化工装置仪表不间断电源设计

李伟家

(中国五环工程有限公司，湖北 武汉 430223)

随着自动化水平的发展，化工企业对装置自动控制系统的要求也不断提高，不间断电源(UPS)作为自动控制系统电源，能够保证自动控制系统长期稳定的工作。本文从构成配置、基本原理、电源输出、冗余运行方式、容量计算等方面介绍UPS的设计，供工程设计人员参考。

1 UPS构成配置

UPS由整流器、逆变器、隔离变压器、旁路静态开关、逆变静态开关、检修旁路开关、电池组等组成，如图1所示。

图1 UPS基本构成配置示意

1)整流器。将交流电全波整流、滤波转换为直流电，向逆变器提供直流电源，同时对电池组进行充电。

2)逆变器。是将从整流器或电池组获得的直流电转换为所需电压和频率的交流电，输出阻抗小，具有较大功率富裕量和快速响应特性。由于采用高频调制限流技术及快速短路保护技术，使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路，均可安全可靠地工作。

3)隔离变压器。实现输入侧与输出侧的电气完全隔离绝缘，对输入端起到良好的过滤作用，实现输出端对地浮空，保证用电安全。图1中，不管是作为输入的UPS主电源和旁路电源，还是逆变器输出的电源，均应设置隔离变压器[1]。

4)静态开关。是将1对反向并联的快速晶闸管连接起来，作为UPS在执行由旁路电源供电至逆变器供电切换操作时的元件。由于快速晶闸管的接通时间为微秒级，约是小型继电器毫秒级的转换时间的1‰，因此可以对负载实现转换时间为零的不间断供电。

2 UPS基本原理

根据结构不同，UPS分直流和交流2种，交流UPS又有旋转型和静止型两大类，化工装置仪表应采用静止型交流UPS。根据工作原理不同，静止型UPS有后备式和在线式两种[2]，化工装置仪表应采用在线式UPS[3]。

由图1可知，正常状态下，将UPS主电源稳压后供给负载使用，同时对电池组充电，把能量储存在电池组中；当UPS主电源中断、输入隔离变压器发生故障或整流器发生故障时，UPS将电池组的能量通过逆变器转化为用户所需的交流电继续供负载使用，使负载维持正常工作[4]。

3 UPS电源输出

UPS的负载分为2种类型： 一种是可接收2路电源的设备，称之为双电源负载；另一种是仅能接收1路电源的负载，称之为单电源负载。常见的UPS负载为各类控制系统和现场仪表，现场仪表为单电源负载；控制系统不仅包括设置于控制室内的DCS，SIS，GDS和CCS，也包括设置在现场的各类成套PLC控制系统。控制系统的用电设备包括： 工程师站、操作员站、系统柜、服务器柜、远程IO柜、安全栅柜、继电器柜等，这些设备都是接收220 V(AC)电源，其中工程师站、操作员站为单电源负载；系统柜、服务器柜、远程IO柜为双电源负载。安全栅柜、继电器柜是将2路UPS电源接入柜内1∶1冗余的直流电源模块，安全栅、继电器的电源引自冗余电源模块，因此安全栅柜、继电器柜也可认为是双电源负载。网络柜用于安装网络交换机，交换机是控制系统的网络中枢[5]，保证工程师站、操作员站、控制站等设备的网络畅通。交换机可配置成单电源负载或双电源负载，因此要根据项目具体配置将网络柜认定为单电源或双电源负载。

UPS电源输出有两种方式： 一种是单相220 V(AC)输出，另一种是三相380 V(AC)输出。不管是哪种方式，不间断电源输出端的中性线，都必须与由接地装置直接引来的接地干线相连接，做重复接地[6]。下文将介绍两种电源输出方式的特点和适用场合。

1)单相220 V(AC)输出。UPS逆变器直接输出单相220 V(AC)，220 V(AC)供电负载可直接接到UPS输出端，该种方式适合于容量较小的UPS。

2)三相380 V(AC)输出。UPS逆变器输出的是三相380 V(AC)，220 V(AC)供电负载可选择接至其中某一相电源输出，如图2所示。UPS为三相输出时，用户在设计配电柜时需考虑负载的负荷均匀分配问题[7]，三相间的负荷不平衡度宜小子20%。相比于单相220 V(AC)输出方式，三相380 V(AC)输出方式可有效降低相电流，减小UPS输出电缆横截面积，因此适用于大容量的UPS。某海外在建项目统一规定中要求，UPS容量不大于30 kV·A时，采用单相220 V(AC)输出，UPS容量大于30 kV·A时，采用三相380 V(AC)输出，设计人员可参考该案例，结合自身项目实际情况合理地选择UPS电源输出方式。

图2 UPS电源输出三相380 V(AC)示意

4 UPS的运行方式

根据HG/T 20509—2014《仪表供电设计规范》，在大多数情况下，仪表用电负荷属于一级负荷中特别重要的负荷，应采用UPS。对于重要的化工装置，测量和控制仪表的供电宜采用双路的UPS供电。双路UPS供电是可靠性极高的供电，能使得双电源负载得到真正意义的双电源保证[8]。常见的双路冗余UPS的运行方式有两种： 并列UPS运行方式和单机UPS分列运行方式。

4.1 并列UPS运行方式

并列UPS运行方式，又称并联冗余UPS，是指2台或多台UPS输出并接在一起，共同分担负载，实现冗余的能力。即使其中1台UPS出现故障，其他UPS也能带载运行，可实现不断电维护。典型的并列UPS运行方式如图3所示， DCS的用电设备负载和现场仪表负载直接接到公用配电柜中。

4.2 单机UPS分列运行方式

单机UPS分列运行方式，又称系统冗余UPS，是指多台UPS输出不并接在一起，只是它们的配电为同一级配电，即UPS独立运行输出至同一级配电柜，带同级负载。典型的单机UPS分列运行方式原理如图4所示，现场仪表直接接到1只配电柜中。对于DCS的用电设备，如果是双电源负载，那么将负载2个电源输入端分别对应接到配电柜1和配电柜2中；如果是单电源负载如操作员站、工程师站，那么将负载按功能分成2组，1组接至配电柜1，另1组接至配电柜2，这样可在1路UPS电源发生故障时保证1组负载正常工作。

图3 并列UPS运行方式示意

图4 单机UPS分列运行方式示意

4.3 冗余UPS不同运行方式比较

1)UPS运行方式下，2台UPS输出直接并接在一起，因此系统对2台UPS的要求较高，即UPS逆变器的输出频率、相位必须相同,而且输出电压也必须相同，否则2台并联的UPS是有环流的，整体输出电源质量有所下降。另一方面，公用的配电柜如果出现故障，那么整个系统的供电将出现问题。优点是可随时随地地进行扩容，实现N+1并联系统。

2)单机UPS分列运行方式下，2台UPS输出不并接，而是进各自独立的配电柜，因此有参数差异的2台UPS也可作为一个系统正常工作，只要2台UPS对应的配电柜不同时出现故障，双电源用电设备依然能够正常工作，相比之下，单机UPS分列运行的可靠性更高。基于单机UPS分列运行的优点，部分企业已经完成了将UPS运行方式由并列运行改造成单机分列运行方式[9-10]。

5 UPS的容量计算

基于当前化工企业普遍采用冗余UPS配置，本文介绍冗余UPS容量估算的两种常见方法。

5.1 方法一

根据HG/T 20509—2014《仪表供电设计规范》中的内容，仪表电源容量应按仪表及控制系统的用电量总和的1.2～1.5倍确定。冗余UPS容量的计算方法如式(1)所示：

S=n(P单电源负载+P双电源负载)/λ

(1)

式中：S——UPS容量，V·A；n——放大系数，取值1.2～1.5；P单电源负载——单电源负载的总额定功率，V·A；P双电源负载——双电源负载的总额定功率，V·A；λ——功率因素，取值0.75～0.90。

5.2 方法二

根据HG/T 20509—2014以及《中国石化生产装置过程控制仪表电源供电系统技术管理规定》的内容，单台UPS带全负载时，负荷率应在50%～60%，在单台UPS发生故障时，其供电的负载将失去UPS电源。冗余UPS容量的计算方法如式(2)所示：

S=(P单电源负载/2+P双电源负载)/fλ

(2)

式中：f——负荷率，取值50%～60%。

某新建项目中，包含DCS，SIS，GDS，CCS四大控制系统，UPS采用单机UPS分列运行方式。经过仔细计算,P单电源负载≈28 kV·A，P双电源负载≈15 kV·A。

UPS容量计算结果： 方法1中，n=1.3，λ=0.8，计算出的UPS容量S=69.875 kV·A。方法2中，选择f=50%，λ=0.8，计算出的UPS容量S=72.5 kV·A。相比方法1，方法2计算出的UPS容量相对大一些。当前常见的UPS容量规格有60 kV·A和80 kV·A，该项目最终确定的UPS容量为80 kV·A。

6 结束语

在工程设计过程中，不仅要充分考虑UPS的安全性、可靠性，还要兼顾UPS的经济性，因此设计人员需根据项目的具体要求，合理设计UPS方案，精确计算UPS容量，为装置仪表提供可靠的电源保障。