UPS供电系统可靠性及其规范中值得商榷的问题

戴勇干

(中国电建集团西北勘测设计研究院有限公司,西安 710065)

0 前 言

UPS交流供电电源一般用于比较重要的交流负荷供电，以防止变电站关键设备失电导致变电站主要系统无法正常运行。目前变电站应用UPS电源的设备系统很多，电力行业有关规范作出了一些规定，但是要求不尽统一，甚至同一规范前后不一致。本文试图在充分分析、理解中国电力行业相关规范对UPS电源系统及相关负荷对电源可靠性要求的基础上，给电力工程UPS系统设计及规范修编提出建议，供业内同行参考。

1 UPS相关规范中的名词理解

有关UPS接线方式经常使用的名词有并联、并联冗余、双重化冗余[1]等，根据规范DL/T 5491-2014《电力工程交流不间断电源系统设计技术规程》中术语条文，笔者理解，对于正常配置的UPS系统，其“并联”“并联冗余”应当归属于同一种接线方式，即冗余配置的UPS交流输出端是连接在一起的，输出接线为单母线接线，可以提供双回路电源，但无法提供独立的双电源。并联冗余UPS接线见图1。

图1 并联冗余UPS接线图

而双重化冗余UPS，与前面的并联冗余UPS不同，电源输出端采用单母线分段接线，它可以满足双电源负载的需要，双重化冗余UPS接线见图2。同时，在并联冗余方式下，当输出端母线或断路器出现故障，将会导致UPS输出母线失电，而双重化冗余接线则可以保证一半负荷保持正常供电，该冗余方式在正常情况下，2台UPS分别带本段母线负荷，UPS均可轻载运行，同时，当其中1台UPS故障时，其负载可以经转换开关切换由另1台UPS供电，增加整个供电系统的可靠性[2-3]。

图2 双重化冗余UPS接线图

图2可认为是完全意义上的双重化冗余，有些项目的UPS旁路电源只用1个，此时即使配置2台旁路隔离变，也不是完全的双重化冗余。

2 UPS系统电源的可靠性

研究分析表明，在UPS供电系统中，影响供电可靠性的最大因数在于输出侧的配电系统[4]，包括断路器跳闸、电路短路等供电回路故障，其中79%来源于UPS输出与负载之间的供电线路上的故障，11%来源于UPS和蓄电池组，其他故障占10%。目前UPS设备的设计、制造及其工艺技术已经比较成熟。因此对于目前电网调度自动化、变电站监控系统等设备对UPS的供电可靠性的需求，其关心的重点不是UPS设备本身的设计和制造，而是由整个供电系统和服务决定的UPS系统的可用性，也就是设计配置1个高可用性的UPS 供电系统，以满足电网调度自动化、变电站内设备的高运行可靠性的要求。

影响UPS系统的可用性，其实主要就是冗余方式。

并联冗余的UPS，仅仅是UPS主机和直流电源是冗余配置，虽然互为备用，但不完全独立，对于其它部分是没有冗余配置的。因此，该系统属于设备冗余，可在一定程度上提供可靠性的电源，但是当无冗余配置的元件出现问题时，UPS将无法实现供电。

而双重化冗余，配置2套UPS的主交流电源、直流电源、旁路电源由不同厂用或站用电源母线引接，属于系统性冗余，该类冗余配置后，其输出侧接线为单母分段接线，尤其对于双电源需求的设备供电，可以大大提高其供电可靠性。增加系统的冗余度，提高系统的可靠性，此时冗余度的加大将使系统负载率下降，系统的效率也将下降，但对于电网调度自动化系统、变电站监控系统等重要设备运行涉及到电网、变电站的安全稳定运行，UPS系统效率下降可不予考虑。

应用UPS设备目的是解决供电系统的安全性和可靠性，目前UPS设备经过多年的发展，在其性能指标已满足计算机等用电负荷要求的情况下，UPS的供电系统设计是其满足系统供电可靠性的主要问题。有些制造厂UPS产品名义上是双重化冗余方式，但是对2个旁路是通过单电源分支形成的，一旦旁路电源出现故障，是无法在UPS输出侧形成双电源的。

3 电力系统、变电站对UPS系统电源的可靠性要求

UPS电源主要用于对电源可靠性要求较高的系统或设备，比如涉网的调度自动化系统设备、厂站端监控系统及网络安全设备等。如DL/T 5003-2017《电力系统调度自动化设计规程》第5.2.2条中要求远动网关等关键厂站端设备应配置双电源模块，其他厂站端设备宜配置双电源模块，或采用静态切换装置实现双路供电；第7.2.3条对用于调度自动化系统的UPS电源亦要求采用专用的、冗余配置的UPS 供电，不应与信息系统、通信系统合用电源。调度自动化UPS的交流电源应来自两路不同的电源点，并配有应急电源，双机运行时单机负载率不应超过30%；同时要求具备双电源模块的装置或设备，两个电源模块应由不同UPS供电；对单电源设备应配置静态切换装置。

《国家电网有限公司关于印发十八项电网重大反事故措施(修订版)》(2018)中第16.1.1.2条亦要求调度自动化系统应采用专用的、冗余配置的不间断电源(UPS)供电，UPS 单机负载率应不高于40%。同样要求UPS 应至少具备两路独立的交流供电电源。该反事故措施16.1.1.5条要求，厂站远动装置、计算机监控系统及其测控单元等自动化设备应采用冗余配置的UPS或站内直流电源供电。具备双电源模块的设备，应由不同电源供电。该反事故措施16.3.1.8条要求，用于同一条220 kV 及以上电压等级线路的继电保护、安全自动装置的独立通信传输设备，其电源(含一体化电源)供电，满足“双路由、双设备、双电源”的要求。

前面DL/T 5003-2017《电力系统调度自动化设计规程》对调度自动化设备电源配置提出的基本要求，适用于省级及以上电力调度(调控)中心直接调度管理及信息直采的新能源场站、变电站等工程的应用。因此，新能源35 kV及以上电压等级开关站、升压站等UPS电源配置及其供电电源均应参考应用。除了以上诸多设备对UPS电源的要求外，另外如大型变电站火灾报警、监控系统中的服务器、安防设备等亦要求提供UPS双电源的需求。

然而UPS连接方式不同，UPS所能适应的设备电源需求不同，当UPS输出端接线为单母线时，只能提供双回路，无法提供独立的双电源，只有采用双重化冗余时才能提供双电源。

4 规范对UPS接线要求与条文理解

关于UPS接线要求，有关规范针对不同的项目条件规定了相应的接线要求。

(1) 规范DL/T 5491-2014《电力工程交流不间断电源系统设计技术规程》中第3.2.2条明确规定：110 kV及以下电压等级变电站，宜配置1套UPS；220 kV及以上电压等级变电站应配置2套UPS；特高压变电站、换流站每个区域宜配置2套UPS。

结合其条文说明，220 kV及以上等级变电站应配置2套UPS，并且是宜采用双重化冗余方式，只有这样才能满足220 kV及以上电压等级变电站和换流站计算机监控系统主机、控制保护设备网络供电可靠性的要求。然而对于新能源110 kV升压站以及35 kV开关站也都有调度自动化设备，按照DL/T 5003-2017《电力系统调度自动化设计规程》的要求也应配置双电源，如果只是配置1套UPS就不能满足规范要求。

规范DL/T 5491-2014《电力工程交流不间断电源系统设计技术规程》第4.2.2条则有明显差别，虽然要求变电站、换流站交流不间断电源系统的母线接线方式应根据变电站、换流站电压等级及负荷要求设置，但又规定UPS输出侧母线接线应符合2条规定：① 变电站宜用单母线接线；② 换流站宜采用单母线分段接线，也可采用单母线接线。本条文前面要求根据变电站、换流站电压等级负荷要求设置，即要求根据变电站、换流站电压等级负荷要求来确定UPS输出端接线型式，这与3.2.2条的要求是基本对应的，然而本条文项1规定变电站宜用单母线接线，没有区分变电站的电压等级、负荷要求等，显然该条文存在前后要求、说法上的不一致；同时对换流站提出也可采用单母线接线，与3.2.2条的要求也是不一致。而实际上对于特高压变电站、换流站，从维持其安全运行、区域电网的稳定运行要求以及电网自动化设备等电源需求，一方面UPS负荷数量多；另一方面双重化电源配置需求也较多，单母线接线应当无法满足完全意义上独立双电源要求。如某330 kV升压站总回路约70个回路，双重化配置回路就有15组，如按单母线设计，一旦UPS母线或个别断路器出现故障导致母线失电，有可能导致升压站运行事故，供电可靠性较差。

(2) 规范DL/T 5136-2012《火力发电厂、变电站二次接线设计技术规程》中第10.2.4条要求：交流不间断电源主母线应采用单母线或单母线分段方式。当有冗余供电或互为备用的不间断负载时，交流不间断电源主母线宜采用单母线分段，双重化的交流不间断电源装置和负载应分别接到不同的母线段上。

依一般电气接线概念，单母线和单母线分段2种接线的供电可靠性是存在差异的，供电可靠性要求高的应当采用单母线分段，基于这一点，交流不间断电源主母线接线应当依据供电可靠性要求来选用接线型式，这和DL/T 5491-2014中3.2.2、4.2.2条的基本要求是相一致的。然而本条要求对双重化冗余供电、互为备用的负载，交流不间断电源主母线宜采用单母线分段接线，按字面进一步理解，在此情况下采用单母线也可以，但是如果采用单母线，双重化冗余供电的负载电源是做不到由2个独立电源供电的，也做不到应分别接到不同母线段上。

规范第10.2.5条同时规定一般220 kV变电站只设一台单机在线式UPS装置，110 kV及以下变电站所需小容量的不间断电源可采用DC/AC变换装置。当220 kV变电所主变压器数量为4台及以上的较大型变电站或22 0kV以上变电站时，才推荐UPS宜采用冗余配置。前述UPS的配置要求显然有别于DL/T 5491-2014要求。

(3) Q/CSG115001-2012《南方电网调度自动化系统不间断电源配置规范》适应于地调及以上电网、配网调度自动化主站系统、110～500 kV各电压等级的发电厂、变电站的不间断电源的配置要求。其中第6.1.5条要求对以上电压等级变电站应配置2台UPS电源，构成双机冗余供电系统，220 kV及以上变电站，UPS电源系统宜采用双机双母线带母联运行接线方式(相当于单母分段)，而110 kV及以下变电站配置的UPS电源系统虽可采用双机主从串联互为备用运行接线方式(相当于单母线)，但尚未明确只能采用该接线。

5 问题商榷

关于UPS冗余方式除了上述规范中存在不一致、不统一的情况，在其他一些规范或文件中也仅是强调UPS冗余配置，具体要求哪一种“冗余”配置尚不明确。在实际工程应用中，规范或文件要求不具体，往往给设计应用带来不便，比如对于一般330 kV变电站，依据有关规范条文，UPS输出端可以采用单母线接线，但这样对于需要配置双电源的调度自动化设备及其他站用设备负荷就无法实现双电源配电，或将在一定程度上影响电网、变电站的安全运行。

电网、变电站中调度自动化设备配置方式主要还是依据其所在系统所要求的可靠性来确定，要使该系统的运行可靠性得以实现，则必须有相应可靠的UPS供电系统与其相一致，否则电网、变电站调度自动化或厂站端监控系统的可靠性也难以实现。因此，建议在相关规范修编时，能依据电网、变电站的设备可靠性要求明确UPS的冗余方式。

6 结 语

UPS不同的冗余方式，其所能提供的供电可靠性不同，应用于电网、变电站中的UPS供电系统首先应当满足其调度自动化、监控等设备供电可靠性的要求。在各类规范、文件中应针对各类用电设备明确UPS的冗余方式，避免出现不相匹配的供电方式，确保电网、变电站/升压站各设备系统的安全运行。