基于比較優選模塊化UPS在關鍵門站、電廠分輸計量站中的應用

摘 要：為了避免突然斷電對燃氣生產監控系統的影響，減少對信息設備的沖擊，單機UPS作為后備應急電源在城市燃氣SCADA系統得到了廣泛運用，但是由于單機UPS存在不支持在線冗余功能、存在擴容不便等缺陷，為了消除因UPS故障影響燃氣監控系統正常生產和可靠計量的安全隱患，文章基于多方案比較分析，最終優選“2+1”冗余方式模塊化UPS對存在供電隱患的門站和電廠進行了改造，大大提高了關鍵分輸計量站后備電源系統的安全性和可靠性，為連續性供氣生產創造了良好條件。

關鍵詞：影響；缺陷；分析比較；冗余功能；模塊化UPS

1 案例背景

2013年10月，求雨嶺門站因單機UPS主機內部故障，導致“919”調壓器和流調閥等重要遙調設備無法正常工作；2014年8月，鈺湖電廠UPS主機自檢故障突然停機導致通訊中斷，面對這種突發性后備電源系統故障導致站控系統臨時癱瘓、氣量數據無法遠傳的嚴重后果，很快讓我們意識到了各門站、電廠后備電源系統的不足，尋求一套可靠性高、便于維護、擴容的不間斷電源系統破迫在眉睫。

2 當前供電系統主要存在的問題

2.1 可靠性差。單機運行的UPS主機無控制器的冗余，一旦主機內部出現故障，將導致站控系統臨時性癱瘓，直接影響站控系統的正常監控和氣量計量。

2.2 維修操作不便。一般單臺在線運行UPS更換UPS電池或維護、維修時均需停機操作。

2.3 增容難，帶負載能力受限。當前我司站控系統各門站、電廠使用的UPS容量為（3000～6000）KVA，按最大功率因數0.8算，主機能帶的最大負載范圍為（2.4～4.8）KW，但隨著新工藝、新技術的應用都會不斷增大負載，這對于相對固定容量的主機來說是致命的，最終不得不更換大容量UPS來增容。以我司求雨嶺門站為例，UPS運行時瞬時功率高達額定功率的80%，這樣長期使設備工作在高負荷下，將大大縮短UPS使用壽命，嚴重威脅站控系統的用電安全和可靠性。

3 多方案比較分析

3.1 備選方案。方案一：單機UPS輸出端安裝靜態轉換開關（STS）：思路1：在設備電源輸出端安裝靜態轉換開關將UPS的市電輸出與電網的市電輸入進行并接，正常供電情況下由UPS給負載供電，當UPS輸出供電異常時快速切換（切換時間T≤8ms）至市電供電。方案二：雙機并聯：思路2：將兩臺功率相同的UPS通過并機模塊將兩臺設備在線并接，正常工作狀態時兩臺設備處于熱備狀態同時給負載輸出市電，當其中某個主機出現故障時，由另一臺設備負責給站控系統供電。方案三：采用模塊化UPS：思路3：冗余并聯“N+X”方式，本思路是源于設備自身控制單元采用冗余設計，支持獨立功率、電池模塊在線熱熱插拔，并且能根據負載大小自動調節冗余方式，保證足夠輸出功率供應負載。

3.2 分析比較

方案一，靜態轉換開關是瓶頸點，一旦功能失效將起不到切換作用；另外UPS維護、維修更換均需進行停電操作，不能滿足時時在線監控要求，對連續性不間斷生產非常不利。方案二，本方案需使用兩臺功率、型號規格完全一致的UPS，并且需要在主機市電輸出端安裝并機模塊避免兩臺設備產生環流和輸出相位不同步的影響。缺點是：安裝兩臺設備占地空間大，成本相對較高，另外并機模塊是該系統的瓶頸點，一旦該并機模塊損壞，將可能產生高電壓和環流作用，嚴重損壞供電主機和負載設備。方案三，模塊化UPS的改造思路相對于方案一、方案二而言，既克服了系統因外接設備接入的瓶頸點，也大幅度提高了系統自身穩定性和可靠性，真正實現了在不影響負載的情況下，可對供電設備進行熱插拔、增容等操作。通過以上各方案的比較以及綜合考慮模塊化UPS的優越性，為了保證關鍵計量門站、電廠的安全穩定運行，最終建議使用模塊化UPS作為站控系統和計量系統的后背電源。

3.3 模塊化UPS主要優點

3.3.1 便于維修和擴容。模塊化UPS功率部分、電子部分、電池部分都是模塊化抽屜式結構，模塊化的設計使用戶可根據自身需要進行靈活的組合，另外模塊化UPS采用高難度的雙機容錯技術，當機器需要更換功率模塊、增加容量、旁路維修時均可在不影響負載供電的前提下進行操作，這對連續性生產運行系統非常適合。

3.3.2 低維護成本及節能降耗。雖然模塊化UPS的單價比單臺UPS高，但是模塊化UPS采用的RAID技術和獨有的無時間間隔容錯技術告別了使用兩臺UPS來實現的高成本，從長遠來看模塊化UPS憑借其高效率、高功率密度和易于維護及擴容的優勢，可以使后期運行維護費用大大降低；另外模塊化UPS是高頻機，采用IGBT高頻整流和主動功率因素校正技術，使整機效率高達96%左右，輸入功率因素接近1，因此模塊化UPS在節能方面具有優勢。

3.3.3 高可靠性。模塊化UPS功率模塊之間是通過并聯技術連接，可以實現“N+X”的冗余。雖然熱插拔技術會使單個模塊的性能有所下降，但是模塊化的設計結構就是讓多個模塊并聯工作，更換某個模塊不會對整個系統的可靠性產生任何影響。

4 方案部署

4.1 負荷計算。以設備額定容量12KVA，按最大有效功率系數0.7計算可得最大輸出功率8.4KW，遠遠大于計算負載功率4KW，說明該方案的設備選型符合整改及使用要求。另外當負載≤8KW時，SYA12K16IUPS其中一塊功率模塊為冗余備用模塊，可實現“2+1”的冗余工作方式。

4.2 方案選型。計算機房作為數據集中處理和發送中心，UPS合理容量設計以及可靠冗余性是保障中心計算機房服務器及網絡設備正常運行的關鍵。綜合考慮可能增加設備以及冗余要求，最終推薦使用APCSymmetraLX（機架式）12KVAUPS，由于現場已配置應急發電機，故APCSymmetraLX12KVAUPS配備10塊電池可滿足系統供電要求。

4.3 設備部署。依據計算負荷及冗余配置要求，單個站點設備選型和配置如下：（1）UPS主機一臺，型號SYA12K16I，使用APCSymmetraLX系列模塊化電源陣列式UPS，標配2個冗余智能模塊，安裝3個4KVA功率模塊，最大輸出功率12KVA，3個電池模塊；（2）后備電池10只，免維護鉛酸蓄電池，單只電池電壓為DC12V，容量為100Ah；（3）電池柜C10，10位電池柜，可安裝10支100Ah電池；（4）電池連接線、連接器，10mm2銅芯導線，SymmetraLX專用電池連接器1個；（5）AP9619網絡管理卡，網絡遠程管理，配合PCNS軟件實現服務器無人值守安全關閉。

5 結束語

隨著不間斷電源技術的發展，模塊化UPS在核心數據機房將會得到越來越廣范的應用，此次對天然氣關鍵門站、電廠涉及貿易計量的UPS改造正是迎合了不間斷電源技術的主流發展方向，實現了在不影響站控和計量系統正常運行下可對后備電源系統進行熱插拔、旁路維修、增加容量等維護操作，完全滿足了連續性生產氣站的要求，真可謂稱之便利、高效、可靠“綠色電源”。

參考文獻

[1]陳息坤.高頻模塊化UPS及其并聯控制技術研究[D].華中科技大學，2005.

[2]謝擁華，程勁暉.通信用模塊化UPS的選型與設計探討[J].電信技術，2011.

作者簡介：彭超龍（1987，12-），男，工程師，從事燃氣調度SCADA系統維護。