仪表供电系统UPS并机冗余隐患整治

张五一 王以平 王小晶

(中国石油玉门油田分公司炼化总厂)

仪表供电系统UPS并机冗余隐患整治

张五一 王以平 王小晶

(中国石油玉门油田分公司炼化总厂)

介绍仪表供电系统UPS的供电方式，分析仪表供电系统UPS并联冗余系统的特点与存在的隐患，介绍系统性冗余和设备冗余理论，提出将UPS并联冗余系统改为双机分段供电方式的技术实施方案。完成改造后系统一次性投运成功，催化、重整加氢、柴油改质、气分MTBE装置仪表供电系统UPS并机冗余可靠性符合炼化板块电气管理的相关要求。

仪表供电系统 UPS 双机并列分段供电 系统性冗余 设备冗余

中国石油玉门油田分公司炼化总厂仪表供电系统UPS的安全性直接关系到仪表控制系统DCS、ESD和SIS的安全，现场控制仪表的安全，工艺参数的平稳控制和生产装置的安全可靠运行。因此，笔者针对安全环保检查和审核问题清单中关于催化、重整加氢、柴油改质、气分MTBE装置仪表供电系统UPS并机冗余可靠性不符合炼化板块电气管理的相关要求，将这几套装置的双机冗余方式改为双机分段供电方式，以提高仪表供电系统UPS的本质安全。

1 仪表供电系统冗余方式

目前，中国石油玉门油田分公司炼化总厂仪表供电系统的冗余方式见表1。

表1 仪表供电系统冗余方式

2 仪表供电系统UPS并联冗余的特点与存在的隐患

为了提高仪表供电系统的可靠性，常将几台UPS并联连接。然而所有UPS的输出阻抗不可能都相同，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，导致各UPS的输出电压既有相位差又有幅值差，因此将UPS直接并联是危险的，只有具有并联功能的UPS才能并联。图1中将两台UPS的输出直接并联，这必须在原UPS的基础上增加并联板才能满足下列条件：相位和幅值相同，两个UPS之间无破坏性环流产生。

图1 UPS并联连接

仪表供电系统UPS并联连接的优点在于它不仅可以提高可靠性，而且多台UPS共同承担负载，过载能力强，平均无故障时间不少于50万小时，抗超载和抗负载短路能力强。在正常情况下，两台UPS各带50%负载，两台UPS的老化程度一致并可随时进行扩容，实现N+1并联系统，在线维护维修方便，因此该技术在UPS电源系统应用上是比较先进的一种并机冗余技术。

但是通过近年来的使用，UPS并联逐渐暴露出一些不足之处。从图1可以看出，在冗余并机系统中，UPS1和UPS2并机冗余后的输出是合并在一起的，通过主控室配电柜分配给控制器、I/O卡件、现场仪表和各操作站，导致UPS输出端存在“单点瓶颈”的隐患。即当其中一台UPS发生故障时，存在故障扩散和窜扰的隐患，严重时会出现宕机事故导致DCS和现场仪表的供电中断。因此，虽然UPS冗余并机系统提高了UPS自身的平均无故障时间，但并没有解决UPS冗余并机系统输入输出装置、供电线路等存在的问题，也不能解决UPS供电系统的可维护性问题。

3 仪表供电系统可靠性的影响因素

3.1 系统性冗余

系统性冗余的优点如下：

a. 保留了并联冗余和热备份UPS系统的全部优点；

b. 克服了并联冗余和热备份UPS系统的全部缺点；

c. 对于DCS系统，只有在UPS1、UPS2、市电1、市电2同时发生故障或者停电时才会失电，因此系统性冗余UPS配置方案的可靠性极高，平均无故障时间高达120万小时。

系统性冗余的缺点如下：

a. 当UPS系统的负载除了DCS系统外还有其他负载(操作站、交换机及报警器等)时，其他负载可直接接到UPS1或UPS2上，或根据具体情况分配到UPS1和UPS2上，但其他负载的供电系统无冗余保护；

b. 如果其他负载的供电系统必须具有冗余保护，则必须增加静态转换开关(STS)设备。

3.2 设备冗余

设备冗余是双机并联冗余系统，在某一系统中对于重要环节增加一台设备作为备用，而对于其他部分是没有冗余配置的。如，双机并联冗余UPS系统和双机热备份UPS系统均属于设备冗余。因为并联冗余和热备份仅有UPS主机和电池是冗余配置的，虽然互为备用，但并不完全独立。另外，其他配件如双电源自切开关、旁路隔离变压器、输入输出开关、配电盘及连接电缆线等均不是冗余配置。设备冗余的UPS系统适用于不能停电的重要场合，尤其适用于只有一个交流输入端的非DCS负载。

如真全面放开转专业，建议可以设置两个时间节点：一是入学后1个月，二是第一学期末。增加入学后1个月后这个时间节点的好处是：大多高职院校都开设《专业导论》，经过1个月的学习后对自己所学的专业已有初步了解，也初步接触专业相关课程，可以避免了学生在学习自己不敢兴趣的专业时产生厌学，同时减少转入新专业的学习压力和学习进度的不一致。弊端是：时间太短，未深入了解原来专业以及是否真的适合自己，可能出现再次“入错行”，甚至出现跟风。

4 仪表供电系统UPS并机冗余隐患整治

安全环保检查和审核问题清单中，催化、重整、气分MTBE装置UPS并机冗余可靠性不符合炼化板块电气管理的相关要求，因此将这几套装置的双机冗余方式改为双机分段供电方式。其特点如下：

a. 在DCS系统中，两套直流电源是并联冗余的，切换时间为0；

b. 两套UPS均为单机工作方式，是完全独立的，UPS1的输出端与DCS系统的交流电源输入端1连接，UPS2的输出端与DCS系统的交流电源输入端2连接；

c. 当UPS1和UPS2均正常时，UPS1和UPS2同时对DCS系统供电，且各带50%的负载；

d. 当UPS1故障时，UPS1自动且不间断地切换到旁路，DCS系统由UPS2和市电1供电；

e. 当UPS2故障时，UPS2自动且不间断地切换到旁路，DCS系统由UPS1和市电2供电；

f. 当UPS1和UPS2同时故障时，UPS1和UPS2同时自动、不间断地切换到旁路，DCS系统由市电1和市电2供电；

g. 当UPS1或UPS2需要检修时，可以将其中一台UPS关闭或切换到旁路运行，这并不影响另外一套UPS的正常运行。

双机并列分段供电方式技术实施过程如下：

a. 将原UPS/ESD双机冗余供电电气线路(图2)全部改造成双机分段供电线路，拆除分离与之混合的所有电气电缆；

b. UPS厂家工程师对转换为单机模式的硬件和软件进行技术处理，改造两台UPS输出端的空开母联，拆除两台UPS并机通信总线线缆，修改DPS内部软件控制功能；

c. 清除DCS控制器、I/O卡件、交换机、工作站、隔离栅和现场仪表220V(AC)供电的并机冗余共用电缆，保证两台UPS分段供电输出端线路完全独立；

d. 重新对两台UPS的负载进行分配，保证DCS控制器、I/O卡件、交换机、工作站、隔离栅和现场仪表220V(AC)供电的分段供电且实现互相冗余，改造后的双机并列分段供电电气线路如图3所示；

e. 保证每条线路、空开和端子测试没有错误后方可上电；

f. DCS、ESD、SIS岗位人员需配合UPS改造后的分段供电上电测试，保证两段所带控制器、交换机、I/O卡件及操作站等均供电正常。

5 双机并列分段供电电气线路的改进

改进的双机并列分段供电电气线路如图4所示。当UPS1故障断电后，UPS2经STS2将UPS2的输出电压切换到UPS1的输出上，从而保证UPS1上所带负载(DCS、ESD、SIS)供电不中断。同时也保障了没有220V(AC)输入电源冗余功能的负载(操站、交换机及报警器等)的供电可以不中断，提升了仪表控制电源系统的可靠性，完善了仪表供电系统的功能。

图2 原UPS/ESD双机冗余供电电气线路

图3 改造后的双机并列分段供电电气线路

图4 改进的双机并列分段供电电气线路

6 结束语

在检修期间将催化、重整、加氢改质、气分MTBE装置仪表供电系统UPS双机冗余方式改为双机并列分段供电方式，实现了DCS、ESD、SIS控制器、I/O卡件、交换机、工作站、隔离栅和现场仪表220V(AC)供电的分段供电，且互相冗余。此次改造解决了仪表供电系统UPS输出并联UPS输出端存在的“单点瓶颈”故障隐患，避免了当其中一台UPS发生故障时，故障的扩散和窜扰，防止了UPS宕机事故，避免了由DCS和现场仪表供电中断造成的炼化装置非计划停车，降低了经济损失。改造后，各装置符合炼化板块仪表供电系统UPS电气管理相关要求，完善了仪表供电系统的功能，更好地提高了设备的本质安全和可靠性，保障了仪表控制系统长周期安全平稳运行。

张五一(1965-)，工程师，从事玉门炼化总厂计算机现场离散控制和UPS日常维护工作，ylcompzwy@163.com。

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