UPS电源接入系统的优化设计

王 浩

（南京钢铁联合有限公司能源中心，江苏南京210035）

UPS电源接入系统的优化设计

王 浩

（南京钢铁联合有限公司能源中心，江苏南京210035）

叙述了基于UPS电源技术的控制回路馈电屏的优化设计。该供电模式可控性高，在外网电压大幅波动或瞬时断电的情况下能够维持控制回路正常运行，避免停机停炉事故。

冗余；控制回路；晃电

1 引言

南钢能源中心发电机组由三台50 MW发电机组成，电气一次系统设计为单元制机组经75 MVA主变升压至110 kV，经过110 kV开关室内SF6主开关并网。正常运行时发电机出口分支经过800 A限流电抗器带10 kV厂用电，各段备用进线开关柜运行于备用自投状态。10 kV、380 V厂用电分为四段。异常状态下，用分支跳闸后相应备用进线备自投合闸。

在运行过程中我们发现，由于备自投开关的固有动作时间会导致接触器发生脱扣的情况。在电网发生短路或波动较大时，也发生过接触器脱扣的现象，从而导致事故扩大。2011年7月由于锅炉送风机的控制回路电缆损坏，造成控制回路总开关跳闸，1#锅炉两台180 kW送风机接触器脱扣，锅炉MFT保护动作1#机组被迫停运。这起事故促使我们研究必须找出一种可靠、成熟、稳定的控制回路供电方案，能够满足机组备自投、电网电压波动时不会造成接触器脱扣。

2 初步设计

经过研究我们打算单独设计一台控制系统UPS馈电屏，每台辅机控制回路单独经过4 A的空气开关输出，互不影响。采用在线式UPS电源C6KS2台，配外部12 V24 AH电池2组各8节。两台UPS通过并机卡同步并联冗余运行，两台UPS市电2路进线分别引自380 V一段、二段，经过继电器优选后通过控制接触器实现两路市电互为备用自投，每路出线分支带红色运行指示灯。

3 UPS并机方案

3.1 串机热备份

早期UPS产品由于尚不成熟，为避免由于UPS本身功率模块的故障而引发供电系统供电中断，而采用串机热备份方案，也称主备机串联方案，即主机带负载，备机空载，备机接入主机的BYPASS（旁路）输入端组成串机连接方式。这种方案的缺点是备机长期处于空载状态使用率较低，两机老化不一致，备机电池长期处于浮充状态，影响电池寿命。由于只有一台机器带负载，瞬时过载能力低，安全可靠性有限，不能满足用户的更高安全要求，目前已很少采用此种串联热备份方案。

3.2 串机互为热备份

两台机器分别带负载，每台机器的输出分别接入另一台机器的BYPASS（旁路）输入端，组成互为主备的UPS系统。这是主从热备份的改进型方案，是人工一次分配负载的UPS冗余热备份。此方案不存在串机热备份方案中的备机电池长期浮充状态以及备机使用效率低的问题，除保留主从热备份的优点外全部克服其缺点，瞬时过载能力强，没有冗余并机方案的致命弱点———环流，缺点是需要由人工分配预先负载，如果负载功率不能由人工分配时，此方案不适用。

图1 串机热备份

图2 串机互为热备份

3.3 并机互动热备份

两机单体并行运行，通过STS转换开关接入负载（如图3所示），本方案中的两台UPS采用单元互动形式，通过STS开关的预先设置来选择负载由UPS1或者UPS2供电，实现负载分配，当任何一台UPS故障无输出时，STS开关会在几毫秒之内转换到另一台UPS为负载供电，这是无故障UPS承担100%负载。由于采用单元互动，使得系统故障几率大大降低，UPS可轮换工作，没有瓶颈故障点，缺点是瞬时过载能力低。

图3 并机互动热备份

3.4 “1+1”并机热备份方案

两台UPS在同一控制程序下稳定地协调工作，通过并机柜、并机模块或者并机板实现自动并机，自动均分负载。以1+1并机为例，正常工作时两台UPS各承担50%负载；若其中一台UPS出现故障，另一台UPS自动承担100%负载，故障UPS自动退出并机模式；当故障UPS维修好以后可直接投入并机，两台UPS自动均分负载；若故障UPS退出并机还没有维修好，而带载UPS也出现故障，此时将自动切换至带载UPS的旁路；当两台UPS全部维修好以后，按并机开启步骤可将两台UPS投入到“1+1”并机工作状态。

图4 “1+1”并机热备份

4 市电与馈出电路设计

4.1 市电一路接入UPS

380 V一段引一路电源，分别接入两台UPS，当发生市电中断时2台UPS工作在逆变模式，供给控制回路AC 220 V电源。当UPS逆变模块发生故障时自动切换到旁路继续供电。缺点：如果蓄电池放电到终止电压时，若市电一路还没有恢复正常，那么UPS会停止工作，控制回路失电。

图5 市电一路接入UPS

4.2 两路市电通过STS优选接入UPS

工作原理：当二路市电都正常供电时，市电一路通过STS(STS以市电一路为优先设置)向UPS整流器正常供电，旁路电源有效，UPS发生故障时可以直接转到旁路工作。当市电一路发生故障(电压、频率超出UPS输入范围)时，UPS整流器停止工作，逆变器由蓄电池放电提供电源工作。STS自动转到市电二路工作，UPS输入得到市电二路电源后，UPS整流器自动启动工作向逆变器供电同时向蓄电池充电，UPS发生故障后会自动不间断地转到旁路工作。此种方式供电较为可靠，但需要增加投资购置一台STS自动转换开关。缺点：STS为专业设备，集成程度高，一般操作工点巡检时很难发现异常，一旦STS自动转换开关发生故障，UPS有可能两路电源同时失去，待蓄电池电量耗尽后，控制回路失电。

图6 STS优选接入UPS

4.3 两路市电经过继电器优选

工作原理两路市电分别由380 V一段、二段引入，ZJ1交流中间继电器进行电源优选与状态监控，主回路市电经过KM1接触器送入UPS，ZJ2中间继电器对主回路供电工作情况进行监控，一旦主回路失电ZJ2中间继电器控制KM2接触器闭合，确保第二路市电投入。ZJ1、ZJ2常开触点分别接入红灯作为工作指示。此种设计简单可靠，较为传统，一般电气人员便能掌握运行和维护方法。运行人员对电源工作状态能够一目了然。

图7 两路市电经过继电器优选

4.4 馈电回路设计

馈电回路设计为2台UPS分段输出，设计一台32 A空气开关作为母联。正常运行时母联合上，两台UPS并列运行，同时两台UPS也具备分列运行的性能。每台发电机组的单双号辅机控制回路电源分别接到1#UPS、2#UPS，最大程度的提高机组运行的可靠性。每个负载通过4 A单极小空开输出，每个负载抽屉柜内同时配置熔断器，做到双重保护。两台UPS总共6 kVA的容量，即使辅机控制回路发生短路，也不会对其他负载造成影响。在辅机设备检修过程中，可以相应的停掉检修辅机的控制回路电源。同时通过RS-485通讯线将UPS运行状态发送至电气综合自动化系统，便于运行人员监控，出现故障时会自动报警，提高了运行的可靠性。

图8 馈电屏一次系统图

5 结语

该控制系统馈电屏，投用至今已有一年时间，期间外部电网发生过几次较大波动，低压控制回路再未曾出现过接触器脱口现象。从不间断供电、蓄电池充放电深度、旁路工作切换灵活度、短路电流冲击等方面来看，此种方案最为安全可靠，不会影响设备的工作寿命，而且不会造成UPS供电系统成本的显著提高，具有推广应用的现实意义。

[1]李正家．通信电源技术手册[M]．北京：人民邮电出版社，2009.

The Optim ized Design of UPS Power Connection System

WANG Hao
(TheEnergyCenterofNanjingIron&SteelUnitedCo.,Ltd.,Nanjing,Jiangsu210035,China)

The optimized design of control circuit feeder penal based on UPS power source technology was described.With high controllability this power feeding mode can maintain normal operation of the control circuit and prevent shutdown in cases of big voltage fluctuation of external power grid or instantaneous power cutoff.

redundancy;control circuit;voltage shock

TM 645.2

B

1006-6764(2014)02-0004-03

2013－09－30

王浩（1980－），男，2004年毕业于南京工程学院自动化专业，助理工程师，现从事电气及自动化专业技术工作。