UPS并联冗余系统在关键装置中的应用

徐乙天 普存毅

（云南云天化红磷化工有限公司）

云南云天化红磷化工有限公司（以下简称红磷公司）具有年产107万吨硫酸、44万吨磷酸、8万吨合成氨和90万吨高浓度磷复肥的生产能力，分散控制系统 （Distributed Control System，DCS）等自动化系统已覆盖了公司的所有生产装置。 目前公司在线运行的DCS有30余套， 安全仪表系统（Safety Instrumented System，SIS）2套。由于化工生产的特点，对DCS、SIS运行的可靠性、稳定性提出了极为严格的要求，而高品质的电源系统是确保这一要求实现的前提条件［1］。 不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS） 的选用和配置是一个关键。 红磷公司DCS基本上都采用UPS单机供电方式， 由于运行工况等多方面的原因，UPS故障频发。

1 UPS的作用及事故案例

1.1 UPS的作用

UPS的作用如下：

a. 滤波、隔离功能。 滤除瞬间闪断、谐波及电压噪声等干扰，给负载提供纯净的电源，同时UPS本身及负载特性不对电网及其他设备产生影响。

b. 稳压、稳频功能。 当市电电压和频率发生变化时，UPS提供给负载的电源保持电压和频率的稳定。

c. 不间断供电功能。UPS带有蓄电池组，市电正常时对电池组充电蓄能，当市电突然中断时给负载持续供电一段时间以保护负载。

1.2 UPS故障案例

UPS故障案例如下：

a. 某年11月29日02：40，5#硫酸UPS故障，DCS供电中断， 恢复投用的UPS于06：00再次出现故障，工艺系统在一个操作班内两次紧急停车。

b. 某年4月27日22：30，2#磷酸UPS故障，DCS供电中断， 因多套装置共用一套DCS， 使1#、2#磷酸，1#、2#浓缩及2#磷铵装置紧急停车， 损坏I/O模块2块， 恢复投用的UPS于次日01：50再次出现故障，装置又紧急停车。

c. 合成氨装置曾在2年时间内，因UPS故障导致装置9次紧急停车，损坏I/O模块、系统部件累计数十台/件。

2 UPS单机供电方式存在的不足

2.1 UPS单机供电方式

合成氨装置为红磷公司A类关键装置， 主要包括气化和联合两个工段，DCS配置两个控制站，UPS单机配置及供电系统如图1所示。

图1 UPS 单机配置及供电系统

2.2 存在的不足

2.2.1 使用可靠度低

高可靠性实际上就是要求UPS能长期稳压、稳频、不间断地供电，因此，尽管UPS主机在出厂时经过了各种测试，但无论设计得再好、选用多么可靠的电力电子元器件， 一旦投入工况运行，总会出现故障［2］。 单机供电的实际使用可靠度RU可用下式表示：

式中 K——修正系数；

RS——固有可靠度。

在合成氨装置UPS故障频发的时段内， 不利因素首先来自恶劣的现场环境，气化工段主要是粉尘和含硫的腐蚀性气体，联合工段主要是含氨的腐蚀性气体。 在红磷公司其他装置同时投用的同型号UPS正常情况下可使用5年，而用在气化工段只能按1.5年考虑，则K为0.3，即实际使用可靠度只有其固有可靠度的0.3倍， 联合工段按2年考虑，则K为0.4。

由于合成氨生产的连续性很强， 而两UPS在逻辑上构成了串联系统， 只要有一个UPS发生故障，系统就会发生故障。 串联系统的可靠度是各串联子系统可靠度的乘积， 如两个控制站供电UPS为同时投用的同一型号， 则RU=RS×0.3×0.4=0.12RS，若RS取 值 为0.95［3］，则RU=0.12×0.95=0.114，比单台UPS的固有可靠度降低了88%。这也是工程实际中无论选用哪一个型号的UPS或是定期更换UPS，也不能够满足生产需要的根本原因。

2.2.2 可维护（修）性低

对现代大型化工生产而言， 要求即使UPS故障也不能影响装置正常运行，对采用单机供电的系统来说是很难满足的。 气化工段新更换一套UPS，投运8个月后便出现隐患，这种情况下即使有同型号的备机，装置也须停车才能更换，且再次更换后的新机也不一定能满足生产运行需求，可维护（修）性无从谈起。

2.2.3 UPS故障造成的危害大

由于UPS处于DCS等自动化系统电源的前端，一旦出现故障，其所带负载全部失电。 从已发生的UPS故障来看， 每次故障均使装置非计划紧急停车且无任何先兆。 合成氨装置不只一次出现过由于UPS故障致使工艺系统紧急停车， 重新开车后工艺系统运行不正常，最后不得不停车检修的案例。如UPS故障时电源切换到旁路，即由电气专业来的电源直接为DCS供电， 由于电源品质和各DCS的差异性，会导致部分型号DCS部件损坏。在1.2节案例b中，UPS二次故障后， 切除UPS而由电气专业来的220 V（AC）电源直接为DCS供电，结果导致一天内多个系统设备和I/O模块损坏，使装置多次停车，对系统的危害无法评估。

3 UPS并联系统及要求

3.1 并联系统的可靠度

并联系统中只有全部子系统发生故障时，系统才出故障，并联系统模型如图2所示。

图2 并联系统模型

并联系统可靠度RP可用下式表示：

其中，（1-R1），（1-R2），…，（1-Rn）分别为各子系统发生故障的概率。

如果并联系统中各子系统的可靠度均为r，则RP=1－（1－r）n，即并联的单元越多，可靠性越高。但随着并联子系统的增多， 系统硬件和投资将增加，结构变得复杂。当r＞0.9、n＞2时，增加并联子系统对提高系统可靠度的贡献并不显著，因此实际工程中常选用n=2的并联子系统［4］。

3.2 UPS并联运行的技术要求

UPS并联，实质上是UPS中逆变器的并联，由于所有UPS的输出阻抗不可能一样， 加之各逆变器的输出电压和市电电压锁相都具有正负误差，各UPS的电压既有相位差又有幅值差，因此，不能用普通的UPS直接并联。 只有具备并联功能的UPS才能并联，并联必须满足以下3个条件［5］：

a. 每台UPS输出的相位和幅值相同，以确保2台UPS之间无破坏性的环流产生；

b. 2台UPS并联后，每台UPS的输出电流均为总负载电流的一半，如是N台并联则为1/N；

c. 当并联系统中任何一台的逆变器出现故障时，均不能将本身的负载单独转到旁路，而是将负载分配到与其并联的其他UPS上， 只有并联系统中所有UPS的逆变器都停止工作时， 才能集体转到旁路上。

4 9155 UPS并联冗余系统及运行效果

4.1 9155 UPS的技术特点

9155 UPS是美国伊顿爱克赛电源国际公司推出的三进/单出中小容量功率的双变换在线式不间断电源。大部分具有并联功能的UPS，并联控制方式以主从控制或分散逻辑控制为主。 9155 UPS则可实现无互联线独立并联控制［6］。 无互联线控制技术不仅方便后续的运行维护，还可保障并机系统长周期安全稳定运行［7］。

采用独特的“热同步”并机技术［8］。 并机时各UPS单机间无需通信电缆连接， 不需要互相获取对方实时的输出频率、相位、电压及电流等参数信息，就能达到相互锁相同步、均分负载电流的目的。 并机系统中的各UPS采用“直接数字合成”和“自适应调控”技术，智能、同步跟踪调整到最佳状态， 实时动态地调节所带的负载百分比，实现高精度的负载均分， 使故障UPS从并机系统中快速、可靠地脱机。 并机系统的均流不平衡度在1.5%～2.0%以下。 两台UPS均独立工作，无主从关系。 当一台UPS的输入电源发生故障时， 另一台UPS输出电源可对这台故障UPS电池进行充电，从而确保电池组处于满充状态。 9155 UPS可以实现4台单机并联运行。

采用ABM型智能化“三阶”式电池充放电管理系统，可实施间隙式电池管理和实时电池监控，不仅可及时向用户提供电池组的工作状态和故障信息，更可有效延长电池50%以上的使用寿命。

4.2 9155 UPS并联冗余系统的投运

采用2台15 kVA的9155 UPS组成双机并联冗余系统，集中为合成氨装置DCS两个控制站供电，双机并联供电系统如图3所示。

图3 9155 UPS 双机并联供电系统

为最大限度地改善工况运行环境对UPS的影 响，单独为并联系统配置了机房和空调系统。 需要注意的是：并联UPS旁路相线必须取自同一相。在工程实际应用中并机卡和通信线应配置为最优，以便并联系统具有更好的故障清除能力与运行可靠性。 通过QF1等开关可以方便地隔离UPS，维护检修后能快速并入系统。

4.3 9155 UPS并联冗余系统的运行效果

并联系统投运后的第5个月，出现单台UPS电池开关（带线圈）跳闸、相应的单台UPS从并联系统中脱机停运的情况， 但并联系统的供电正常，DCS的运行没有受到影响。通过分析与检查，电池开关跳闸的原因是一个远程关机参数设置不合理所致，重新设置参数后，并机系统再没有出过类似情况。

在合成氨装置的应用中， 并联系统可安全、可靠地自动隔离故障单机。 新机设置参数后，在工艺系统正常开车的情况下也可安全完成并机。通过对比：同型号、同时投用的电池状态也比应用于其他型号UPS上的好，电压均衡，电池组的寿命明显延长。 多次在线安全更换存在隐患的单只电池。 并联系统能在外部供电中断时为DCS提供更长的供电时间，这对于SIS、安全装置的持续供电尤为重要。 针对UPS工程应用中可能出现的多种典型情况进行多次测试，并联系统均表现出了优越的性能。

5 结束语

现代化工生产装置越趋大型化、 复杂化，对UPS提出的要求更高，甚至较苛刻，因此，为提高UPS供电的稳定性和可靠性， 避免UPS故障给生产带来损失或安全隐患， 工程中除改善UPS运行工况环境、选用高性能UPS外，最适宜的解决方案就是选用合理、适当的UPS并联冗余运行方式。红磷化工在多套关键、 大型装置DCS上投用的9155 UPS并联冗余系统均表现出了优越的性能和良好的工程应用效果，在供电方面为公司安全生产提供了坚实的技术支持。