UPS供電系統(tǒng)可靠性及其規(guī)范中值得商榷的問題

戴勇干

(中國電建集團西北勘測設計研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

UPS交流供電電源一般用于比較重要的交流負荷供電，以防止變電站關鍵設備失電導致變電站主要系統(tǒng)無法正常運行。目前變電站應用UPS電源的設備系統(tǒng)很多，電力行業(yè)有關規(guī)范作出了一些規(guī)定，但是要求不盡統(tǒng)一，甚至同一規(guī)范前后不一致。本文試圖在充分分析、理解中國電力行業(yè)相關規(guī)范對UPS電源系統(tǒng)及相關負荷對電源可靠性要求的基礎上，給電力工程UPS系統(tǒng)設計及規(guī)范修編提出建議，供業(yè)內同行參考。

1 UPS相關規(guī)范中的名詞理解

有關UPS接線方式經(jīng)常使用的名詞有并聯(lián)、并聯(lián)冗余、雙重化冗余[1]等，根據(jù)規(guī)范DL/T 5491-2014《電力工程交流不間斷電源系統(tǒng)設計技術規(guī)程》中術語條文，筆者理解，對于正常配置的UPS系統(tǒng)，其“并聯(lián)”“并聯(lián)冗余”應當歸屬于同一種接線方式，即冗余配置的UPS交流輸出端是連接在一起的，輸出接線為單母線接線，可以提供雙回路電源，但無法提供獨立的雙電源。并聯(lián)冗余UPS接線見圖1。

圖1 并聯(lián)冗余UPS接線圖

而雙重化冗余UPS，與前面的并聯(lián)冗余UPS不同，電源輸出端采用單母線分段接線，它可以滿足雙電源負載的需要，雙重化冗余UPS接線見圖2。同時，在并聯(lián)冗余方式下，當輸出端母線或斷路器出現(xiàn)故障，將會導致UPS輸出母線失電，而雙重化冗余接線則可以保證一半負荷保持正常供電，該冗余方式在正常情況下，2臺UPS分別帶本段母線負荷，UPS均可輕載運行，同時，當其中1臺UPS故障時，其負載可以經(jīng)轉換開關切換由另1臺UPS供電，增加整個供電系統(tǒng)的可靠性[2-3]。

圖2 雙重化冗余UPS接線圖

圖2可認為是完全意義上的雙重化冗余，有些項目的UPS旁路電源只用1個，此時即使配置2臺旁路隔離變，也不是完全的雙重化冗余。

2 UPS系統(tǒng)電源的可靠性

研究分析表明，在UPS供電系統(tǒng)中，影響供電可靠性的最大因數(shù)在于輸出側的配電系統(tǒng)[4]，包括斷路器跳閘、電路短路等供電回路故障，其中79%來源于UPS輸出與負載之間的供電線路上的故障，11%來源于UPS和蓄電池組，其他故障占10%。目前UPS設備的設計、制造及其工藝技術已經(jīng)比較成熟。因此對于目前電網(wǎng)調度自動化、變電站監(jiān)控系統(tǒng)等設備對UPS的供電可靠性的需求，其關心的重點不是UPS設備本身的設計和制造，而是由整個供電系統(tǒng)和服務決定的UPS系統(tǒng)的可用性，也就是設計配置1個高可用性的UPS 供電系統(tǒng)，以滿足電網(wǎng)調度自動化、變電站內設備的高運行可靠性的要求。

影響UPS系統(tǒng)的可用性，其實主要就是冗余方式。

并聯(lián)冗余的UPS，僅僅是UPS主機和直流電源是冗余配置，雖然互為備用，但不完全獨立，對于其它部分是沒有冗余配置的。因此，該系統(tǒng)屬于設備冗余，可在一定程度上提供可靠性的電源，但是當無冗余配置的元件出現(xiàn)問題時，UPS將無法實現(xiàn)供電。

而雙重化冗余，配置2套UPS的主交流電源、直流電源、旁路電源由不同廠用或站用電源母線引接，屬于系統(tǒng)性冗余，該類冗余配置后，其輸出側接線為單母分段接線，尤其對于雙電源需求的設備供電，可以大大提高其供電可靠性。增加系統(tǒng)的冗余度，提高系統(tǒng)的可靠性，此時冗余度的加大將使系統(tǒng)負載率下降，系統(tǒng)的效率也將下降，但對于電網(wǎng)調度自動化系統(tǒng)、變電站監(jiān)控系統(tǒng)等重要設備運行涉及到電網(wǎng)、變電站的安全穩(wěn)定運行，UPS系統(tǒng)效率下降可不予考慮。

應用UPS設備目的是解決供電系統(tǒng)的安全性和可靠性，目前UPS設備經(jīng)過多年的發(fā)展，在其性能指標已滿足計算機等用電負荷要求的情況下，UPS的供電系統(tǒng)設計是其滿足系統(tǒng)供電可靠性的主要問題。有些制造廠UPS產(chǎn)品名義上是雙重化冗余方式，但是對2個旁路是通過單電源分支形成的，一旦旁路電源出現(xiàn)故障，是無法在UPS輸出側形成雙電源的。

3 電力系統(tǒng)、變電站對UPS系統(tǒng)電源的可靠性要求

UPS電源主要用于對電源可靠性要求較高的系統(tǒng)或設備，比如涉網(wǎng)的調度自動化系統(tǒng)設備、廠站端監(jiān)控系統(tǒng)及網(wǎng)絡安全設備等。如DL/T 5003-2017《電力系統(tǒng)調度自動化設計規(guī)程》第5.2.2條中要求遠動網(wǎng)關等關鍵廠站端設備應配置雙電源模塊，其他廠站端設備宜配置雙電源模塊，或采用靜態(tài)切換裝置實現(xiàn)雙路供電；第7.2.3條對用于調度自動化系統(tǒng)的UPS電源亦要求采用專用的、冗余配置的UPS 供電，不應與信息系統(tǒng)、通信系統(tǒng)合用電源。調度自動化UPS的交流電源應來自兩路不同的電源點，并配有應急電源，雙機運行時單機負載率不應超過30%；同時要求具備雙電源模塊的裝置或設備，兩個電源模塊應由不同UPS供電；對單電源設備應配置靜態(tài)切換裝置。

《國家電網(wǎng)有限公司關于印發(fā)十八項電網(wǎng)重大反事故措施(修訂版)》(2018)中第16.1.1.2條亦要求調度自動化系統(tǒng)應采用專用的、冗余配置的不間斷電源(UPS)供電，UPS 單機負載率應不高于40%。同樣要求UPS 應至少具備兩路獨立的交流供電電源。該反事故措施16.1.1.5條要求，廠站遠動裝置、計算機監(jiān)控系統(tǒng)及其測控單元等自動化設備應采用冗余配置的UPS或站內直流電源供電。具備雙電源模塊的設備，應由不同電源供電。該反事故措施16.3.1.8條要求，用于同一條220 kV 及以上電壓等級線路的繼電保護、安全自動裝置的獨立通信傳輸設備，其電源(含一體化電源)供電，滿足“雙路由、雙設備、雙電源”的要求。

前面DL/T 5003-2017《電力系統(tǒng)調度自動化設計規(guī)程》對調度自動化設備電源配置提出的基本要求，適用于省級及以上電力調度(調控)中心直接調度管理及信息直采的新能源場站、變電站等工程的應用。因此，新能源35 kV及以上電壓等級開關站、升壓站等UPS電源配置及其供電電源均應參考應用。除了以上諸多設備對UPS電源的要求外，另外如大型變電站火災報警、監(jiān)控系統(tǒng)中的服務器、安防設備等亦要求提供UPS雙電源的需求。

然而UPS連接方式不同，UPS所能適應的設備電源需求不同，當UPS輸出端接線為單母線時，只能提供雙回路，無法提供獨立的雙電源，只有采用雙重化冗余時才能提供雙電源。

4 規(guī)范對UPS接線要求與條文理解

關于UPS接線要求，有關規(guī)范針對不同的項目條件規(guī)定了相應的接線要求。

(1) 規(guī)范DL/T 5491-2014《電力工程交流不間斷電源系統(tǒng)設計技術規(guī)程》中第3.2.2條明確規(guī)定：110 kV及以下電壓等級變電站，宜配置1套UPS；220 kV及以上電壓等級變電站應配置2套UPS；特高壓變電站、換流站每個區(qū)域宜配置2套UPS。

結合其條文說明，220 kV及以上等級變電站應配置2套UPS，并且是宜采用雙重化冗余方式，只有這樣才能滿足220 kV及以上電壓等級變電站和換流站計算機監(jiān)控系統(tǒng)主機、控制保護設備網(wǎng)絡供電可靠性的要求。然而對于新能源110 kV升壓站以及35 kV開關站也都有調度自動化設備，按照DL/T 5003-2017《電力系統(tǒng)調度自動化設計規(guī)程》的要求也應配置雙電源，如果只是配置1套UPS就不能滿足規(guī)范要求。

規(guī)范DL/T 5491-2014《電力工程交流不間斷電源系統(tǒng)設計技術規(guī)程》第4.2.2條則有明顯差別，雖然要求變電站、換流站交流不間斷電源系統(tǒng)的母線接線方式應根據(jù)變電站、換流站電壓等級及負荷要求設置，但又規(guī)定UPS輸出側母線接線應符合2條規(guī)定：① 變電站宜用單母線接線；② 換流站宜采用單母線分段接線，也可采用單母線接線。本條文前面要求根據(jù)變電站、換流站電壓等級負荷要求設置，即要求根據(jù)變電站、換流站電壓等級負荷要求來確定UPS輸出端接線型式，這與3.2.2條的要求是基本對應的，然而本條文項1規(guī)定變電站宜用單母線接線，沒有區(qū)分變電站的電壓等級、負荷要求等，顯然該條文存在前后要求、說法上的不一致；同時對換流站提出也可采用單母線接線，與3.2.2條的要求也是不一致。而實際上對于特高壓變電站、換流站，從維持其安全運行、區(qū)域電網(wǎng)的穩(wěn)定運行要求以及電網(wǎng)自動化設備等電源需求，一方面UPS負荷數(shù)量多；另一方面雙重化電源配置需求也較多，單母線接線應當無法滿足完全意義上獨立雙電源要求。如某330 kV升壓站總回路約70個回路，雙重化配置回路就有15組，如按單母線設計，一旦UPS母線或個別斷路器出現(xiàn)故障導致母線失電，有可能導致升壓站運行事故，供電可靠性較差。

(2) 規(guī)范DL/T 5136-2012《火力發(fā)電廠、變電站二次接線設計技術規(guī)程》中第10.2.4條要求：交流不間斷電源主母線應采用單母線或單母線分段方式。當有冗余供電或互為備用的不間斷負載時，交流不間斷電源主母線宜采用單母線分段，雙重化的交流不間斷電源裝置和負載應分別接到不同的母線段上。

依一般電氣接線概念，單母線和單母線分段2種接線的供電可靠性是存在差異的，供電可靠性要求高的應當采用單母線分段，基于這一點，交流不間斷電源主母線接線應當依據(jù)供電可靠性要求來選用接線型式，這和DL/T 5491-2014中3.2.2、4.2.2條的基本要求是相一致的。然而本條要求對雙重化冗余供電、互為備用的負載，交流不間斷電源主母線宜采用單母線分段接線，按字面進一步理解，在此情況下采用單母線也可以，但是如果采用單母線，雙重化冗余供電的負載電源是做不到由2個獨立電源供電的，也做不到應分別接到不同母線段上。

規(guī)范第10.2.5條同時規(guī)定一般220 kV變電站只設一臺單機在線式UPS裝置，110 kV及以下變電站所需小容量的不間斷電源可采用DC/AC變換裝置。當220 kV變電所主變壓器數(shù)量為4臺及以上的較大型變電站或22 0kV以上變電站時，才推薦UPS宜采用冗余配置。前述UPS的配置要求顯然有別于DL/T 5491-2014要求。

(3) Q/CSG115001-2012《南方電網(wǎng)調度自動化系統(tǒng)不間斷電源配置規(guī)范》適應于地調及以上電網(wǎng)、配網(wǎng)調度自動化主站系統(tǒng)、110～500 kV各電壓等級的發(fā)電廠、變電站的不間斷電源的配置要求。其中第6.1.5條要求對以上電壓等級變電站應配置2臺UPS電源，構成雙機冗余供電系統(tǒng)，220 kV及以上變電站，UPS電源系統(tǒng)宜采用雙機雙母線帶母聯(lián)運行接線方式(相當于單母分段)，而110 kV及以下變電站配置的UPS電源系統(tǒng)雖可采用雙機主從串聯(lián)互為備用運行接線方式(相當于單母線)，但尚未明確只能采用該接線。

5 問題商榷

關于UPS冗余方式除了上述規(guī)范中存在不一致、不統(tǒng)一的情況，在其他一些規(guī)范或文件中也僅是強調UPS冗余配置，具體要求哪一種“冗余”配置尚不明確。在實際工程應用中，規(guī)范或文件要求不具體，往往給設計應用帶來不便，比如對于一般330 kV變電站，依據(jù)有關規(guī)范條文，UPS輸出端可以采用單母線接線，但這樣對于需要配置雙電源的調度自動化設備及其他站用設備負荷就無法實現(xiàn)雙電源配電，或將在一定程度上影響電網(wǎng)、變電站的安全運行。

電網(wǎng)、變電站中調度自動化設備配置方式主要還是依據(jù)其所在系統(tǒng)所要求的可靠性來確定，要使該系統(tǒng)的運行可靠性得以實現(xiàn)，則必須有相應可靠的UPS供電系統(tǒng)與其相一致，否則電網(wǎng)、變電站調度自動化或廠站端監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性也難以實現(xiàn)。因此，建議在相關規(guī)范修編時，能依據(jù)電網(wǎng)、變電站的設備可靠性要求明確UPS的冗余方式。

6 結 語

UPS不同的冗余方式，其所能提供的供電可靠性不同，應用于電網(wǎng)、變電站中的UPS供電系統(tǒng)首先應當滿足其調度自動化、監(jiān)控等設備供電可靠性的要求。在各類規(guī)范、文件中應針對各類用電設備明確UPS的冗余方式，避免出現(xiàn)不相匹配的供電方式，確保電網(wǎng)、變電站/升壓站各設備系統(tǒng)的安全運行。