不間斷電源直接并機加自動互投的冗余供電方式

李正坤,張彥

(天津軍糧城發(fā)電有限公司,天津 300300)

0 引言

隨著計算機技術(shù)產(chǎn)品在電廠集散控制系統(tǒng)DCS(Distributed Control System)、熱工控制儀表、調(diào)節(jié)裝置及其他保護系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用和日益普及,對供電品質(zhì)提出了越來越嚴(yán)格的要求。在計算機運行期間,供電的中斷將會導(dǎo)致隨機存儲器中數(shù)據(jù)的丟失和程序的破壞,有時甚至使計算機硬盤遭到破壞,造成難以彌補的損失。為了避免數(shù)據(jù)丟失和主機正常工作,必須要求一種電源系統(tǒng)能在小于5ms的時間內(nèi)重新送電,以保證計算機系統(tǒng)的正常工作。為了滿足高可靠和高質(zhì)量的供電要求,不間斷電源UPS(Uninterruptible Power System)成為火力發(fā)電機組DCS及重要熱控設(shè)備電源的首選,其設(shè)備選型、方案設(shè)計是否合理,是向發(fā)電機組控制系統(tǒng)提供高質(zhì)量、安全可靠電源的關(guān)鍵所在。

1 在線式UPS工作原理

UPS是一種含有儲能裝置、以逆變器為主要組成部分的恒壓、恒頻的電源設(shè)備,廣泛應(yīng)用于精密儀器、醫(yī)療設(shè)備、通信系統(tǒng)、安全監(jiān)控、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、自動控制生產(chǎn)線等對電流穩(wěn)定性要求較高的場合,按工作方式可分為后備式和在線式2種。后備式UPS在市電正常供電時逆變器不工作,市電通過交流旁路通道直接向負(fù)載供電,只有在市電停電時才由蓄電池供電,經(jīng)逆變器驅(qū)動負(fù)載,它對市電品質(zhì)基本沒有影響。而在線式UPS卻有所不同,它主要由輸入隔離變壓器、輸入濾波器、整流裝置、逆變裝置、輸出隔離變壓器、靜態(tài)開關(guān)、旁路裝置等元器件組成。其工作原理是:首先將市電經(jīng)整流裝置變換成直流電源,然后在逆變裝置內(nèi)將直流電源變成高質(zhì)量正弦波電源;當(dāng)交流工作電源消失或整流裝置等元器件故障時,由直流系統(tǒng)或自帶蓄電池組向逆變裝置供電;當(dāng)逆變裝置故障輸出電壓異常或過載時,則由靜態(tài)開關(guān)切換至旁路。而且設(shè)有手動旁路開關(guān),以保證UPS檢修和維護時不中斷負(fù)載電源。因此,在線式UPS能提供一個連續(xù)、穩(wěn)定的電源給需要保護的設(shè)備使用,使設(shè)備免于遭受停電、低電壓、高電壓尖波、突波干擾等因素的困擾,可以為火力發(fā)電機組控制系統(tǒng)提供高品質(zhì)、安全可靠的電源,以確保電力生產(chǎn)的安全、穩(wěn)定、可靠。相對于后備式UPS而言,在線式UPS大大改善了供電品質(zhì),可保證負(fù)載安全、有效地工作。

2 UPS裝置冗余配置方式及特點

盡管單機在線式UPS有直流、旁路2個應(yīng)急措施,但當(dāng)UPS發(fā)生故障時仍然無法保證系統(tǒng)電源的不間斷供電。要真正實現(xiàn)DCS電源的不間斷供電,UPS設(shè)計必須做到UPS裝置的冗余配置。UPS裝置冗余配置主要有2種接線方式,下面以2臺UPS裝置為例進行說明。

2.1 主機-從機型串聯(lián)“熱備份”UPS供電系統(tǒng)

主機-從機型串聯(lián)“熱備份”UPS供電系統(tǒng)就是常說的熱備份串聯(lián)冗余系統(tǒng),其原理接線圖如圖1所示。

該供電系統(tǒng)有主機和從機之分,它將從機#2 UPS的逆變器輸出端連接到主機#1UPS的交流旁路“靜態(tài)開關(guān)”的輸入端上。用戶的負(fù)載僅同主機#1UPS的輸出端相連。其基本原理是:主機正常時100%地承擔(dān)負(fù)載電流,故障時,由從機提供后備電源。由于備用UPS是在主機旁路處處于等待工作狀態(tài),故稱為熱備份。

2.2 直接并機型冗余式供電系統(tǒng)

圖1 主機-從機型串聯(lián)“熱備份”UPS供電原理接線圖

隨著UPS并機控制技術(shù)的日臻完善,直接并機型冗余式供電系統(tǒng)的應(yīng)用范圍在不斷擴大。它既能提高UPS供電系統(tǒng)的可靠性、實現(xiàn)電源系統(tǒng)的擴容,又能按照不同的需要組成多種配置。直接并機型冗余式供電系統(tǒng)接線圖如圖2所示。

圖2 2臺UPS直接并機冗余供電接線圖

該供電系統(tǒng)是將2臺(或2臺以上)同型號、同功率的UPS,通過并機柜、并機模塊或并機板,把輸出端并接而成,系統(tǒng)內(nèi)各UPS均分負(fù)載。其基本原理是:在正常情況下,2臺UPS均由逆變器輸出,平分負(fù)載和電流,當(dāng)1臺UPS故障時,由剩下的1臺UPS承擔(dān)全部負(fù)載。它的抗過載能力比熱備份串聯(lián)方式高得多,而且在合理的設(shè)計選型時,每臺UPS正常運行時的功率一般在額定容量的50%以下,因此,該系統(tǒng)能夠在防止故障特性的模式下不間斷地向負(fù)載供電。

直接并機型冗余式供電系統(tǒng)與熱備份串聯(lián)方式相比,具有如下特點:

(1)直接并機型冗余式供電系統(tǒng)可工作在冗余方式下,也可工作在擴容方式下;而熱備份串聯(lián)系統(tǒng)則只能提供一定程度的冗余。

(2)在直接并機型冗余式供電系統(tǒng)運行中,每臺都可以在完全斷電的情況下進行維修而不影響系統(tǒng)的正常運行,真正實現(xiàn)在線維護;而熱備份串聯(lián)系統(tǒng)則不能使其中的1臺在完全斷電的情況下進行維修,特別是主機絕對不能完全斷電,而從機完全斷電時也會使主機處于報警狀態(tài),此時逆變裝置一旦出現(xiàn)故障,就會造成對負(fù)載的供電中斷。

(3)熱備份串聯(lián)系統(tǒng)中2臺UPS處于主機-從機工作狀態(tài),當(dāng)主機靜態(tài)開關(guān)發(fā)生故障時,將可能中斷整個系統(tǒng)供電,出現(xiàn)瓶頸故障。而且在市電故障、市電超限時,因UPS封鎖旁路而導(dǎo)致主、從機無法切換,造成熱備份失效。直接并機型冗余式供電系統(tǒng)中,2臺UPS的輸出都接在母線上,就不存在該種故障點,提高了運行可靠性。

(4)直接并機型冗余式供電系統(tǒng)中,每臺UPS帶一組蓄電池,逆變裝置輸出電流量均等,在運行中可方便地對各自的蓄電池組進行定期的充放電;而熱備份串聯(lián)系統(tǒng)中,從機長期處于備用狀態(tài),電池也長期處于浮充狀態(tài),影響電池壽命。對于采用直流屏供電的UPS系統(tǒng)而言,可不考慮蓄電池組定期充放電問題。

(5)在直接并機型冗余式供電系統(tǒng)中,由于2臺UPS的運行都處于均等的情況,使得每臺的性能都得到充分發(fā)揮;而不像熱備份串聯(lián)系統(tǒng)那樣,主機總帶滿負(fù)載運行,從機總空載運行,空耗電,其平均無故障工作時間偏低。因而,直接并機型冗余式供電系統(tǒng)有利于提高運行效率。

3 改造方案

2005年6月11日,天津軍糧城發(fā)電廠#6機組由于UPS故障導(dǎo)致DCS全停,最終導(dǎo)致#6機組非計劃停運,給電網(wǎng)和全廠造成了重大損失和惡劣影響。事故發(fā)生后,請UPS廠家前來檢查,發(fā)現(xiàn)電路板中有個電容出現(xiàn)故障、主UPS上S1開關(guān)失靈造成主UPS死機,使得整個UPS電源系統(tǒng)失去供電,最終導(dǎo)致#6機組非計劃停運。當(dāng)時DCS的UPS設(shè)計采用的就是主機-從機型串聯(lián)“熱備份”UPS供電方式,從本文“UPS裝置冗余配置方式”中可以看出,這種方式只能提供一定程度的冗余,而且只要主UPS故障就會使得從UPS無法實現(xiàn)投入,最終造成對負(fù)載失去供電。此次#6機組非計劃停運正是由于主UPS死機時備UPS無法投入運行導(dǎo)致對整個DCS失去供電造成的。

德國AEGSVS公司生產(chǎn)的AEGProtect系列UPS產(chǎn)品具有如下特性:

(1)為在線式UPS,采用DSP、IGBT、PWM調(diào)制技術(shù)100%全數(shù)字控制系統(tǒng);

(2)整流器、逆變器、旁路分別由微處理器控制且這3部分采用直流電源且冗余;

(3)風(fēng)扇冗余,可以熱更換;

(4)采用CAN總線通訊,抗干擾能力強,高速、有效的通訊實現(xiàn)了多主機技術(shù)(FMMT)技術(shù),通過FMMT來保證系統(tǒng)安全可靠;

(5)抗短路能力強;

(6)效率高,帶負(fù)載動態(tài)響應(yīng)快。

德國AEGSVS公司開發(fā)的并機技術(shù),冗余并機可達8臺,且AEGUPS并機運行模式不需另外加設(shè)中央控制部件,負(fù)載均分。通過幾個UPS冗余并機運行,可以更進一步提高系統(tǒng)的供電可靠性。如果某臺UPS單機發(fā)生故障,則被立刻關(guān)閉,其他的UPS會自動承擔(dān)全部負(fù)載,對負(fù)載不會產(chǎn)生任何影響。如果2臺主機的任意一臺出現(xiàn)故障,另一臺主機將會即刻自動地接管主控功能。結(jié)合UPS并機系統(tǒng)的特點,為了更大程度地降低DCS電源故障率,經(jīng)過研究決定,在2套直接并機型冗余式供電系統(tǒng)的基礎(chǔ)上,再增加1路由2套并機系統(tǒng)的輸出和自動互投切換裝置組成的主-備供電系統(tǒng)向DCS供電。同時,為了保證在旁路狀態(tài)下供給DCS的電源品質(zhì),增加2個旁路穩(wěn)壓電源柜分別作為2套并機系統(tǒng)的旁路電源輸入。基于此,采購了4臺工業(yè)級AEGSVSPowerSupplySystemsProtect5.31的20 kV·A、三相輸入/單相輸出UPS電源和2臺配套的交流220V旁路穩(wěn)壓電源裝置,組成既有并機冗余系統(tǒng)、又有自動互投回路進行切換的主-備供電系統(tǒng)向DCS系統(tǒng)和其他熱控設(shè)備供電。考慮到UPS的蓄電池保養(yǎng)維護不方便,設(shè)計方案時把蓄電池改為采用電廠的直流屏為UPS提供直流電源后備。

改造工作分步進行,先對#6機組UPS電源系統(tǒng)進行改造,再利用機組年檢和調(diào)停機會對#5、#7、#8機組UPS電源系統(tǒng)進行改造。具體方案是將2臺UPS裝置和1臺旁路穩(wěn)壓電源組成1套直連并機冗余系統(tǒng),然后,由2套相同配置的并機系統(tǒng)的各自輸出母線(輸出母線由不同的電纜組成,保證電纜發(fā)生故障時,另一套并機系統(tǒng)仍能不間斷供電)分別輸出一路電源至DCS電源柜。在DCS電源柜內(nèi)每套并機系統(tǒng)的輸出母線都分成2路,2套并機系統(tǒng)先各自取出一路給具有主-備雙重化電源結(jié)構(gòu)的DCS和冗余配置系統(tǒng)等同類型的設(shè)備供電,再各取出一路電源通過自動互投切換裝置組成互備系統(tǒng)向無雙重化電源結(jié)構(gòu)的DCS設(shè)備及其他重要熱控設(shè)備等供電。該系統(tǒng)既有直接并機冗余配置方式的特點,又具有自動互投的優(yōu)點,任何一路失電將自動切換到另一路電源供電。改造方案接線原理如圖3所示。

2套并機系統(tǒng)輸入電源如下:主電源1,保安段CC6E-1#1UPS380VAC電源;主電源2,照明段CC6L-1#2UPS380VAC電源;旁路電源1,#1旁路穩(wěn)壓電源柜輸出;主電源3,保安段CC6E-1#1 UPS380VAC電源;主電源4,照明段CC6L-3#2 UPS380VAC電源;旁路電源2,#2旁路穩(wěn)壓電源柜輸出;直流屏,來自電氣直流Ⅰ、Ⅱ段,分別給DC#1、DC#2、DC#3、DC#4供電。2套并機系統(tǒng)輸出電源分配如下:輸出1、輸出3,給DCS各子站(EMCSSCSCCSDAS等)、DEH、MEH、FSSS、網(wǎng)關(guān)、TSI等具有雙重化電源系統(tǒng)的主-備DPU、主-備PLC和NPU等同類型的設(shè)備分別供電;輸出2,給計算站、歷史站、工程師站、MIS站、DCS前端、機爐熱工信號柜、爐膛火焰監(jiān)測系統(tǒng)、汽機本體保護系統(tǒng)等無雙重化電源的DCS設(shè)備及其他重要熱控設(shè)備等供電。

圖3 #6機組UPS電源系統(tǒng)圖

為防止操作員站出現(xiàn)全部黑屏等故障,操作員站一分為三,分別由輸出1、輸出2、輸出3供電。

4 改造成效

UPS直接并機加自動互投的冗余供電方式在該廠DCS改造投運后運行至今,期間#8機組發(fā)生過單臺UPS整流控制板故障導(dǎo)致該UPS停運的情況,但由于系統(tǒng)冗余程度非常高,絲毫沒有影響和中斷機組DCS和熱控儀表、保護裝置等設(shè)備的供電,保證了機組的安全運行,完全達到了當(dāng)初改造時的設(shè)計要求。具體地講,該供電系統(tǒng)有如下特點:

(1)該UPS裝置采用了抗干擾能力強,輸入、輸出端均有隔離裝置的工業(yè)型AEGUPS。

(2)2套并機系統(tǒng)給DCS供電,輸出母線由不同的電纜組成,保證了電纜發(fā)生故障時,另一路仍能不間斷供電。

(3)針對DCS設(shè)備有無雙重化電源情況和同類型單元,對其每個獨立電源模塊實現(xiàn)單獨供電。

(4)增加了互為備用的自動互投切換回路實現(xiàn)快速切換。

(5)考慮到UPS的蓄電池保養(yǎng)、維護不方便,把蓄電池改為采用電廠的直流屏為UPS提供直流電源后備。

(6)為了提高UPS裝置的旁路電源質(zhì)量和穩(wěn)定性,增設(shè)旁路電源穩(wěn)壓裝置。

(7)具有很高的冗余性,不論哪一路并機系統(tǒng)或者UPS裝置發(fā)生故障,其供電可靠性和品質(zhì)都能得到保證。同時,還設(shè)有手動旁路開關(guān)裝置,方便用戶在檢修UPS時把DCS切換到旁路穩(wěn)壓電源柜輸出供電,確保DCS供電的穩(wěn)定性。

(8)UPS帶有DOU面板,能顯示運行狀態(tài)、運行參數(shù)和各種報警信號,方便操作和監(jiān)視。

5 結(jié)束語

該廠通過對DCS電源的成功改造,證明UPS直接并機加自動互投的冗余供電方式極大地提高了電源系統(tǒng)的供電可靠性和品質(zhì),同時由于2套并機系統(tǒng)采用自動互投切換方式,又進一步保證了電源系統(tǒng)的安全性和可靠性,具有很高的冗余性,大大降低了由于電源原因?qū)е聶C組非計劃停運的風(fēng)險,機組安全性得到更進一步的提高。美中不足的是,該供電系統(tǒng)需配置多臺UPS,投入資金較多。然而隨著UPS技術(shù)的發(fā)展和制造水平的提高,UPS成本也在逐步下降。綜合比較而言,該廠UPS直接并機加自動互投的冗余供電方式在DCS電源上的改造是成功的,該供電方式是火電廠UPS電源系統(tǒng)的最佳設(shè)計方案和可靠電源的保證,可以為其他火電廠UPS設(shè)計和改造提供思路和借鑒經(jīng)驗。