【摘要】
不間斷電源UPS（Uninterruptible Power Supply）廣泛應(yīng)用于通訊、電力、銀行、石油化工等大量使用計(jì)算機(jī)的行業(yè)，本文通過多年應(yīng)用實(shí)踐，介紹UPS系統(tǒng)單機(jī)運(yùn)、主從熱備份、雙機(jī)并機(jī)冗余幾種方式和優(yōu)缺點(diǎn)，以此提高UPS應(yīng)用水平，減少事故。
【關(guān)鍵詞】
UPS 單機(jī) 熱備份冗余 冗余并機(jī)
隨著石油化工行業(yè)儀表大量采用DCS控制系統(tǒng)，這些大型裝置操作的自動化水平越來越高，出現(xiàn)事故后損失也越來越大。因此，對DCS電源的要求也越來越高。目前，大部分DCS采用UPS供電，提高UPS供電的可靠性，是對我們提出的一大課題。本文旨在通過三相在線串聯(lián)式UPS在我廠生產(chǎn)裝置應(yīng)用的過程，介紹不同接線方式UPS對可靠性的影響。
一、 三相在線串聯(lián)式單機(jī)UPS系統(tǒng)基本組成和工作原理：
在線串聯(lián)式UPS一方面是一種備用電源。它在電網(wǎng)斷電或電壓波動出現(xiàn)時(shí)，能夠不間斷的為負(fù)荷提供電源；同時(shí)另一方面它還具有電源凈化功能。能夠?qū)⒅T如：電壓浪涌、電壓尖峰、電壓瞬變以及噪聲電壓等過濾掉，保護(hù)所帶負(fù)荷正常工作。一套在線串聯(lián)式UPS系統(tǒng)基本組成由整流器、逆變器、蓄電池組和靜態(tài)自動旁路和手動旁路開關(guān)五大部分組成。UPS一次系統(tǒng)圖如圖1：
圖1 各部分工作原理及功能：
1、自動靜態(tài)旁路開關(guān)
自動靜態(tài)旁路開關(guān)是由可控硅等電力電子元件組成。從原理上講它相當(dāng)于一個(gè)單刀雙置的開關(guān)。靜態(tài)自動旁路在控制上保證逆變器和旁路電源之間自動切換特點(diǎn)是“先合后斷”，以此保證向負(fù)荷供電不間斷。
正常運(yùn)行狀態(tài)，靜態(tài)開關(guān)投合在逆變器側(cè)。當(dāng)逆變器故障或輸出過載自動靜態(tài)旁路開關(guān)投合在旁路交流電源側(cè)由市電供電，逆變器故障UPS會發(fā)出報(bào)警信號，如果是由輸出過載引起，則過載消失后，自動靜態(tài)旁路開關(guān)重新切回逆變器側(cè)。當(dāng)負(fù)載短路時(shí)，保護(hù)電路就會很快關(guān)斷逆變器，這時(shí)自動靜態(tài)也不會轉(zhuǎn)換到市電，短路消失后逆變器會重新自動啟動，恢復(fù)供電。UPS正常運(yùn)行的跟隨特性（即旁路鎖相）是：如果旁路電源電壓、頻率和相位在容限范圍內(nèi)，則UPS輸出電源的電壓、頻率將跟隨旁路電源（市電）而變化，這時(shí)也允許手動進(jìn)行逆變器和旁路供電方式互相切換；如果旁路電源電壓、頻率在容限范圍之外，UPS自動轉(zhuǎn)由蓄電池組工作，輸出電源將以UPS自身設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)電壓、頻率運(yùn)行。因此，UPS對電源適應(yīng)范圍的容限是衡量UPS系統(tǒng)可靠性的重要指標(biāo)，一般設(shè)備指標(biāo)電壓在額定值的+（10~15）%，頻率在額定值的+（5~10）%。
2、手動旁路：手動旁路是接于旁路電源和逆變器輸出之間的開關(guān)，它可以隔離逆變器輸出和自動旁路，作為UPS維修和測試時(shí)不間斷負(fù)載供電的設(shè)備。UPS一些機(jī)型如梅蘭日蘭已經(jīng)做在了機(jī)器內(nèi)部，有些機(jī)型需另加這一回路。需要注意的是：只有UPS工作在“靜態(tài)旁路電源側(cè)”才能手動合“手動旁路” 開關(guān)。
3、整流器：將不穩(wěn)定的三相交流市電電源整成直流的設(shè)備。整流后主要作為逆變器電源，同時(shí)提供給電池組作為浮充或均充電源。
4、 逆變器：將整流器或蓄電池送過來的直流逆變?yōu)镾PWM波形的交流電在經(jīng)濾波、變壓等環(huán)節(jié)變成高質(zhì)量的三相交流電源輸出。
5、蓄電池組：蓄電池組是UPS系統(tǒng)的關(guān)鍵，平時(shí)由整流器整流的直流浮充工作。當(dāng)交流輸入失電或電網(wǎng)電源質(zhì)量超標(biāo)，將自動由蓄電池組提供直流電源經(jīng)逆變后不間斷送向負(fù)載。因此，蓄電池組性能的好壞直接影響UPS發(fā)揮作用。
二、 單機(jī)UPS系統(tǒng)在我廠的應(yīng)用及問題對策
我廠從1993年隨著DMT裝置儀表改型為DCS系統(tǒng)時(shí)，配套引進(jìn)了一臺梅蘭日蘭公司的EPS2000型UPS開始，到目前為止共使用過梅蘭日蘭EPS200、GALAXY PW、SIEMENS S系列、POWERWARE 9315等10多臺不同品牌和型號的UPS，主要給裝置儀表、火警等重要工業(yè)負(fù)荷供電。在使用過程中也曾發(fā)生多次故障，進(jìn)行過多次改進(jìn)。
1）故障統(tǒng)計(jì)
對我廠UPS使用中故障統(tǒng)計(jì)見下表：
2）故障原因分析及對策：
從上表可以看出，電池故障是UPS故障的主要原因。由于其他幾項(xiàng)都可以依靠UPS完善的報(bào)警系統(tǒng)和日常巡檢來及時(shí)發(fā)現(xiàn)和處理。因此，電池一直是UPS維護(hù)的重點(diǎn)內(nèi)容。
中小容量的UPS系統(tǒng)采用的電池大部分單體為12V鉛酸免維護(hù)電池（大容量電池為2V），一套UPS系統(tǒng)按照機(jī)型由35—46塊不等的單體電池串聯(lián)組成，每一塊電池的性能好壞將影響整組電池發(fā)揮作用。因此對整個(gè)電池組來說，隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，容量最小電池將決定著整組電池的容量。
正常運(yùn)行時(shí)對鉛酸免維護(hù)電池應(yīng)該做到以下幾點(diǎn)：
?。┘纯赡苁闺姵靥幱诃h(huán)境溫度保持在20℃--25℃。
?。。┒ㄆ冢?個(gè)月—半年）對電池進(jìn)行活化治療性放電，即用20時(shí)放電率放至10.8V，然后充足電再用。
因此，在電池使用方面應(yīng)克服“免維護(hù)”就是不用維護(hù)的誤區(qū)，運(yùn)行期間也需要定期對電池放電維護(hù)。
3）單機(jī)UPS系統(tǒng)在我廠的應(yīng)用改進(jìn)。
單機(jī)系統(tǒng)UPS使用的關(guān)鍵在蓄電池維護(hù)上，維護(hù)的好就能在關(guān)鍵時(shí)刻發(fā)揮作用。多年來，我們都是通過每半年通過 “將UPS切到旁路電源供電后，利用假負(fù)載對電池進(jìn)行測試和活化放電”的方法維護(hù)電池。以此，延長UPS可靠運(yùn)行時(shí)間,保證在出現(xiàn)電網(wǎng)晃電時(shí)為裝置DCS系統(tǒng)提供了可靠不間斷供電保證。
4）單機(jī)UPS系統(tǒng)存在問題
在UPS放電維護(hù)期間，由于負(fù)荷是通過手動旁路（市電）電源供電，因此，存在以下問題：
！）負(fù)荷電壓與旁路電源電壓相同，不能保證指標(biāo)合格。
?。。┴?fù)荷不受保護(hù)。萬一旁路電源波動或停電，負(fù)荷將受到重大影響，特別是DCS等重要負(fù)荷出現(xiàn)掉電，間接造成生產(chǎn)裝置停車其經(jīng)濟(jì)損失巨大。
！?。。┯捎诙ㄆ诜烹?，特別是電池使用壽命末期，仍不能保證電池在關(guān)鍵時(shí)刻發(fā)揮作用。
根據(jù)以上問題，我們認(rèn)為單機(jī)系統(tǒng)在大型工業(yè)裝置中使用不是完備方案。
三、熱備份冗余系統(tǒng)在我廠的應(yīng)用
單機(jī)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是我們改進(jìn)的動力。我廠DMT裝置有兩臺梅蘭日蘭的EPS2000機(jī)型的UPS分別做為“儀表DCS 電源（30KVA）”和 “同步機(jī)勵(lì)磁電源（10KVA）”，并且均為單機(jī)系統(tǒng)。在1996年大修期間，我們根據(jù)DMT裝置這兩臺單機(jī)系統(tǒng)在同一工作地點(diǎn)的特點(diǎn)，考慮到EPS2000不具備冗余并機(jī)的特點(diǎn)，經(jīng)過技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，新上了一臺梅蘭日蘭GALAXY PW 30KVA機(jī)器，實(shí)現(xiàn)了熱備份冗余系統(tǒng)。其系統(tǒng)圖如圖2：
圖2 利用一臺后備機(jī)的輸出接于兩臺主機(jī)的旁路電源側(cè)，保證主機(jī)的旁路電源也是通過備臺UPS供電，經(jīng)過改造后，在對每臺機(jī)器的蓄電池維護(hù)時(shí)，只需將本臺機(jī)器手動切換到維修旁路，就可以對退出運(yùn)行的UPS進(jìn)行維護(hù)。由于3臺UPS有3組電池，不但提高了外部電源故障時(shí)的后備電池的供電時(shí)間，也減少了電池故障給負(fù)荷造成供電中斷的概率。解決了單臺UPS系統(tǒng)的缺點(diǎn)。經(jīng)過改造，在這套裝置因UPS問題造成裝置停車的問題基本得到解決。
筆者認(rèn)為：熱備份冗余UPS系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)對重要負(fù)載提高供電電源可靠性改造的較好的方案之一，這種配置適用于強(qiáng)調(diào)電源高可靠性和高可用性負(fù)載。有關(guān)資料顯示：如果單機(jī)的可用度為100%，熱備份冗余UPS系統(tǒng)的可用度提高為284%，因此，是不同機(jī)型或不具備并機(jī)能力機(jī)型提高可靠性的最好的解決方案。在現(xiàn)有單機(jī)型基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)只需購置一臺設(shè)備，就能達(dá)到目的，能夠降低采購費(fèi)用，減少資金浪費(fèi)，是較經(jīng)濟(jì)的方案。
熱備份冗余UPS系統(tǒng)雖然是不同機(jī)型或不具備并機(jī)能力機(jī)型提高可靠性的最好的解決方案，但不是UPS應(yīng)用最好的方案，它存在如下缺點(diǎn)：
?。┱＿\(yùn)行狀態(tài)，一臺主UPS在工作，另一臺備機(jī)UPS只提供主UPS旁路電壓，不提供電流，所以備機(jī)設(shè)備能力不能充分發(fā)揮。
?。。┴?fù)載側(cè)短路或過負(fù)荷是不可避免的，一般情況下，旁路電源的過載能力比逆變器過載能力大。雖然，增加了一臺UPS，但是，它接在主機(jī)的旁路電源側(cè)，在負(fù)載短路或過負(fù)荷時(shí)，最終還會出現(xiàn)由主機(jī)逆變器側(cè)到旁路側(cè)再到備機(jī)旁路側(cè)的自動切換，因此，增加一臺UPS沒能達(dá)到提高系統(tǒng)的過載的能力。
四、冗余并機(jī)技術(shù)在我廠的應(yīng)用
1）冗余并機(jī)技術(shù)接線方式及優(yōu)缺點(diǎn)。
隨著UPS技術(shù)發(fā)展，目前，UPS并機(jī)技術(shù)得到了應(yīng)用，有的機(jī)型不但可以實(shí)現(xiàn)2臺直接并機(jī)，甚至4臺或7臺UPS的增容并機(jī)。2臺UPS冗余并機(jī)的接線方式如下（圖3）：
圖32臺UPS冗余并機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是：
?。? 提高了系統(tǒng)的過載能力：是單臺UPS過載能力的2倍。
?。。?由于2臺或多臺UPS同時(shí)帶負(fù)荷，使機(jī)器利用率得到提高。
！?。。樨?fù)荷增加后，UPS增容帶來方便。當(dāng)負(fù)荷增加時(shí)，只需增加一臺或幾臺同容量的UPS并聯(lián)即可，實(shí)現(xiàn)模塊化增容并聯(lián)，不用整個(gè)推倒整體從新選擇大容量設(shè)備。
！v) 冗余并機(jī)UPS操作簡單、維護(hù)方便。
并機(jī)時(shí)應(yīng)注意的問題是：1）要選用的機(jī)器必須具備并機(jī)能力，機(jī)器為同一品牌同一容量。2）2臺UPS同時(shí)帶負(fù)荷，平均分擔(dān)相等負(fù)荷，這時(shí)要求負(fù)荷功率小于或等于單臺UPS的額定功率，當(dāng)一臺UPS故障，另一臺UPS能繼續(xù)供全部負(fù)荷，這種方式也叫1/2冗余度并機(jī)。
2）我廠新區(qū)UPS應(yīng)用解決方案。
我廠在20萬噸聚酯新區(qū)，BPX裝置采用了美國愛克賽POWERWARE 9315機(jī)型（380V三相），PTA裝置采用意大利CONVEREX FIM 40S（單相220V）機(jī)型分別向兩套裝置儀表DCS系統(tǒng)供電，在裝置建成中交時(shí)，我們就作為問題向上級部門請示要求并機(jī)，2002年作為裝置急需解決的33項(xiàng)問題之一，在大修中實(shí)現(xiàn)了并機(jī)。由于兩套裝置采用聯(lián)合控制室，考慮經(jīng)濟(jì)性，再加上美國愛克賽POWERWARE 9315機(jī)型（380V三相），在技術(shù)上采用無線并機(jī)不用并機(jī)控制板，因此，我們采用BPX裝置UPS并機(jī)，而PTA裝置UPS利用BPX裝置的并機(jī)作后備，采用熱備份冗余方式，減少了一臺UPS，僅需要采購一臺UPS，將兩套裝置UPS作成了一個(gè)較大的系統(tǒng)。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（圖4）：
圖4 由于PTA裝置UPS在旁路電源上由隔離變壓器，較好的解決了兩裝置電源混接的問題。通過上述改造，新區(qū)裝置DCS電源得到了保證，也為UPS維護(hù)提供了方便。
作者：
天津石化公司化工保運(yùn)站 周立宏
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