浅谈仪表及控制系统供电的现状及发展趋势

李莉，刘秀琴

（海工英派尔工程有限公司，山东 青岛266061）

在石油化工生产装置中，由于仪表及控制系统的不间断电源（UPS）发生故障，导致生产装置非计划停产的事故时有发生。例如：某公司空分装置UPS原设计，无自动旁路功能，因市电及蓄电池发生故障造成装置停产；橡胶装置的UPS主电源、旁路电源的开关带漏电保护，漏电保护误动作导致电池放完电后，造成DCS断电，装置停产；锅炉装置UPS的零线直接作为UPS输出的零线，自动化仪表系统将零线接地，应用中线路上又出现了一点接地，造成短路，装置停产；苯乙烯装置联锁用的电磁阀电源由UPS提供，电力系统电压波动使电磁阀动作，造成装置停产［1］。随着石油化工装置大型化、一体化、智能化、清洁化及精细化的发展，工艺过程越来越复杂，自动化、信息化程度将越来越高，控制系统的规模越来越大，从而对仪表及控制系统供电设计的可靠性要求越来越高。

根据SH／T 3082—2003《石油化工仪表供电设计规范》［2］及SH 3038—2000《石油化工企业生产装置电力设计技术规范》［3］，仪表及控制系统属于一级负荷中特别重要负荷，这类负荷当供电中断时，为确保安全停工及处理事故不致造成设备损坏、人身伤害事故和重大经济损失，需要设置UPS。

1 UPS系统

在石油化工生产装置中，仪表及控制系统供电电源通常使用静止型UPS，按工作方式可分为在线式（online）和后备式（offline）两种。在线式UPS输出的是与市电网完全隔离的纯净的正弦波电源，大幅改善了供电的品质，保护了负载安全有效的工作；后备式UPS对市电品质基本没有改变［4］。石油化工生产装置中仪表及控制系统使用在线式UPS。

UPS运行方式通常有如下几种方案：单机方式、二机串接方式、二机并接方式、一路UPS和一路市电方式、二路UPS（或一路UPS和一路市电分别供给DCS的二组电源模块）方式。

此外，随着技术进步、元器件的更新换代，生产工艺及操作不断精细化，UPS系统不断出现更新、更可靠的结构，例如：“N＋X”型UPS冗余供电方式、“2 N”UPS输出结构等，使整个UPS供电系统具有容错能力，其稳定性、可用性、可维护性都取得了较大的进步，为仪表及控制系统的可靠供电提供了更有力的保证。

2 仪表及控制系统的供电

2.1 过去的供电方式

过去生产装置通常采用单UPS系统供电，如图1所示。如某石化公司在应用此种供电方案时，存在电源切换扰动、退出UPS进行维修时发生烧坏仪表稳压电源且损伤UPS本身的事故［5］。

图1 单UPS供电方案

单UPS系统供电方式存在以下主要问题［6］：

1）UPS供电系统的故障大多数发生在UPS主回路、交流旁路和维修手动旁路相互切换时，故障的发生有随机性。

2）蓄电池组故障引起UPS故障。

3）存在瓶颈故障点，当静态开关发生故障时将中断UPS系统对负载的供电。

由于此种供电模式造成石油化工装置非计划停车的事例举不胜举，因而此种设计方案现在已被摒弃。

2.2 现阶段的供电方式

现阶段，设计中常用的仪表及控制系统供电方案如下：

1）中心控制室的仪表及控制系统，采用2套UPS供电方案，如图2所示。

图2 2套UPS供电方案

2）重要生产装置、联合生产装置机柜室的仪表及控制系统，采用2套UPS供电方案，如图2所示［7］。

3）小型生产装置（UPS容量小于10kVA）和公用工程机柜室的控制系统，采用1套UPS加1套稳压电源的供电方案，如图3所示。

图3 1套UPS加1套稳压电源供电方案

以上设计方案可随工程项目的具体情况进行调整。如小型油库工程项目工艺流程及控制方案简单，控制方案以单回路指示、报警为主，无串级、选择等复杂控制回路，无多变量、多参数联锁控制，加之规模小、设备少，控制系统监测点数少，因而其中心控制室的仪表及控制系统可采用1套UPS系统加1套稳压电源的供电方案。

笔者在项目设计中曾应用过这两种设计方案，据了解现场供电稳定。其中，1套UPS加1套稳压电源供电的方案如图4所示。通常，仪表总配电柜由自控专业负责设计，采购过程中一般由DCS（或SCADA等）供货商成套提供。

图4 供电设计方案案例

2.3 未来的供电方式

随着石油化工企业原油处理能力的提高及自动化、信息化的快速发展，未来的中心控制室具有以下特征：集成化、智能化、模块化的基础设施；IT资源共享的信息服务平台；能达到安全、可靠、高效的操作运行；对过程对象、资源及环境的监控虚拟化、可视化；系统可扩展性好，软、硬件维护简便，数据备份安全性高；能取得最大化的能源效率和最小化的环境影响［8］。因此，中心控制室会成为数字化信息处理中心，控制系统、信息系统、大屏幕系统等各种系统聚集于此，需要UPS供电的设备越来越多，UPS容量越来越大。

目前，为了提高UPS的可靠性，主要采用主从结构的“1＋1”并联方式，文中2.2节所述的2套UPS供电方案就是采用此种方式。虽然该种方式在一定程度上提高了供电可靠性，但是不便于离线维护、扩容，同时也存在设备利用不充分、缺乏灵活性等方面的缺陷，并且大容量UPS价格高昂，占地空间大。

随着 UPS技术的发展，“N＋X”［9］型功率均分冗余模块化整机冗余UPS技术不断成熟，其技术的设计思想是：将单台UPS作为单个独立的模块，各自在工作时可以自动均流；单台出现故障时，可以在不停机的状态下热插拔故障UPS模块；输出功率在一定范围内可以任意扩展。“N＋X”通常指系统中N＋X台UPS单机（或模块）并联运行，当最大X台单机（或模块）发生故障时，系统仍能够正常运行，可实现系统级的容错功能。如果中心控制室的UPS容量为100kVA，若采用“1＋1”冗余UPS方案，此时，相当于有100kVA的UPS备用，会产生“大马拉小车”的问题，既不经济又不节能；若采用“5＋2”冗余UPS方案（相当于选用7台20kVA并联UPS系统），当负载为75%时，可以容许有2台UPS发生故障，当负载为50%时，可以容许3台UPS发生故障。

由于“N＋X”型UPS的最大特点是可以“热插拔”，即在不妨碍正常供电的前提下可以带电插拔UPS模块（包括功率模块、电池模块、电路模块等）以进行更换或扩容，一方面提高了供电的可靠性，另一方面给维护人员带来了方便。因此，“N＋X”型UPS供电方式在石油化工装置中拥有广阔的应用前景。

随着高频链结构、全数字化控制方案在UPS系统中的应用，UPS系统正向着模块化、智能化、绿色化方向发展，“稳定容错、绿色节能”［10］的UPS供电系统会是将来的发展趋势。

3 结束语

稳定可靠的供电系统是石油化工生产装置安全稳定运行的基础，如何为仪表及控制系统设计安全可靠的供电系统是石油化工自控设计中重要的一环，设计者应给予足够的重视。

［1］李桢.自动化仪表系统供电方案的改进［J］.石油化工自动化，2008，44（06）：72－74.

［2］周懋忠，吕明伦，刘一笑，等.SH／T 3082—2003石油化工仪表供电设计规范［S］.北京：中国石化出版社，2004.

［3］陈增柱，赵永明，曾云成，等.SH 3038—2000石油化工企业生产装置电力设计技术规范［S］.北京：中国石化出版社，2001.

［4］刘少慧.浅析UPS不间断电源的原理及维护［J］.福建电脑，2011（04）：59－60.

［5］张大鹏.炼油化工企业UPS配电系统配置方案的研究［J］.石油化工自动化，2006，42（05）：21－22.

［6］吴国良.生产装置过程控制仪表电源供电系统（UPS）管理的几点见解［J］.自动化博览，2010（05）：50－54.

［7］白新庄.石化装置仪表控制系统供电的可靠性设计［J］.石油化工自动化，2006，42（04）：24－26.

［8］林融.过程自动化技术在石化工业中的应用趋势与战略思考［J］.石油化工自动化，2011，47（04）：1－7.

［9］赵如灼.模块化UPS可以实现“N＋X”并联冗余［J］.电气应用，2013（15）：25－26.

［10］刘立贤.关于UPS双总线供电系统的冗余和容错设计［C］∥2012年中国通信能源会议论文集.北京：中国通信学会通信电源委员会，2012：85－93.

［11］任泓.提高仪表供电系统可靠性设计方法的探析［J］.当代化工，2009（01）：72－74.