不间断电源直接并机加自动互投的冗余供电方式

李正坤,张彦

(天津军粮城发电有限公司,天津 300300)

0 引言

随着计算机技术产品在电厂集散控制系统DCS(Distributed Control System)、热工控制仪表、调节装置及其他保护系统中的广泛应用和日益普及,对供电品质提出了越来越严格的要求。在计算机运行期间,供电的中断将会导致随机存储器中数据的丢失和程序的破坏,有时甚至使计算机硬盘遭到破坏,造成难以弥补的损失。为了避免数据丢失和主机正常工作,必须要求一种电源系统能在小于5ms的时间内重新送电,以保证计算机系统的正常工作。为了满足高可靠和高质量的供电要求,不间断电源UPS(Uninterruptible Power System)成为火力发电机组DCS及重要热控设备电源的首选,其设备选型、方案设计是否合理,是向发电机组控制系统提供高质量、安全可靠电源的关键所在。

1 在线式UPS工作原理

UPS是一种含有储能装置、以逆变器为主要组成部分的恒压、恒频的电源设备,广泛应用于精密仪器、医疗设备、通信系统、安全监控、网络系统、自动控制生产线等对电流稳定性要求较高的场合,按工作方式可分为后备式和在线式2种。后备式UPS在市电正常供电时逆变器不工作,市电通过交流旁路通道直接向负载供电,只有在市电停电时才由蓄电池供电,经逆变器驱动负载,它对市电品质基本没有影响。而在线式UPS却有所不同,它主要由输入隔离变压器、输入滤波器、整流装置、逆变装置、输出隔离变压器、静态开关、旁路装置等元器件组成。其工作原理是:首先将市电经整流装置变换成直流电源,然后在逆变装置内将直流电源变成高质量正弦波电源;当交流工作电源消失或整流装置等元器件故障时,由直流系统或自带蓄电池组向逆变装置供电;当逆变装置故障输出电压异常或过载时,则由静态开关切换至旁路。而且设有手动旁路开关,以保证UPS检修和维护时不中断负载电源。因此,在线式UPS能提供一个连续、稳定的电源给需要保护的设备使用,使设备免于遭受停电、低电压、高电压尖波、突波干扰等因素的困扰,可以为火力发电机组控制系统提供高品质、安全可靠的电源,以确保电力生产的安全、稳定、可靠。相对于后备式UPS而言,在线式UPS大大改善了供电品质,可保证负载安全、有效地工作。

2 UPS装置冗余配置方式及特点

尽管单机在线式UPS有直流、旁路2个应急措施,但当UPS发生故障时仍然无法保证系统电源的不间断供电。要真正实现DCS电源的不间断供电,UPS设计必须做到UPS装置的冗余配置。UPS装置冗余配置主要有2种接线方式,下面以2台UPS装置为例进行说明。

2.1 主机-从机型串联“热备份”UPS供电系统

主机-从机型串联“热备份”UPS供电系统就是常说的热备份串联冗余系统,其原理接线图如图1所示。

该供电系统有主机和从机之分,它将从机#2 UPS的逆变器输出端连接到主机#1UPS的交流旁路“静态开关”的输入端上。用户的负载仅同主机#1UPS的输出端相连。其基本原理是:主机正常时100%地承担负载电流,故障时,由从机提供后备电源。由于备用UPS是在主机旁路处处于等待工作状态,故称为热备份。

2.2 直接并机型冗余式供电系统

图1 主机-从机型串联“热备份”UPS供电原理接线图

随着UPS并机控制技术的日臻完善,直接并机型冗余式供电系统的应用范围在不断扩大。它既能提高UPS供电系统的可靠性、实现电源系统的扩容,又能按照不同的需要组成多种配置。直接并机型冗余式供电系统接线图如图2所示。

图2 2台UPS直接并机冗余供电接线图

该供电系统是将2台(或2台以上)同型号、同功率的UPS,通过并机柜、并机模块或并机板,把输出端并接而成,系统内各UPS均分负载。其基本原理是:在正常情况下,2台UPS均由逆变器输出,平分负载和电流,当1台UPS故障时,由剩下的1台UPS承担全部负载。它的抗过载能力比热备份串联方式高得多,而且在合理的设计选型时,每台UPS正常运行时的功率一般在额定容量的50%以下,因此,该系统能够在防止故障特性的模式下不间断地向负载供电。

直接并机型冗余式供电系统与热备份串联方式相比,具有如下特点:

(1)直接并机型冗余式供电系统可工作在冗余方式下,也可工作在扩容方式下;而热备份串联系统则只能提供一定程度的冗余。

(2)在直接并机型冗余式供电系统运行中,每台都可以在完全断电的情况下进行维修而不影响系统的正常运行,真正实现在线维护;而热备份串联系统则不能使其中的1台在完全断电的情况下进行维修,特别是主机绝对不能完全断电,而从机完全断电时也会使主机处于报警状态,此时逆变装置一旦出现故障,就会造成对负载的供电中断。

(3)热备份串联系统中2台UPS处于主机-从机工作状态,当主机静态开关发生故障时,将可能中断整个系统供电,出现瓶颈故障。而且在市电故障、市电超限时,因UPS封锁旁路而导致主、从机无法切换,造成热备份失效。直接并机型冗余式供电系统中,2台UPS的输出都接在母线上,就不存在该种故障点,提高了运行可靠性。

(4)直接并机型冗余式供电系统中,每台UPS带一组蓄电池,逆变装置输出电流量均等,在运行中可方便地对各自的蓄电池组进行定期的充放电;而热备份串联系统中,从机长期处于备用状态,电池也长期处于浮充状态,影响电池寿命。对于采用直流屏供电的UPS系统而言,可不考虑蓄电池组定期充放电问题。

(5)在直接并机型冗余式供电系统中,由于2台UPS的运行都处于均等的情况,使得每台的性能都得到充分发挥;而不像热备份串联系统那样,主机总带满负载运行,从机总空载运行,空耗电,其平均无故障工作时间偏低。因而,直接并机型冗余式供电系统有利于提高运行效率。

3 改造方案

2005年6月11日,天津军粮城发电厂#6机组由于UPS故障导致DCS全停,最终导致#6机组非计划停运,给电网和全厂造成了重大损失和恶劣影响。事故发生后,请UPS厂家前来检查,发现电路板中有个电容出现故障、主UPS上S1开关失灵造成主UPS死机,使得整个UPS电源系统失去供电,最终导致#6机组非计划停运。当时DCS的UPS设计采用的就是主机-从机型串联“热备份”UPS供电方式,从本文“UPS装置冗余配置方式”中可以看出,这种方式只能提供一定程度的冗余,而且只要主UPS故障就会使得从UPS无法实现投入,最终造成对负载失去供电。此次#6机组非计划停运正是由于主UPS死机时备UPS无法投入运行导致对整个DCS失去供电造成的。

德国AEGSVS公司生产的AEGProtect系列UPS产品具有如下特性:

(1)为在线式UPS,采用DSP、IGBT、PWM调制技术100%全数字控制系统;

(2)整流器、逆变器、旁路分别由微处理器控制且这3部分采用直流电源且冗余;

(3)风扇冗余,可以热更换;

(4)采用CAN总线通讯,抗干扰能力强,高速、有效的通讯实现了多主机技术(FMMT)技术,通过FMMT来保证系统安全可靠;

(5)抗短路能力强;

(6)效率高,带负载动态响应快。

德国AEGSVS公司开发的并机技术,冗余并机可达8台,且AEGUPS并机运行模式不需另外加设中央控制部件,负载均分。通过几个UPS冗余并机运行,可以更进一步提高系统的供电可靠性。如果某台UPS单机发生故障,则被立刻关闭,其他的UPS会自动承担全部负载,对负载不会产生任何影响。如果2台主机的任意一台出现故障,另一台主机将会即刻自动地接管主控功能。结合UPS并机系统的特点,为了更大程度地降低DCS电源故障率,经过研究决定,在2套直接并机型冗余式供电系统的基础上,再增加1路由2套并机系统的输出和自动互投切换装置组成的主-备供电系统向DCS供电。同时,为了保证在旁路状态下供给DCS的电源品质,增加2个旁路稳压电源柜分别作为2套并机系统的旁路电源输入。基于此,采购了4台工业级AEGSVSPowerSupplySystemsProtect5.31的20 kV·A、三相输入/单相输出UPS电源和2台配套的交流220V旁路稳压电源装置,组成既有并机冗余系统、又有自动互投回路进行切换的主-备供电系统向DCS系统和其他热控设备供电。考虑到UPS的蓄电池保养维护不方便,设计方案时把蓄电池改为采用电厂的直流屏为UPS提供直流电源后备。

改造工作分步进行,先对#6机组UPS电源系统进行改造,再利用机组年检和调停机会对#5、#7、#8机组UPS电源系统进行改造。具体方案是将2台UPS装置和1台旁路稳压电源组成1套直连并机冗余系统,然后,由2套相同配置的并机系统的各自输出母线(输出母线由不同的电缆组成,保证电缆发生故障时,另一套并机系统仍能不间断供电)分别输出一路电源至DCS电源柜。在DCS电源柜内每套并机系统的输出母线都分成2路,2套并机系统先各自取出一路给具有主-备双重化电源结构的DCS和冗余配置系统等同类型的设备供电,再各取出一路电源通过自动互投切换装置组成互备系统向无双重化电源结构的DCS设备及其他重要热控设备等供电。该系统既有直接并机冗余配置方式的特点,又具有自动互投的优点,任何一路失电将自动切换到另一路电源供电。改造方案接线原理如图3所示。

2套并机系统输入电源如下:主电源1,保安段CC6E-1#1UPS380VAC电源;主电源2,照明段CC6L-1#2UPS380VAC电源;旁路电源1,#1旁路稳压电源柜输出;主电源3,保安段CC6E-1#1 UPS380VAC电源;主电源4,照明段CC6L-3#2 UPS380VAC电源;旁路电源2,#2旁路稳压电源柜输出;直流屏,来自电气直流Ⅰ、Ⅱ段,分别给DC#1、DC#2、DC#3、DC#4供电。2套并机系统输出电源分配如下:输出1、输出3,给DCS各子站(EMCSSCSCCSDAS等)、DEH、MEH、FSSS、网关、TSI等具有双重化电源系统的主-备DPU、主-备PLC和NPU等同类型的设备分别供电;输出2,给计算站、历史站、工程师站、MIS站、DCS前端、机炉热工信号柜、炉膛火焰监测系统、汽机本体保护系统等无双重化电源的DCS设备及其他重要热控设备等供电。

图3 #6机组UPS电源系统图

为防止操作员站出现全部黑屏等故障,操作员站一分为三,分别由输出1、输出2、输出3供电。

4 改造成效

UPS直接并机加自动互投的冗余供电方式在该厂DCS改造投运后运行至今,期间#8机组发生过单台UPS整流控制板故障导致该UPS停运的情况,但由于系统冗余程度非常高,丝毫没有影响和中断机组DCS和热控仪表、保护装置等设备的供电,保证了机组的安全运行,完全达到了当初改造时的设计要求。具体地讲,该供电系统有如下特点:

(1)该UPS装置采用了抗干扰能力强,输入、输出端均有隔离装置的工业型AEGUPS。

(2)2套并机系统给DCS供电,输出母线由不同的电缆组成,保证了电缆发生故障时,另一路仍能不间断供电。

(3)针对DCS设备有无双重化电源情况和同类型单元,对其每个独立电源模块实现单独供电。

(4)增加了互为备用的自动互投切换回路实现快速切换。

(5)考虑到UPS的蓄电池保养、维护不方便,把蓄电池改为采用电厂的直流屏为UPS提供直流电源后备。

(6)为了提高UPS装置的旁路电源质量和稳定性,增设旁路电源稳压装置。

(7)具有很高的冗余性,不论哪一路并机系统或者UPS装置发生故障,其供电可靠性和品质都能得到保证。同时,还设有手动旁路开关装置,方便用户在检修UPS时把DCS切换到旁路稳压电源柜输出供电,确保DCS供电的稳定性。

(8)UPS带有DOU面板,能显示运行状态、运行参数和各种报警信号,方便操作和监视。

5 结束语

该厂通过对DCS电源的成功改造,证明UPS直接并机加自动互投的冗余供电方式极大地提高了电源系统的供电可靠性和品质,同时由于2套并机系统采用自动互投切换方式,又进一步保证了电源系统的安全性和可靠性,具有很高的冗余性,大大降低了由于电源原因导致机组非计划停运的风险,机组安全性得到更进一步的提高。美中不足的是,该供电系统需配置多台UPS,投入资金较多。然而随着UPS技术的发展和制造水平的提高,UPS成本也在逐步下降。综合比较而言,该厂UPS直接并机加自动互投的冗余供电方式在DCS电源上的改造是成功的,该供电方式是火电厂UPS电源系统的最佳设计方案和可靠电源的保证,可以为其他火电厂UPS设计和改造提供思路和借鉴经验。