直流UPS在仪表控制系统中的应用探讨

周宁，郭建军

(1. 中国石化工程建设有限公司，北京 100101；2. 中石化宁波工程有限公司，浙江 宁波 315103)

仪表控制系统在石化企业安全生产中起到重要的作用，从生产运行、工艺联锁、现场工艺参数监控、流程控制到紧急停车，全过程都参与控制。根据GB 50052—2009《供配电系统设计规范》[1]的规定，仪表控制系统属于一级负荷中特别重要负荷，除双重电源外，还应增设应急电源为其供电，且应急电源切换时间应满足允许中断供电的要求。为满足以上要求，石化企业普遍采用了交流UPS作为应急电源，当双重电源故障后，蓄电池作为应急电源为仪表控制系统供电，保证装置的安全联锁停车，并进行监控、处理和过程记录，避免更大的安全事故和经济损失。

1 交流UPS基本原理及特点

1.1 基本原理

交流UPS通过交流-直流整流回路给蓄电池充电，再经过直流-交流的逆变回路提供交流220 V电源给控制系统，当市电输入正常时，UPS将市电稳压后给仪表负载供电，此时的UPS就是1台交流式稳压器，同时它还向蓄电池部分充电；当系统电源事故停电时，蓄电池立即通过逆变器继续向负载供电，使负载维持正常工作，交流UPS通常对电压过高或电压过低都能提供保护。交流UPS的基本原理如图1所示。

1.2 特 点

由上述分析可知，交流UPS在架构功能上有以下特点：

1)正常使用过程中电源经过交流-直流-交流的变换，降低了效率，且散热量大，运行成本较高。

2)整流、逆变环节都是7×24 h在线工作，不论是可控硅还是IGBT，作为电力电子元件，故障概率不能忽视；能源变换环节多，单点故障多，极端情况会影响到生产运行。

3)储能装置一般配置铅酸蓄电池，寿命短、后期维护比较麻烦，且充电产生氢气，需要考虑通风和防爆设计。

4)整体结构封闭，难以在线维护，控制比较复杂，故障后需要专业人士维护。

5)部分UPS采用相控整流技术，有一定的谐波含量，影响到输入侧电能质量环境。

图1 交流UPS基本原理示意

1.3 优化措施

考虑到上述问题，石化企业在交流UPS的应用中制定了一些措施，尽量避免以上问题导致的故障，包括以下几个方面：

1)重要装置采用2套UPS供电方式，但禁止选用双机并联运行模式。

2)禁止选用具有远程控制停机功能(ADC)的UPS。

3)禁止选用不带独立旁路电源的UPS。

4)禁止选用仅有蓄电池提供静态旁路开关工作电源的UPS。

上述的规定在一定程度上避免了UPS本体导致的故障，但也带来成本和运行费用的增加，并没有从架构和原理层面解决问题。

2 仪表用电负荷

典型的石化装置仪表负荷包括控制系统、仪表设备及市电负荷三个部分：

1)控制系统包括： 分散控制系统(DCS)、安全仪表系统(SIS)、压缩机控制系统(CCS)、机组监控系统(MMS)、过程分析仪系统(PAS)和可编程序控制器(PLC)等。

2)仪表设备包括： 现场分析小屋，分析仪表、气体探测器、色谱分析仪、碳氢分析仪等。

3)市电负荷包括： 电动阀、电伴热、仪表盘/柜的照明、风扇和插座等。

以上三种负荷，控制系统采用交流220 V供电或直流24 V供电，而仪表设备一般采用直流24 V供电或交流220 V供电，市电负荷采用交流380 V/220 V供电。前两种负荷，交流UPS的220 V输出都满足要求，其中的安全栅、继电器、电磁阀、现场检测仪表等采用直流24 V，此时交流220 V需经过开关电源变换为直流24 V后作为电源，对交流UPS的输出又增加了一个整流变换环节，效率和经济再打折扣。市电负荷采用电气马达控制中心(MCC)直接供电即可。

3 直流UPS系统技术探讨

通过对交流UPS的结构原理和仪表用电负荷的分析，如采用环节简单，可靠性高、效率高的直流UPS取代交流UPS，对石化装置的安全稳定运行将会取得更积极的成效，这取决于以下几个方面：

1)尽量减少UPS的整流逆变等环节，以提高UPS的可靠性。根据可用性A计算公式：

(1)

式中：MTBF—— 平均无故障工作时间；MTTR——平均修复时间。

由式(1)可以看出，提高MTBF和降低MTTR都可以提高系统可用性。如果减少中间环节，一定会提高MTBF和降低MTTR，另外，如果采用模块化整流装置，提高在线检修维护的便利性，通过降低MTTR来提高可靠性。但由于蓄电池作为应急储能电源，必然存在充放电过程，因此整流环节必不可少，只能取消逆变环节。

2)仪表负荷需要细化整理，适用于交流的负荷尽量改为直流，适用于直流的可直接应用。通过以上分析可知，如采用直流UPS则可达到提高可靠性的目的。

3.1 直流UPS系统原理

直流UPS系统原理如图2所示。

图2 直流UPS系统原理示意

图2是直流UPS系统的拓扑结构之一，具有以下优点：

1)通过整流单元直接输出直流220 V或直流24 V，减少了逆变环节，提高了整体可靠性和效率，降低了损耗，节省了运行费用。

2)结构非常简单，整流单元为模块化设计，标准化程度高。

3)直流系统采用模块化热插拔，可在线维护，非常方便。

通过以上分析，直流UPS的可靠性相比交流UPS有较大提高，且直流UPS一直应用于石化企业变电所的操作、保护和监控系统，发生故障的概率很低，但交流UPS故障影响仪表控制系统的安全运行时有发生，少数故障能影响生产的正常运行。

如果采用直流UPS,通过对仪表控制系统负荷的分析可知：

1)系统柜和辅助柜(包括安全栅、继电器)等仪表负荷目前接收两路交流220 V电源，通过柜内的开关电源转换为直流24 V供电，直流24 V采用并联方式，任一路交流电源故障时，直流24 V均不受影响。系统柜和辅助柜若采用直流UPS，用220 V/24 V直流变换器取代开关电源，对负荷则完全没有影响。

2)对于分散控制系统等的操作站/工程师站、分析仪表、气体探测器、色谱分析仪、碳氢分析仪和网络交换机等负荷，其中的分析仪表、气体探测器、色谱分析仪、碳氢分析仪等负荷对两种电源均适用，而分散控制系统的操作站/工程师站等需要对制造商提出直流供电的要求，以满足直流UPS的供电。

3)其他电动阀、电伴热、仪表盘/柜的照明、风扇和插座等负荷，本身不要求UPS供电，可以直接采用电气MCC提供交流电源。

通过以上分析，直流UPS对仪表负荷的供电不存在难以克服的困难。除部分控制系统及服务器等需要定制直流供电外，其他设备均能接受直流的供电。

3.2 直流UPS系统的架构优势

3.2.1 直流UPS的模块化设计

直流UPS的整流环节可以采用高频开关充电模块，应用N+1或N+2的冗余模式： 一是满足直流输出电能质量的要求；二是当任何一个模块故障时，备用模块可立即投入，不影响整机的性能，同时减轻了维护工作压力，对故障模块只需热插拔更换即可，非常便捷，无需依赖交流UPS厂家支持；三是通过标准化的模块扩展可实现容量的提升，实现了标准化生产和成本降低。

采用N+X模式比传统1+1并联模式效率更高，比交流UPS供电系统节能15%以上。

3.2.2 磷酸铁锂蓄电池系统的应用分析

目前石化企业交流UPS的后备储能装置主要是阀控式免维护铅酸蓄电池，长期以来存在以下问题：

1)可靠性和维护问题一直是困扰运维的痛点。铅酸电池单元故障不易监测，电池单元问题导致无法在应急状态时投入的现象时有发生，再次降低了UPS的整体可用性。目前解决方案是配置电池巡检仪，通过测量及计算内阻值可对电池的状态和寿命监测起一定作用，但由于铅酸电池性能曲线的非线性，准确监测比较困难且成本很高。

2)根据GB 50058—2014《爆炸危险环境电力装置设计规范》中附录B第23条规定： 蓄电池应属于IIC级的分类；当含有可充电镍-镉或镍-氢蓄电池的封闭区域具备蓄电池无通气口，其总体积小于该封闭区域容积的1%，并在1 h放电率下蓄电池的容量小于1.5 A·h等条件时，可按照非危险区域考虑；当含有除本款第2项之外的其他蓄电池的封闭区域具备蓄电池无通气口，其总体积小于该封闭区域容积的1%或蓄电池的充电系统的额定输出小于或等于200 W并采取了防止不适当过充电的措施等条件时，可按照非危险区域考虑；含有可充电蓄电池的非封闭区域，通风良好，该区域可划为非危险区域；当所有的蓄电池都能直接或者间接地向封闭区域的外部排气，该区域可划为非危险区域考虑；当配有蓄电池、通风较差的封闭区域具备至少能保证该区域的通风情况不低于满足通风良好条件的25%及蓄电池的充电系统有防止过充电的设计时，可划为2区；当不满足该条件时，可划为1区。

API 505： 2018Recommendedpracticeforclassificationoflocationsforelectricalinstallationsatpetroleumfacilitiesclassifiedasclass1，zone0,zone1andzone2中第8.2.6条叙述了蓄电池的划分是因为电池有氢气的释放。同时，明确了电池的通气口包含阀控式铅酸蓄电池的阀。

由国内外规范相关条文可以看出，铅酸蓄电池应作为释放源进行爆炸危险区域的划分。

在DL/T 5044—2014《电力工程直流电源系统设计技术规程》中第7.2.1条规定： 阀控式密封铅酸蓄电池容量在300 A·h及以上时，应设专用的蓄电池室，专用蓄电池室宜布置在0层。同时，GB 50172—2012《电气装置安装工程蓄电池施工及验收规范》[5]中第3.0.7条强制性条文规定： 蓄电池室应采用防爆型灯具、通风电机，室内照明线应采用穿管暗敷，室内不得装设开关和插座。

通过与爆炸危险区域划分相关的规范要求和与蓄电池室相关的规范要求可以看出，当石油化工电源装置容量较大时，阀控式铅酸蓄电池的容量可能会超过300 A·h。如果考虑设置专用的电池室，电池室是否划分为爆炸危险区域需要进行判断，并需引起重视。当设置专用的电池室时，目前的通行做法为： 至少1 h换气6次，采用防爆型灯具、通风电机，室内照明线路采用穿管暗敷，配置可燃气体检测等。因此，不论是标准规定还是设计方案，铅酸蓄电池的使用都有很大的局限性。

因此，采用磷酸铁锂蓄电池是提高直流UPS可靠性的措施之一。锂电池具有充电时不释放氢气的本质安全特性，同时在可靠性，寿命及性能方面具有强大的优势。阀控式铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池特性比较见表1所列。

表1 阀控式铅酸蓄电池和磷酸铁锂电池特性比较

续表1

通过表1可知，当采用磷酸铁锂蓄电池时，直流UPS的整体可靠性将有更大提高，更加满足仪表控制系统的高可靠电源需求。目前已在石化企业中逐步推广应用，如镇海炼化、中化泉州等。

3.2.3 直流UPS应用中的问题

虽然直流UPS可以提高可靠性，降低故障率、提高效率和降低成本，但在实际应用中需要注意以下问题：

1)直流输出可以选择220 V和24 V，也可配置不同整流充电模块同时输出两种电压，220 V可以直供仪表设备，24 V可以直供系统和辅助柜，但是由于24 V电压低，相同功率下电流约为220 V的10倍，传输电缆截面会增大，电压降比率不易控制，长距离供电困难，所以需要与仪表系统柜就近布置，以保证电压降水平。如果布置条件不具备，可统一采用直流220 V供电，在系统和辅助柜内配置220 V/24 V直流变换器，以解决电压下降的问题。

2)直流UPS由于输出是直流，通常是对地浮空，与DCS接地需要重新匹配，选择不同的接地系统。

3) 交流和直流配电系统中断路器的选择和绝缘监测措施有所不同，需要注意直流系统的配电方案。

4 结束语

随着石化企业规模的不断增加，仪表控制系统的重要性越来越高，对高可靠电源系统的要求也越发凸显，而电力电子技术和新型电池的迅猛发展，给直流UPS系统的应用带来新的方向，相比交流UPS具有更加可靠、高效、安全和便于维护的优势，建议先在中小规模的项目中试运行，根据效果加以推广，作为石化企业仪表系统新型电源相信会有更好的应用前景。