交流电源，静态开关的关断时间为0~10ms。

图3  同步切换和不同步切换带来对“环流”的影响

    由图3分析可知，两路交流电源当其频率、相位、电压幅度任一个不同时，就会产生电压差，当两路交流电源在作切换操作的瞬间，由于静态开关的接通（0ms）总是先于关断（0~10ms），而使两路交流电源直接相连。因两种交流电源的瞬态电压差不同而形成“环流”，即有一部分电流在交流旁路电源与逆变器电源之间流动。这种“环流”过大不仅会造成逆变器故障，还会导致输出电源的畸变甚至瞬时中断供电。

    为了减小作切换操作过程中瞬态电压差，UPS都设有锁相同步电路，使逆变器的输出电源频率和相位跟踪交流旁路电源的频率和相位。但是这种跟踪又受到UPS输出频率波动和波形失真度的质量指标的限制，当交流旁路电源的频率在UPS锁相同步窗口（50Hz?Hz）内时，UPS的输出与交流旁路保持锁相同步，还要确保输出频率不会出现突变。当交流旁路电源的频率超出UPS锁相同步窗口时，UPS将不再跟踪交流旁路电源的频率，而以本机振荡频率50Hz输出。而UPS的输出电压幅值是以其质量指标为依据的，不受交流旁路电源的控制。

(3)UPS故障的特征
①多发生于交流旁路与逆变器之间相互切换的过程，时间较短，一般为ms级；
②切换过程的故障有其随机性，主要受交流旁路电源质量的影响。当交流旁路电源接近于标准220V/380V、50Hz时，切换几乎是无扰动的。当交流旁路电源偏离标准较大时，切换时将对UPS电源输出产生扰动。偏离越大，扰动越大，特别当交流旁路电源频率超出UPS锁相同步窗口，或电压幅值偏离标准值很大时，这种切换将导致UPS输出电源发生很大畸变甚至瞬时供电中断。

3   DCS、ESD及相关仪表对供电系统扰动的对策

(1)UPS冗余对策
①双UPS主-从冗余供电系统
    将UPS交流旁路电源用另一台UPS输出代替电网电源，两台UPS则组成主-从冗余供电系统。正常时，主UPS向DCS、ESD及相关仪表供电，一旦主UPS故障，自动切换到从UPS，主UPS故障排除后，又由从UPS切换到主UPS。由于从UPS的输出频率和幅值都接近于标准220V/380V、50Hz，主UPS的锁相同步电路能有效的跟踪从UPS频率和相位，因此，主-从UPS相互切换时，两种交流电源的瞬态电压值相差很小，相互切换的过程比较平稳，对DCS、ESD及相关仪表供电几乎不产生影响。这种冗余方式的另一优点是，两台UPS几乎处于相互独立的运行状态，可以由两台任意品牌的UPS组成主-从冗余供电系统。非常适合于老装置技术改造。

    然而，事情总不是那么完美的，可以发现，两台UPS总是处于一用一备状态。当主UPS正常时，整个DCS、ESD及相关仪表供电负荷都由主UPS提供，即主UPS承担100%负荷，从UPS处于“热备”状态，其负荷为0%。当主UPS故障，切换到从UPS时，全部负载将立即加到原处于空载运行状态的从UPS，毫无缓冲余地，反之亦然。这就要求主-从两台UPS都必须具有优良的带“阶跃性负载”的能力，否则可能造成切换的过程中DCS、ESD及相关仪表供电短时间中断。加氢裂化装置就是采用了两台UPS组成主-从冗余供电系统，曾经两度发生主-从UPS切换的过程中DCS、ESD及相关仪表供电短时间中断，引起联锁动作，造成非计划停车事故。因此，采用两台UPS主-从冗余供电方案必须选择带“阶跃性负载”的能力强的UPS。

②双UPS 1+1冗余供电系统
    将两台UPS并接，加上1+1并机控制电路板，组成两台UPS 1+1冗余供电系统。正常情况下，两台UPS的输出频率和幅值都较好地接近于标准220V/380V、50Hz，达到频率、相位、幅值三同。每台UPS输出1/2负载电流。当一台故障时，自动退出系统，由另一台UPS提供100%负载电流，因为两台UPS的频率、相位、幅值相同，负载的阶跃电流仅为50%负载电流，所以切换过程中扰动很小。维修也比较方便，可靠性比单台UPS要提高5到6倍。

    但是，两台UPS 1+1冗余供电方案，要求两台UPS同步性很好，两机的各项指标一致性较高。对老供电系统改造时，意味着原UPS设备难以利用，必须新配两台性能较高的同型号的UPS，其改造费用将相当高。

(2)DCS、ESD冗余供电对策
    上面从UPS本身讨论了提高DCS、ESD及相关仪表供电系统的可靠性，能否从负载侧来寻求解决问题的途经呢？下面就这一问题进行分析。
①石化生产装置UPS负载特点
    .DCS是装置控制、操作、监视的核心，因此确保DCS供电是三者中最重要的。

    DCS一般由操作员站、网络、控制站三部分组成。控制站部分是DCS最重要的部分，而保证了控制站的供电也就是保证了DCS供电。下面分析一下控制站对电源的要求。

    所有重要DCS系统控制站都是1 : 1冗余的，而且可由两组独立的电源对其供电。每组供电电源的要求是（为说明准确，在此以Honeywell的HPM控制站为例，其它DCS系统基本如此）：电压：100-132/187-264 VAC, 单相；频率：50Hz  ?%；允许畸变(THD): 8% maximum；允许掉电时间：10ms maximum。

    .ESD的主要部分是ESD控制站，操作和监视部分大多在DCS上。设计时ESD控制站比DCS控制站还要严格，几乎所有部分都采取了冗余和容错方式。电源部分毫无疑问的采取了冗余方式。ESD的最大特征是运行速度快，动作及时。因此，一般ESD控制站对电源的要求比DCS高。以Honeywell的FSC系统为例，其对电源的要求：电压：220VAC, ?0%，单相；频率：50 Hz ?%；允许掉电时间：20 ms maximum。

    .仪表部分：仪表采用直流24V供电，“热备”问题容易解决。但是有一部分仪表，如用于大机组轴振动、轴位移测量的本特利振动、轴位移测量仪，用于大机组转速控制的505转速控制仪，固态物为检测的γ料位计等。这类特殊仪表是以220V交流供电的，一般在石化装置都起重要作用，且大多与联锁有关。一旦供电失常，即会引起联锁系统误动作，导致装置局部或全面停车。

②DCS、ESD冗余供电方案
    在分析了UPS故障的原因及特征和石化生产装置UPS负载特点的基础上，提出了图4所示的DCS、ESD冗余供电方案。

    该方案的总思路是：电网1段电源、电网2段电源、UPS电源三路同时使用。由DCS、ESD及仪表自身解决冗余切换问题，使电网电源失常或UPS电源失常给装置生产带来的损失降到最小。

    在DCS系统中，笔者将操作员站和网络接口分成两组，一组由电网电源供电，一组由UPS电源供电，这样，无论是电网电源、UPS电源哪一路失电，具有冗余功能的网络总是保障网络畅通，操作员站总有一组能进行操作和监视。对DCS控制站，由于其具有两组独立的电源单元，将电网电源和UPS电源分别接到DCS控制站的两组电源单元，确保电网电源、UPS电源任何一路失电，DCS控制站都能正常工作。

    ESD控制站具有三组独立的电源单元，将电网1段电源、电网2段电源、UPS电源分别接到ESD控制站的三组电源单元。ESD是三取二表决，因此，电网1段电源、电网2段电源、UPS电源任何一路失电时都能正常工作。

图4  DCS、ESD冗余供电方案

    对常规仪表，由于采用24V直流供电，将24V电源分为两组，一组接电网电源，一组接UPS电源，只要一组交流供电正常，24V直流电源就可保证仪表供电。

    对轴振动、轴位移测量仪、505转速控制仪、γ料位计等特殊仪表，尽量采用24VDC供电或采用220V交流冗余供电。当无法从电源上解决该问题时，可从其输出信号上来考虑，讨论如下：

图5  电源故障信号与联锁/控制信号运算逻辑

    上述特殊仪表的输出信号分两类，一类是作为装置联锁的条件信号输出到ESD，一类是作为控制信号直接输出到执行器。为了实现信号处理，新增UPS输出电压检测器，检测UPS输出电压的畸变和瞬时失电，并将其输出到ESD。将作为控制的信号由直接输出到执行器改为经ESD处理后再由ESD输出到执行器。在ESD中由软件实现图5所示的电源故障信号与联锁/控制信号逻辑运算。

    在UPS正常运行时，电源故障信号为0，切换开关控制端4信号为1，切换开关2、3端被打通，联锁/控制信号经10ms延迟后去后续逻辑运算，10ms延迟是为了补偿UPS输出电压检测器的测量滞后，提高运算的可靠性，应根据检测器的特性调整。此时，整个联锁/控制功能不变。

    在UPS发生故障自动往交流旁路切换时，或UPS故障处理后，由交流旁路往UPS切换时，当发生UPS供电电压的畸变和失电情况，UPS输出电压检测器检测到电源故障信号，切换开关控制端4信号为0，切换开关1、3端被打通，输出保持原有状态不变，从而达到UPS切换过程中联锁/控制不受影响。由于UPS输出电源中断，一般都是瞬间的（ms级），一旦切换过程结束，不需人为干预，自动回到正常运行状态。当UPS发生长时间输出电源中断时，由于由UPS供电的特殊仪表联锁条件被上述运算逻辑旁路，控制信号被上述运算逻辑保持，则操作人员必须采取相应的措施，加强监控，手动操作由特殊仪表控制的执行器。

    DCS、ESD冗余供电方案的优点是只要很小的投资，就可起到甚至连两台UPS 1+1冗余供电方案都无法比拟的效果。特别适合于老装置改造。但在实施时必须注意下列几点：

①  对DCS控制站电源、ESD控制站电源、常规仪表24V电源要认真核算，必须保证单组电源能满足整个负荷要求；
②  对特殊仪表电源故障信号与联锁/控制信号运算逻辑，要根据装置的具体情况进行组态；
③  实施后要进行严格的测试，合理设置相关时间参数。确保动作可靠。

4   结语

    该冗余供电方式已在中国石化股份有限公司金陵分公司重油催化和连续重整两套装置实施。经过近一年的运行，效果良好。由于曾经发生过UPS电池活化和UPS维修过程中，UPS输出电源晃动，导致ESD联锁动作，装置停车事故，UPS电池活化几乎成了风险性很高的一项工作。由于改造时对UPS电源故障、电网1段故障、电网2段故障的影响进行了严格的测试，确保任何一路供电中断都不对仪表控制构成影响，任何一路供电中断，装置都处于安全停车状态。在今年做UPS电池活化时，大家都很放心，不会对DCS、ESD有任何影响，大大提高了仪表系统供电的可靠性。