UPS1+1并机冗余在石化行业中的应用

段美霞

摘要：考虑到我公司实际情况，本文就UPS的组成结构、工作原理，不同接线系统进行了详细的分析，确定了最终的供电方案，并进行了安装调试工作。

关键词：石油化工；UPS；并机冗余；调试；

引言

随着近几年我国石油化工行业的不断发展，为提高工艺操作的自动化水平大量化工企业选择采用DCS作为工艺操作的控制系统，因DCS对供电可靠性要求极高，一旦出现供电异常，会直接造成装置停车，或在事故状态下装置无法正常停车，造成重大设备损坏等恶性事故，同时会给公司造成重大经济损失，严重情况还会造成重大环保事故。因此为DCS提供电源的UPS显得尤为重要，UPS的正常、可靠运行，直接关系到装置的安、稳、优运行，属于电气设备中的核心重要设备。

1.UPS的基本原理和组成

UPS即不间断电源，其供电过程共分为四个过程：一、当市电输入正常时，UPS将市电稳压后供应给负载使用，同时通过整流滤波向电池柜电池充电；二、当市电发生异常时UPS立即将电池的直流电能通过逆变器切换转换向负载继续供应交流电，使负载维持正常工作；三、当逆变器发生异常状况，逆变器会自动切断以防止损坏，静态开关迅速将负载由逆变器供电转移到旁路市电供电；四：当UPS要进行维修或更换电池时，手动切至维护旁路由旁路电源向负载继续供应交流电；

目前我司主要采用深圳科华生产的DL系列UPS，主要由隔离变压器，整流器，逆变器，静态开关，蓄电池，旁路柜稳压设备等组成，其系统组成图如图一：

图一

主要组成元器件介绍

1.1整流器

从主电源吸收能量，经过桥式可控硅整流电路、阻容滤波电路，产生平滑的直流电，并将直流电提供给蓄电池和逆变器。

1.2蓄电池

蓄电池是储存电能的装置，作为后备电源在正常供电时，直流电源对蓄电池进行充电。它将电能转换成化学能贮存起来。当市电中断时，UPS电源将依靠储存在蓄电池中的能量输出直流电，维持逆变器的正常工作。

1.3逆变器

将充电器或蓄电池送来的直流电转变成交流电输出，它是UPS电源的核心部件，逆变器性能的好坏，对UPS电源输出波形、效率、可靠性、瞬态响应、噪声、体积、重量等方面有着决定性的影响。一台UPS电源性能好坏，主要是由逆变器的性能来决定的。

1.4静态开关

静态开关主要负责旁路输出的自动切换，正常时旁路静态开关处于关断状态，通过电压检测信号，当逆变器发生故障，静态开关迅速将负载由逆变器供电转移到市电供电。一旦恢复正常，经检测市电与逆变器电压同步、同频时，又转为逆变器供电。

2、不同UPS运行系统分析

2.1.单台UPS运行系统

我公司共有26台单台运行科华DL系列UPS，尽管单台UPS运行经济、接线简单并已消除电网的冲击、浪涌、陷落等电网波动和停电对化工生产的影响，但当发生UPS宕机故障时可能引起负载掉电导致生产受到重大损失。

2.2串联热备运行系统

串联热备系统是指备用UPS串接在主用UPS的旁路中，正常情况下主用UPS带负载，主用UPS故障跳转旁路时，备用UPS工作。由于两台UPS无需在同一控制程序下协调工作，无需通讯链接，所以只要UPS功率满足负载要求的情况下，可以是不同品牌的UPS并机，可靠性较单机系统更高。但本方案是并机早期的链接方式，因受当时并机技术的制约，本方案中设备的使用率较低，安全可靠性有限，不能满足用户的更高安全要求，目前用户已很少采用此种并机方案，串联热备系统框图如图二所示：

图二

2.3双机并联热备运行系统

在既要保障UPS供电的安全可靠性又要充分利用UPS提高利用率的前提下，通过不断地探索，目前可以实现两台甚至多台UPS在同一控制程序下共同协调工作，这被称为“1+1”并机；在两台UPS正常时的工作模式为两台UPS各承担50%负荷，若其中一台出现故障，另一台自动承担100%负荷，故障UPS自动退出并机模式；“1+1”并机相对单机UPS，多了一台UPS自动承担100%负载安全保护措施，可以有效避免逆变器切换至旁路时造成的切换风险，但在使用过程中要注意环流的出现，任何的电压幅值差别或者相位的差别，都可能产生很大的环流，严重的可能引起过载或逆变器的损坏，因此两台UPS要求是同品牌、同系列、同规格并且能够快速调整并联单机的交流输出的波形，幅值和相位，使之严格一致，达到均流目的。其系统框图如图三：

图三

3.科华DL系列UPS并联热备份系统调试

考虑到以上UPS运行方式的优缺点及结合我公司实际情况，最终决定将我公司空分装置单机运行系统改为2台30KVAUPS并联热备份系统，以下是调试过程：

3.1接线方式：

因空分DCS设备的重要性，考虑1#UPS，2#UPS采用并机接线方式，采用空分变电所双回路，旁路供电方式，即I回路作为1#UPS市电输入，II回路作为2#UPS市电输入，1#UPS，2#UPS的旁路输入电源统一由I回路通过旁路变压器供电，两组电池组作为后备电源，其接线如图四：

图四

3.2操作运行

1.单机启动：闭合旁路柜旁路输入开关→闭合旁路柜旁路输出开关→闭合UPS柜旁路输入开关→闭合UPS柜市电输入开关→闭合电池柜主机外部电池柜输入开关→开启UPS逆变器系统→闭合UPS柜输出开关→开启负载设备即闭合旁路柜负载输出开关；

2.单机关闭：关闭旁路柜负荷开关→关闭UPS逆变器系统→切断主机外部电池柜开关→切断市电输入开关→切断旁路输入开关；（注：红色字体两步只有输出负载不需要时执行）

3.启动并联系统：

4.关闭并联系统：

关闭所有负荷开关→执行单机关逆变器操作，逐台关闭逆变器→执行单机关机步骤断开各台的相关开关；

3.3切换试验

1、按正常程序开机后，测输出电压及波形，并做好记录。

电压：219.3V，频率：50.0HZ，波形：平滑的正弦波

谐波及电磁干扰情况：基本测量不到，对讲机，手机通话不受影响

其它：正常

2、拉开1#UPS主电源，此时转为1#UPS蓄电池供电工作，2#UPS仍为市电供电

稳定电压：219.3V，频率：50.0HZ，波形：平滑的正弦波

电压变化情况：目测录波器波形无间断，捕捉不到电压变化

信号指示情况：1#UPSAD/CD指示灯灭

其他：1#UPS报市电异常

3、合上1#UPS主电源此时1#UPS由蓄电池供电转化为市电工作，2#UPS仍为市电供电

稳定电压：219.3V，频率：50.0HZ，波形：平滑的正弦波

电压变化情况：目测录波器波形无间断，捕捉不到电压变化

信号指示情况：1#UPSAD/CD指示灯点亮

其他：1#UPS市电异常报警消失

4、拉开2#UPS主电源，此时转为2#UPS蓄电池供电工作，1#UPS仍为市电供电

稳定电压：220V，频率：50.5HZ，波形：平滑的正弦波

电压变化情况：目测录波器波形无间断，捕捉不到电压变化

信号指示情况：2#UPSAD/CD指示灯灭

其他：2#UPS报市电异常

5、合上2#UPS主电源此时2#UPS由蓄电池供电转化为市电工作，1#UPS仍为市电供电

稳定电压：219.6V，频率：50.3HZ，波形：平滑的正弦波

电压变化情况：目测录波器波形无间断，捕捉不到电压变化

信号指示情况：2#UPSAD/CD指示灯点亮

其他：2#UPS市电异常报警消失

6、拉开1#UPS主电源，2#UPS主电源，此时转为1#UPS蓄电池供电工作，2#UPS蓄电池供电

稳定电压：219.8V，频率：50HZ，波形：平滑的正弦波

电压变化情况：目测录波器波形无间断，捕捉不到电压变化

信号指示情况：1#UPSAD/CD指示灯灭，2#UPSAD/CD灭

其他：1#UPS报市电异常，2#UPS报市电异常

（此时若合上1#UPS市电，1#UPS将市电供电，2#同理）

7、拉开1#UPS蓄电池开关，此时转为1#UPS停止工作，2#UPS蓄电池供电

稳定电压：219.7V，频率：50.1HZ，波形：平滑的正弦波

电压变化情况：目测录波器波形无间断，捕捉不到电压变化

信号指示情况：1#UPSAD/CD，DC/AC,BATT灯灭，2#UPSAD/CD仍灭

其他：1#UPS报市电，逆变器，整流器异常；2#UPS报市电异常

（此时若合上1#UPS市电，1#UPS将市电供电）

8、合上1#UPS蓄电池开关，此时转为1#UPS蓄电池供电，2#UPS蓄电池供电

稳定电压：219V，频率：50HZ，波形：平滑的正弦波

电压变化情况：目测录波器波形无间断，捕捉不到电压变化

信号指示情况：1#UPSAD/CD灭，2#UPSAD/CD灭

其他：1#UPS报市电；2#UPS报市电异常

9、拉开2#UPS蓄电池开关，此时转为2#UPS停止工作，1#UPS蓄电池供电

稳定电压：220V，频率：50HZ，波形：平滑的正弦波

电压变化情况：目测录波器波形无间断，捕捉不到电压变化

信号指示情况：2#UPSAD/CD，DC/AC,BATT灯灭，1#UPSAD/CD仍灭

其他：2#UPS报市电，逆变器，整流器异常；1#UPS报市电异常

（此时若合上2#UPS市电，2#UPS将市电供电）

10、合上2#UPS蓄电池开关，此时转为2#UPS蓄电池供电，1#UPS蓄电池供电

稳定电压：220V，频率：50HZ，波形：平滑的正弦波

电压变化情况：目测录波器波形无间断，捕捉不到电压变化

信号指示情况：2#UPSAD/CD灭，1#UPSAD/CD灭

其他：2#UPS报市电；1#UPS报市电异常

11、拉开1#UPS,2#UPS蓄电池开关，此时转为1#,2#UPS静态旁路供电；

稳定电压：220.2V，频率：50HZ，波形：平滑的正弦波

电压变化情况：目测录波器波形无间断，捕捉不到电压变化

信号指示情况：1#UPS，2#UPSAD/CD，DC/AC,BATT灯灭

（此时若合上1#UPS蓄电池开关，此时也不会转为1#UPS电池供电，或者合上1#UPS市电开关

1#UPS也不会转为市电供电，需要手动开启逆变器）

12、拉开1#UPS旁路开关，此时转为1#UPS无输出，2#UPS静态旁路供电；

稳定电压：219.9V，频率：50.3HZ，波形：平滑的正弦波

电压变化情况：目测录波器波形无间断，捕捉不到电压变化

信号指示情况：1#UPS黑屏

（此时若合上1#UPS蓄电池开关，此时也不会转为1#UPS电池供电，或者合上1#UPS市电开关，1#UPS也不会转为市电供电，需要手动开启逆变器）

13、合上1#UPS旁路开关，拉开2#UPS旁路开关，此时转为2#UPS无输出，1#UPS静态旁路供电；

稳定电压：220V，频率：50.2HZ，波形：平滑的正弦波

电压变化情况：目测录波器波形无间断，捕捉不到电压变化

信号指示情况：2#UPS黑屏

（此时若合上2#UPS蓄电池开关，此时也不会转为2#UPS电池供电，或者合上2#UPS市电开关，2#UPS也不会转为市电供电，需要手动开启逆变器）

14、拉开1#UPS旁路开关，拉开2#UPS旁路开关，此时转为1#UPS,2#UPS无输出

信号指示情况：1#UPS,2#UPS黑屏

经过试验证明：UPS切换供电模式过程中电压连续无明显变化，偶有正弦波轻微下陷；

3.4电池充放电试验

我公司采用的UPS配套蓄电池为汤浅免维护阀控式密封铅酸蓄电池，在进行浮充24小时后按照电池充放电试验规定，按放电电流I为0.1C-0.2C之间（C为单节电池容量）进行恒流放电，每隔1个小时记录一下每节电池电压，内阻和总电压，放电至截止电压为0.85-0.9之间，截止容量为0.8倍的额定容量，测试电池性能及有效后备时间。

结语

化工用UPS较为重要，由于每个厂家的UPS并不能全面地解决各方面的难题，因而不同品牌UPS在使用的可靠性上就有较大差异。我们在选购UPS时必须进行全面的对比，不能一味的认为双机就完全可靠，单机就不堪一击，而是从自身实际出发选择符合本公司的产品。

参考文献：

【1】王其应，何春华.UPS供电系统综合解决方案

【2】科华不间电源DL系列用户手册

【3】张乃国.UPS供电系统应用手册.电子工业出版社，2003.8.

【4】邓春花.UPS系统中蓄电池充电的研究.华中科技大学.2008.6