潘家口水电厂UPS电源系统改造及应用研究

赵丁叶

（海河水利委员会引滦工程管理局，河北 迁西 064300）

计算机监控系统提供了重要的电厂设备监控平台，负责整个电厂的运行协调以及调度，是电力系统安全运行的重要保障，可见计算机监控系统的可靠稳定运行至关重要。除了要求系统本身稳定之外，其配套的UPS 电源系统也必须具有很高的可靠性[1]。因此，需针对现有的UPS 电源系统的缺陷提出切实可行的升级改造计划，补齐短板，建立更加稳定高效的UPS 电源系统，为水电厂计算机监控系统提供稳定可靠的备用电能。本文以潘家口水电厂为研究对象，提出满足其计算机监控系统运行要求的UPS电源系统改造方案，并探讨方案的应用情况，验证方案的可行性。

1 计算机监控系统介绍

潘家口水电厂计算机监控系统硬件包括工作站、上位机、现场控制单元LCU3和LCU1等，系统软件采用南瑞公司的Nariacc。上位机、工作站以及1#机组控制单元LCU1于1999年开始使用，公用设备控制单元LCU3于2001年开始使用。LCU1、LCU3的控制核心均为MODICON 的984-685 系列PLC，负责获取并处理I/O 信号并控制信号输出，工控机的作用是实现与其他设备的通信以及与监控网络分享数据。

2 计算机监控系统供电电源

潘家口水电厂监控系统供电系统包括UPS电源系统、现场控制单元（Local Control Unit，LCU）电源系统。UPS 电源的负载来自厂控层设备、GPS 时间同步系统、以太网交换机以及机组功率变送器的交流电源。现场控制单元则由各LCU 的电源构成，负载来自LCU 机柜中的AK1703 自动传输模块、继电器、机架等设备[2]。

2.1 LCU电源系统

LUC电源系统包括直流220 V电源和交流220 V电源，均与LCU 机柜中的供电模组联通后提供24 V直流输出，实现LCU 的持续供电。LCU 电源系统的输入电源配有继电器，并与计算机监控系统连接[3]。如电源供电中断，计算机监控系统报警，其中一路电源故障，供电模组仍能正常输出，因此LCU 供电系统可以确保现场控制层的不间断供电。

2.2 UPS电源系统

潘家口水电厂计算机监控系统的UPS电源系统由2 组电源UPS1 和UPS2 组成，2 组电源互为备用，其输入端主电源、辅电源均为水电厂的监控系统、控制装置、交换机、路由器等设备供电，其对运行可靠性要求很高，源于同一母线，通过隔离变压器提供220 V AC 电源。但在实际运行中，两组UPS 电源采用手动切换，且输入端电源都来自同一母线段，导致系统存在以下问题。

3 原有UPS电源系统存在的问题

3.1 交流进线电源不可靠

由于系统投运前的设计、安装、调试存在种种问题，导致改造前计算机监控系统UPS 电源系统存在缺陷，无法为水电厂监控系统提供可靠的电力支持。①若配电箱电源母线失电将导致全部的UPS电源失电；②若UPS1 主路、旁路均故障，不能无缝切换到UPS2，只能短暂停电后手动切换，这对于需要不间断电源的计算机监控系统来说是不可接受的；③2路UPS电源电池容量不足，若输入电源断电，UPS无法做到持续稳定供电；④UPS 交流进线电源来自同一个动力柜，且柜内还连接了很多辅机电源、通风空调系统电源、门禁系统电源等，导致UPS电源易受其他系统电源短路、接地的影响，失电风险大。

3.2 未配备专门的蓄电池

UPS 电源系统未配备专门的蓄电池，其直流电源来自厂用直流电，而厂用直流电系统同时为调速器系统、励磁系统等其他系统供电，若UPS交流电源失电，无法确保直流电源长时间稳定供电。

3.3 供电电压不符合要求

投入运行时，UPS电源系统主机接地不正确，输出端交流电压L 端为110 V，N 端为-110 V，无法满足设备稳定供电标准，曾有主机服务器主板由于电压问题被烧坏。

4 潘家口水电厂UPS电源系统改造及应用

针对原有UPS 电源系统存在的问题，基于电厂设备不能停机、相关操作不能中断的现实要求，提出对整个UPS 电源系统重装改造的方案，将计算机监控系统中所有设备的负载转移到新的UPS 系统，以彻底解决存在的问题。经过改造的UPS电源系统结构，如图1所示。

图1 改造后的UPS电源系统框架

4.1 UPS电源选型

遵循可靠稳定、操作简便、安全性好的选型原则，选用20 kVA 高频UT 系列工业型UPS 构建双机并联冗余UPS电源系统[4]。

4.2 UPS电源系统改造

2 个互为备用的UPS 电源构成并联冗余UPS 电源系统，包含1 个20 kVA UPS 旁路隔离稳压柜、1 个输出配电柜。为提高并联冗余的UPS1、UPS2 电源的可靠性，均通过以下3 路供电：①380 V 交流主电源来自400 V 厂用电5D、6D 配电盘（可自切换）；②380 V旁路电源取自5D配电盘；③直流电源220 V来自地面直流系统的直流母线。

4.2.1 双机冗余运行模式

UPS 并联冗余系统应为双转换式UPS，其运行方式为2 台UPS 电源并联运行时平均分担负载，实现即时切换[5]。当主电源UPS1 在线工作时，2 台电源UPS2、UPS1 并联运行，均分负载。假设任意UPS1 或UPS2 因各种原因停止工作，则另一台UPS电源将无缝切换为主电源，为全部负载供电，确保输出电压不发生明显波动。计算机监控系统和二次保护系统等关键负载无需断电停机。并联冗余UPS电源系统的运行状态指标为：当负载率在0～100%波动时，输出端电压波动不超过±2%，同时电压恢复正常的时间只需1 ms。

4.2.2 硬件冗余及特点

（1）处理器冗余。UPS 的静态旁路、整流器、逆变器由3 个独立的CPU 控制，弥补了单处理器在运行速度和安全系数方面的不足，大大提高了系统的运行稳定性[6]。

（2）电源板冗余。UPS 电源系统的关键器件均配备独立电源，因此，需冗余电源板提供冗余直流辅助电源，具有高度的容错性，可以让每个控制电路板发挥作用。电源板的输入是逆变器的电源输入、直流和旁路电源的输入和逆变器的输出，以确保UPS电源系统能够保持长期稳定运行。

（3）接口冗余。静态旁路、整流器、逆变器都有自己独立的通信接口板。接口板之间采用控制器局域网网络总线技术，大大提高了数据传输的速度和准确性[7]。

（4）控制方式。UPS 电源系统采用CAN 总线控制模式，克服传统控制模式存在的数据包传输延迟、瞬时错误、丢失等问题，特别适用于对系统运行稳定性要求很高的UPS电源工作场景。

（5）人机界面设计。UPS 电源系统的触摸屏实时动态呈现模拟运行图，系统相关运行参数也可实时呈现，方便用户读取、设置。当UPS电源改变工作状态、工作不正常或出现故障时，系统都有历史记录，维修人员可以通过历史记录识别故障细节。

4.3 UPS电源单机运行方式

4.3.1 主电源供电模式

UPS 主电源供电模式用于为整流器供电，并将交流电压转换为直流电压，还可以对UPS电池组充电，确保电池组的电能充足[8]。UPS输入端直流电源取自地面直流系统，为配备UPS充电电池组，因此无需将直流电压加载到直流系统中。将直流电压转换为稳定的正弦交流电压输出，为负载供电，如图2所示。

图2 主电源供电模式

4.3.2 主电源故障供电模式

当UPS 电源系统正常工作时，在主电源运行不正常的情况下，系统自动切换为地面直流系统供电，以确保逆变器的正常运行，将直流电压转换为交流电压输出，提高UPS 电源并联冗余运行模式的稳定性，如图3所示。

图3 主电源故障供电模式

4.3.3 逆变器故障供电模式

若主电源、地面直流系统均不能正常运行，则UPS 电源系统将自动切换为静态旁路开关电路，由旁路电源供电。若逆变器故障或过载，则在UPS 电源系统供电前提下将负载转移到静态旁路开关电路[9]，然后通过晶闸管开关向负载电路供电。若逆变器输出电压保持在允许范围内，则负载电路在UPS 电源系统供电的情况下自动切换为逆变器供电，保证UPS电源系统供电的稳定性，如图4所示。

图4 逆变器故障供电模式

4.3.4 检修供电模式

若UPS电源系统需维修，则断开逆变器后，手动闭合开关Q29，切除静态旁路开关电路，直接给负载提供旁路交流电，确保负载正常运行，同时实现UPS电源系统的检修，如图5所示。

图5 检修供电模式

4.4 UPS电源系统的应用效果

UPS 电源系统改造后，在负载电源输出端连接录波装置，测试UPS电源的自动切换即交流电源、直流电源和旁路电源的切换，并用录波装置输出波形。自动切换断开交直流输入电源时，UPS 电源系统的输出电压在±2%以内波动，恢复时间不超过1 ms，可以满足计算机监控系统的运行要求。

相较于改造前的UPS 电源系统，改造后的UPS电源系统在可靠性和稳定性方面具有很大优势，大大提高了计算机监控系统的运行稳定性。近1 a 的实际应用显示，UPS1 和UPS2 的负载率分别为9%、11%。并联冗余UPS 电源系统整体运行可靠，双机切换无故障，变频器无断电，可以有效确保计算机监控系统等自动化系统设备的稳定运行。

5 结语

综上，UPS电源系统对于水电厂计算机监控系统的稳定运行尤为关键。基于原有UPS电源系统的运行问题提出相应的改造方案，采用双机并联冗余运行模式，对其输入输出端电源来源进行优化，提高了UPS 电源系统的可靠性，为水电厂UPS 电源系统的改造提供了可供借鉴的思路。