一种仪表供电的新方式——直流高压供电

邢勐，叶向东

(1. 中国石油化工股份有限公司 炼油事业部，北京 100728；2. 中国石化工程建设有限公司，北京 100101)

石油化工工业是典型的流程工业，工厂中的仪表及控制系统是工艺过程运行的关键设备，仪表及控制系统的供电(以下简称仪表供电)不可须臾中断。而供电系统由于电网波动、负荷变化、线路故障、设备故障、检查维修等原因会发生供电系统故障而中断供电，导致仪表供电的中断。为了减少供电系统断电对仪表供电的影响，仪表供电通常采用静止不间断电源(UPS)作为保障供电的设备。但是，UPS也会发生故障，从现场的应用情况来看，主要是UPS逆变部分的故障。如果能采用直流高压供电系统代替UPS供电，则可以避免逆变部分的故障，提高供电质量。

1 仪表供电的现状

由于仪表供电的中断会引发工艺过程的失控，导致停工停产的巨大经济损失，甚至引起爆炸、火灾、有毒介质扩散、设备损坏和人员伤亡等重大事故和灾害。当发生供电系统停电时，为能紧急处理事故、及时停止工艺过程、保护重要设备、采取防灾减灾措施，需要对仪表及控制系统维持一段时间的供电，使控制系统能够在紧急情况下有效运行及发挥作用。

根据石油化工工厂工艺过程连续生产的性质和仪表及控制系统用电的需要，以及SH/T 3082—2019《石油化工仪表供电设计规范》的规定，仪表及控制系统供电采用电力供电负荷规定的一级负荷中特别重要的负荷，并采用UPS供电[1]。一级负荷是最高等级的供电负荷，而特别重要的负荷还要配备应急供电设备，UPS就是其中的一种，是适合控制系统维持一段时间连续供电的常用设备。

2 采用UPS供电的原因

石油化工工厂的控制系统主要采用以计算机、微处理机、网络设备为基础的分散型控制系统、程序控制器、计算机服务器、智能仪表等控制设备[2]，由于这些设备断电停止运行后，再启动时不能自动返回到断电前的工作状态，需要从操作系统开始启动，再启动控制系统程序和应用软件，有一个过渡过程，并且常常需要人工引导到正常的工作状态，即使是瞬间断电也是这样。有些采用微处理器和微程序控制器的单体仪表也具有类似特性。

为了减少和避免短时间或瞬间断电导致的控制系统再启动，就需要采用UPS。在供电系统断电或瞬时跌落时利用UPS中的蓄电池逆变成与电力供电系统低压供电的220 V(AC)的供电规格，持续不间断地向仪表及控制系统供电。这种供电方式是目前最常用的供电方式[3]。

3 采用直流高压电源的根据

交流供配电系统的优点是可以方便地采用变压器变换电压。工业中广泛采用的中小功率交流电机、工业及民用照明几乎全部采用低压交流(电气对220 V(AC)的称谓)供配电系统，所以交流供配电一直是工业及民用供配电系统的主要供电方式。但交流供电的缺点也是明显的，电网和用电设备的谐波电流经常影响电能质量，交流供电的无功功率增加了供电设备的负荷，所以许多大型交流用电负载需要配备功率因数补偿设备，增加了交流供配电的复杂程度和配套设备数量[4]。

由于直流电压的有效值就是供电电压，没有周期波动，瞬时值就是平均值，电能质量高。直流供配电和用电设备负荷用电没有无功功率，电能输送损耗小，可以方便地与电池并联使用，比交流供配电具有特殊应用的优势。由于直流系统的优点，使用也很广泛，典型应用领域有： 电力行业直流输配电、轨道交通和电力机车供电及其信号系统、光电发电和风力发电的原始发电系统、通信行业等。

石油化工行业也有直流电的应用，由于石油化工工厂电力供配电系统的信号设备、继电保护、自动装置、事故照明等很多用电设备都是采用直流电，供电采用一种直流供电设备——直流屏提供直流电源。

直流屏是一种整流电源设备，将交流电整流成为220 V或110 V直流电，并采用蓄电池直接并联在直流供电线路中作为后备电源，实现直流不间断供电，在外部供电中断的情况下由后备电源(蓄电池)继续供电[5]。直流屏只有整流设备，没有UPS的直流—交流逆变部分，减少了故障率较高的设备部分，所以直流屏的可靠性、可用性都比UPS设备好，维护和检修也比较方便和容易。

如果能采用直流屏供电，就能取代UPS设备，但这与交流用电设备的供电形成矛盾。虽然仪表内部用电是直流电，但外部供电都是采用交流供电的，若采用直流外部供电就必须解决用220 V(DC) 代替220 V(AC)供电的问题。

4 直流电源供电的分析

由于仪表内部用电均为半导体分立元件或集成电路用电，所以是半导体器件级别的专用低压直流用电。根据电路器件的用电规格，需要±3.3 V，±5 V，±6 V，±12 V，24 V等专用低压直流电压[6]，有的还有其他电压等级，但都是从电气供配电系统的220 V(AC)变换成所需要的专用低压直流电压。

仪表有现场检测仪表和控制室信号处理仪表之分，现场仪表用电有两种电压规格： 一种是220 V(AC) 直接供电的单体仪表；另一种是24 V(DC)供电的仪表，是通过控制室的直流电源装置或控制系统提供电源的，大多数仪表的供电是该方式。

电源变换有两种变压方式： 一种是将220 V(AC)通过直流电源装置变成24 V(DC)作为通用直流供电，再由用电仪表内部变成需要的低压直流电压，常用于24 V(DC)供电的变送器、测量仪表、某些品牌的分散控制系统、可编程控制器、数据采集与监控系统(SCADA)等；第二种是由用电仪表将220 V(AC)直接变换成内部所需要的低压直流电压，常见于某些品牌的分散控制系统、可编程控制器、220 V(AC)直接供电的单体仪表[7]，如： 某些分析仪、雷达液位计、电磁流量计等。

所以，采用直流屏代替UPS为仪表系统供电只需要解决220 V(AC)电源端采用220 V(DC)电源的问题即可，后端的24 V(DC)等的专用低压直流用电是完全一样的。

电压变换有两种技术： 一种是传统的变压器电源技术，直接将220 V(AC)变压、整流、稳压、滤波成需要的低压直流电压，优点是可靠性高，缺点是体积大、质量大、发热量高、对供电电压的适应性差；另一种是开关电源，先一次整流后采用晶体管开关一次降压并变成高频交流，用隔离变压器二次变压，再经过二次整流、稳压、滤波成需要的低压直流电压，优点是效率高、体积小、质量小、发热量低、对供电电压的适应性强。其实开关电源并不是没有变压器，只是采用高频变压器进行变压并实现电磁隔离，这也是开关电源优点明显的原因。开关电源还有一点与传统的变压器电源装置不同的是既可以输入交流电，也可以输入直流电。

现在这两种电源技术都已经很成熟了。由于开关电源的优点比较明显，绝大多数仪表电源电路都采用开关电源技术，除了少数特殊应用以外，已经很少见到传统的变压器电源了。

仪表系统还有一种设备就是计算机设备，有各类台式机、服务器、交换机、打印机等，除一些交换机有24 V(DC)供电外，都是直接采用220 V(AC)供电的。

查阅设备样本可知，多数品牌直流电源装置的常用仪表电源都有输入电压为单相100～240 V(AC)兼容110～250 V(DC)的规格[8]，也就是说，仪表现在用的直流电源装置既可以用交流电，也可以用直流电，电压适用范围包括110 V和220 V两个电压等级。以某品牌的产品为例，电压输入范围为： 85～264 V(AC)或80～370 V(DC)。220 V(AC)直接供电的单体仪表的供电规格多数也可以采用交直流两种供电方式。

计算机和服务器等设备的供电已经全部采用开关型直流电源装置，有ATX和SSI两种电源标准[9]。ATX标准使用较为普遍，主要用于台式机、工作站和低端服务器；SSI标准适用于各种档次的服务器。

ATX和SSI两种开关电源均适用于交流供电和直流供电，虽然有的计算机标牌上只标明220 V(AC) ，50～60 Hz，但ATX和SSI两种开关电源的标准就是交直流两用的，实际测试也证明了这一点。

通过分析常用直流电源装置、ATX和SSI开关电源的电路可知，各种常用开关电源的设计原理和电路大同小异(电路图略)。现在的仪表及控制系统绝大多数采用可以交直流两用的电源设计，基本上具备采用直流屏供电的条件。

5 控制系统直流高压供电的方案

等同于交流供电的一级负荷中的特别重要负荷，采用UPS供电的方案，直流屏的交流供电也采用一级负荷，并采用蓄电池作为应急电源。由电气提供两路直流220 V供电线路，到仪表直流配电柜，不再使用UPS。直流电源装置、计算机设备、分散控制系统、各种可编程控制器等所有能够采用直流高压供电的仪表设备均直接从直流配电柜用电。

鉴于可能会有少量仪表不能直接使用直流220 V电源，仍然需要配备一对小容量的UPS(一般石化装置不会超过总用电量的5%)。

不能使用直流220 V的可以离线的设备(如： 打印机)等采用市电。

火灾报警及联动系统仍然采用原来的专用电源系统。

虽然直流屏也有24 V(DC)的供电规格，但由于24 V电压较低，相应的电流较大，不能用于十几米以上距离较大容量的送配电，并且计算机设备不能使用24 V(DC)的电源，所以不能采用这种供电规格的方案。

6 直流高压供电的注意事项

在采用直流高压供配电之前，应认真检查每一种仪表的用电规格，区分可以直流220 V供电的和不能使用直流220 V供电的仪表。

认真检查各种型号计算机及网络设备的用电规格，将机柜内的风扇和照明用电等所有220 V(AC) 用电的设备分离，采用市电供电。如果是20年前的控制系统，不能确定能否使用直流高压供电，则不能采用直流屏供电。如果是新购设备，在系统订货时就应当明确采用直流220 V供电，以提供确定性方便。

确认每一型号的直流电源装置是可以使用直流220 V供电的，新购置的设备，在系统订货时就应当明确采用直流220 V供电，以提供确定性方便。

由于直流配电设备与交流的不一样，所以，所有用于直流220 V的断路器、配电器、熔断器、配电开关、空气开关等设备和部件应全部采用直流220 V的规格[10]。直流24 V的配电设备不变。

7 结束语

采用直流高压供电设备——直流屏提供直流高压电源代替UPS为仪表及控制系统供电是一种新型的供电方式，简化了供电设备，没有了直流—交流逆变部件，提高了电源质量及仪表供电的可靠性和可用性，便于维护和检修，使仪表供电设备对供电系统更宽容。开关电源技术的成熟和普及为仪表供电提供了技术条件，现在的直流电源装置、计算机内电源装置、控制系统电源模块全部采用宽电压范围、交直流兼容的开关电源技术使大多数采用220 V交流供电的控制系统可以直接采用220 V直流供电，为直流高压供电系统提供了基础条件。

中石化旗下某企业的供电试点装置采用直流屏直接为仪表及控制系统供电，取消了UPS，已经运行了一年多，取得了很好的效果。

从供电技术上、电源技术上、电源设备规格上、仪表供电实践等方面，都充分证明了石油化工装置采用直流屏为仪表及控制系统供电方案的优越性能，是值得推广应用的一种新型的仪表供电方式。