【摘要】
不間斷電源UPS（Uninterruptible Power Supply）廣泛應(yīng)用于通訊、電力、銀行、石油化工等大量使用計算機的行業(yè)，本文通過多年應(yīng)用實踐，介紹UPS系統(tǒng)單機運、主從熱備份、雙機并機冗余幾種方式和優(yōu)缺點，以此提高UPS應(yīng)用水平，減少事故。
【關(guān)鍵詞】
UPS 單機 熱備份冗余 冗余并機
隨著石油化工行業(yè)儀表大量采用DCS控制系統(tǒng)，這些大型裝置操作的自動化水平越來越高，出現(xiàn)事故后損失也越來越大。因此，對DCS電源的要求也越來越高。目前，大部分DCS采用UPS供電，提高UPS供電的可靠性，是對我們提出的一大課題。本文旨在通過三相在線串聯(lián)式UPS在我廠生產(chǎn)裝置應(yīng)用的過程，介紹不同接線方式UPS對可靠性的影響。
一、 三相在線串聯(lián)式單機UPS系統(tǒng)基本組成和工作原理：
在線串聯(lián)式UPS一方面是一種備用電源。它在電網(wǎng)斷電或電壓波動出現(xiàn)時，能夠不間斷的為負荷提供電源；同時另一方面它還具有電源凈化功能。能夠?qū)⒅T如：電壓浪涌、電壓尖峰、電壓瞬變以及噪聲電壓等過濾掉，保護所帶負荷正常工作。一套在線串聯(lián)式UPS系統(tǒng)基本組成由整流器、逆變器、蓄電池組和靜態(tài)自動旁路和手動旁路開關(guān)五大部分組成。UPS一次系統(tǒng)圖如圖1：
圖1 各部分工作原理及功能：
1、自動靜態(tài)旁路開關(guān)
自動靜態(tài)旁路開關(guān)是由可控硅等電力電子元件組成。從原理上講它相當(dāng)于一個單刀雙置的開關(guān)。靜態(tài)自動旁路在控制上保證逆變器和旁路電源之間自動切換特點是“先合后斷”，以此保證向負荷供電不間斷。
正常運行狀態(tài)，靜態(tài)開關(guān)投合在逆變器側(cè)。當(dāng)逆變器故障或輸出過載自動靜態(tài)旁路開關(guān)投合在旁路交流電源側(cè)由市電供電，逆變器故障UPS會發(fā)出報警信號，如果是由輸出過載引起，則過載消失后，自動靜態(tài)旁路開關(guān)重新切回逆變器側(cè)。當(dāng)負載短路時，保護電路就會很快關(guān)斷逆變器，這時自動靜態(tài)也不會轉(zhuǎn)換到市電，短路消失后逆變器會重新自動啟動，恢復(fù)供電。UPS正常運行的跟隨特性（即旁路鎖相）是：如果旁路電源電壓、頻率和相位在容限范圍內(nèi)，則UPS輸出電源的電壓、頻率將跟隨旁路電源（市電）而變化，這時也允許手動進行逆變器和旁路供電方式互相切換；如果旁路電源電壓、頻率在容限范圍之外，UPS自動轉(zhuǎn)由蓄電池組工作，輸出電源將以UPS自身設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)電壓、頻率運行。因此，UPS對電源適應(yīng)范圍的容限是衡量UPS系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)，一般設(shè)備指標(biāo)電壓在額定值的+（10~15）%，頻率在額定值的+（5~10）%。
2、手動旁路：手動旁路是接于旁路電源和逆變器輸出之間的開關(guān)，它可以隔離逆變器輸出和自動旁路，作為UPS維修和測試時不間斷負載供電的設(shè)備。UPS一些機型如梅蘭日蘭已經(jīng)做在了機器內(nèi)部，有些機型需另加這一回路。需要注意的是：只有UPS工作在“靜態(tài)旁路電源側(cè)”才能手動合“手動旁路” 開關(guān)。
3、整流器：將不穩(wěn)定的三相交流市電電源整成直流的設(shè)備。整流后主要作為逆變器電源，同時提供給電池組作為浮充或均充電源。
4、 逆變器：將整流器或蓄電池送過來的直流逆變?yōu)镾PWM波形的交流電在經(jīng)濾波、變壓等環(huán)節(jié)變成高質(zhì)量的三相交流電源輸出。
5、蓄電池組：蓄電池組是UPS系統(tǒng)的關(guān)鍵，平時由整流器整流的直流浮充工作。當(dāng)交流輸入失電或電網(wǎng)電源質(zhì)量超標(biāo)，將自動由蓄電池組提供直流電源經(jīng)逆變后不間斷送向負載。因此，蓄電池組性能的好壞直接影響UPS發(fā)揮作用。
二、 單機UPS系統(tǒng)在我廠的應(yīng)用及問題對策
我廠從1993年隨著DMT裝置儀表改型為DCS系統(tǒng)時，配套引進了一臺梅蘭日蘭公司的EPS2000型UPS開始，到目前為止共使用過梅蘭日蘭EPS200、GALAXY PW、SIEMENS S系列、POWERWARE 9315等10多臺不同品牌和型號的UPS，主要給裝置儀表、火警等重要工業(yè)負荷供電。在使用過程中也曾發(fā)生多次故障，進行過多次改進。
1）故障統(tǒng)計
對我廠UPS使用中故障統(tǒng)計見下表：
2）故障原因分析及對策：
從上表可以看出，電池故障是UPS故障的主要原因。由于其他幾項都可以依靠UPS完善的報警系統(tǒng)和日常巡檢來及時發(fā)現(xiàn)和處理。因此，電池一直是UPS維護的重點內(nèi)容。
中小容量的UPS系統(tǒng)采用的電池大部分單體為12V鉛酸免維護電池（大容量電池為2V），一套UPS系統(tǒng)按照機型由35—46塊不等的單體電池串聯(lián)組成，每一塊電池的性能好壞將影響整組電池發(fā)揮作用。因此對整個電池組來說，隨著運行時間的增加，容量最小電池將決定著整組電池的容量。
正常運行時對鉛酸免維護電池應(yīng)該做到以下幾點：
！）即可能使電池處于環(huán)境溫度保持在20℃--25℃。
?。。┒ㄆ冢?個月—半年）對電池進行活化治療性放電，即用20時放電率放至10.8V，然后充足電再用。
因此，在電池使用方面應(yīng)克服“免維護”就是不用維護的誤區(qū)，運行期間也需要定期對電池放電維護。
3）單機UPS系統(tǒng)在我廠的應(yīng)用改進。
單機系統(tǒng)UPS使用的關(guān)鍵在蓄電池維護上，維護的好就能在關(guān)鍵時刻發(fā)揮作用。多年來，我們都是通過每半年通過 “將UPS切到旁路電源供電后，利用假負載對電池進行測試和活化放電”的方法維護電池。以此，延長UPS可靠運行時間,保證在出現(xiàn)電網(wǎng)晃電時為裝置DCS系統(tǒng)提供了可靠不間斷供電保證。
4）單機UPS系統(tǒng)存在問題
在UPS放電維護期間，由于負荷是通過手動旁路（市電）電源供電，因此，存在以下問題：
?。┴摵呻妷号c旁路電源電壓相同，不能保證指標(biāo)合格。
！?。┴摵刹皇鼙Ｗo。萬一旁路電源波動或停電，負荷將受到重大影響，特別是DCS等重要負荷出現(xiàn)掉電，間接造成生產(chǎn)裝置停車其經(jīng)濟損失巨大。
?。。。┯捎诙ㄆ诜烹?，特別是電池使用壽命末期，仍不能保證電池在關(guān)鍵時刻發(fā)揮作用。
根據(jù)以上問題，我們認為單機系統(tǒng)在大型工業(yè)裝置中使用不是完備方案。
三、熱備份冗余系統(tǒng)在我廠的應(yīng)用
單機系統(tǒng)的缺點是我們改進的動力。我廠DMT裝置有兩臺梅蘭日蘭的EPS2000機型的UPS分別做為“儀表DCS 電源（30KVA）”和 “同步機勵磁電源（10KVA）”，并且均為單機系統(tǒng)。在1996年大修期間，我們根據(jù)DMT裝置這兩臺單機系統(tǒng)在同一工作地點的特點，考慮到EPS2000不具備冗余并機的特點，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟分析，新上了一臺梅蘭日蘭GALAXY PW 30KVA機器，實現(xiàn)了熱備份冗余系統(tǒng)。其系統(tǒng)圖如圖2：
圖2 利用一臺后備機的輸出接于兩臺主機的旁路電源側(cè)，保證主機的旁路電源也是通過備臺UPS供電，經(jīng)過改造后，在對每臺機器的蓄電池維護時，只需將本臺機器手動切換到維修旁路，就可以對退出運行的UPS進行維護。由于3臺UPS有3組電池，不但提高了外部電源故障時的后備電池的供電時間，也減少了電池故障給負荷造成供電中斷的概率。解決了單臺UPS系統(tǒng)的缺點。經(jīng)過改造，在這套裝置因UPS問題造成裝置停車的問題基本得到解決。
筆者認為：熱備份冗余UPS系統(tǒng)是實現(xiàn)對重要負載提高供電電源可靠性改造的較好的方案之一，這種配置適用于強調(diào)電源高可靠性和高可用性負載。有關(guān)資料顯示：如果單機的可用度為100%，熱備份冗余UPS系統(tǒng)的可用度提高為284%，因此，是不同機型或不具備并機能力機型提高可靠性的最好的解決方案。在現(xiàn)有單機型基礎(chǔ)上，實現(xiàn)只需購置一臺設(shè)備，就能達到目的，能夠降低采購費用，減少資金浪費，是較經(jīng)濟的方案。
熱備份冗余UPS系統(tǒng)雖然是不同機型或不具備并機能力機型提高可靠性的最好的解決方案，但不是UPS應(yīng)用最好的方案，它存在如下缺點：
?。┱＿\行狀態(tài)，一臺主UPS在工作，另一臺備機UPS只提供主UPS旁路電壓，不提供電流，所以備機設(shè)備能力不能充分發(fā)揮。
?。。┴撦d側(cè)短路或過負荷是不可避免的，一般情況下，旁路電源的過載能力比逆變器過載能力大。雖然，增加了一臺UPS，但是，它接在主機的旁路電源側(cè)，在負載短路或過負荷時，最終還會出現(xiàn)由主機逆變器側(cè)到旁路側(cè)再到備機旁路側(cè)的自動切換，因此，增加一臺UPS沒能達到提高系統(tǒng)的過載的能力。
四、冗余并機技術(shù)在我廠的應(yīng)用
1）冗余并機技術(shù)接線方式及優(yōu)缺點。
隨著UPS技術(shù)發(fā)展，目前，UPS并機技術(shù)得到了應(yīng)用，有的機型不但可以實現(xiàn)2臺直接并機，甚至4臺或7臺UPS的增容并機。2臺UPS冗余并機的接線方式如下（圖3）：
圖32臺UPS冗余并機的優(yōu)點是：
！） 提高了系統(tǒng)的過載能力：是單臺UPS過載能力的2倍。
?。。?由于2臺或多臺UPS同時帶負荷，使機器利用率得到提高。
?。。。樨摵稍黾雍?，UPS增容帶來方便。當(dāng)負荷增加時，只需增加一臺或幾臺同容量的UPS并聯(lián)即可，實現(xiàn)模塊化增容并聯(lián)，不用整個推倒整體從新選擇大容量設(shè)備。
！v) 冗余并機UPS操作簡單、維護方便。
并機時應(yīng)注意的問題是：1）要選用的機器必須具備并機能力，機器為同一品牌同一容量。2）2臺UPS同時帶負荷，平均分擔(dān)相等負荷，這時要求負荷功率小于或等于單臺UPS的額定功率，當(dāng)一臺UPS故障，另一臺UPS能繼續(xù)供全部負荷，這種方式也叫1/2冗余度并機。
2）我廠新區(qū)UPS應(yīng)用解決方案。
我廠在20萬噸聚酯新區(qū)，BPX裝置采用了美國愛克賽POWERWARE 9315機型（380V三相），PTA裝置采用意大利CONVEREX FIM 40S（單相220V）機型分別向兩套裝置儀表DCS系統(tǒng)供電，在裝置建成中交時，我們就作為問題向上級部門請示要求并機，2002年作為裝置急需解決的33項問題之一，在大修中實現(xiàn)了并機。由于兩套裝置采用聯(lián)合控制室，考慮經(jīng)濟性，再加上美國愛克賽POWERWARE 9315機型（380V三相），在技術(shù)上采用無線并機不用并機控制板，因此，我們采用BPX裝置UPS并機，而PTA裝置UPS利用BPX裝置的并機作后備，采用熱備份冗余方式，減少了一臺UPS，僅需要采購一臺UPS，將兩套裝置UPS作成了一個較大的系統(tǒng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（圖4）：
圖4 由于PTA裝置UPS在旁路電源上由隔離變壓器，較好的解決了兩裝置電源混接的問題。通過上述改造，新區(qū)裝置DCS電源得到了保證，也為UPS維護提供了方便。
作者：
天津石化公司化工保運站 周立宏
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