DCS供电系统改造方案的选择与实施

赵宏世

【摘 要】由于DCS的可靠性不断提高,UPS冗余配置是保证控制系统平稳运行的一个必要条件.结合我公司各控制室UPS配置的实际情况和DCS冗余结构,在没有配置冗余UPS的情况下,采用两立的UPS双重供电或单台UPS与直接旁路双重供电的改造方案,达到了为DCS可靠供电的目的.并且,采用旁路隔离变压器与UPS一起组成隔离电源系统,有效地抑制共模干扰,改善了电源质量. 【期刊名称】《内蒙古石油化工》 【年(卷),期】2011(037)021 【总页数】5页(P68-72)

【关键词】DCS供电;UPS电源;整体可靠性;变压器;隔离电源;接地 【作 者】赵宏世

【作者单位】中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司,内蒙古,鄂尔多斯,017209 【正文语种】中 文 【中图分类】TM73

随着科学技术的不断进步,集散控制系统(DCS)的可靠性有了很大的提高。据有关资料介绍, DCS的平均无故障时间已达到1.25M h。为DCS供电的电源设备,也应具备相同的可靠性,DCS要求连续供电,就必须使用不间断电源设备——U PS。目前单机运行的直流U PS的平均无故障时间为0. 3M h,而单机运行的交流U PS的平

均无故障时间仅为0.15M h。与DCS相比,低一个数量级。因此,U PS就成了DCS稳定运行的屏颈。

中国神华煤制油化工有限公司鄂尔多斯煤制油分公司百万吨级煤直接液化生产线,2008年12月份建成投产。为了确保煤直接液化生产线安全稳定运行,供电系统采用外部电网两条正常母线和一条应急母线的冗余供电方式,并配备有两台发电机组的自备电厂。煤直接液化生产线共有9个联合控制室(UCR 1～UCR 9)和 6个就地控制室(LCR 1～LCR 3,锅炉、结晶、油渣成型控制室),DCS全部采用美国HON EYW ELL公司的PKS系统。在煤直接液化生产线建设过程中分区域由几家工程公司EPC总包。由于没有国家强制的DCS供电设计标准,各承包商选用的设计标准不统一,再加上承包商追求经济利益最大化,在原承包商设计中,都没有选用冗余配置的U PS,15个控制室全部是单台交流U PS给DCS供电(如图1所示)。而且,多数U PS没有配置旁路隔离变压器,有些承包商选用单电源U PS,把旁路电源与主电源设计在同一段电源母线上,或者,用继电器进行双电源切换。这些U PS都无法满足DCS长期稳定运行的要求,需要对DCS供电系统进行改造。

单台U PS给DCS供电的缺点是,一旦U PS出现故障不能给DCS提供电源,DCS立即停止运行,无法对生产装置进行有效地控制,对安全生产是一个巨大隐患。根据调查了解,由于U PS故障影响到DCS运行的供电系统,多数为单台U PS供电系统。U PS常见的故障有控制板故障、蓄电池组个别电池内阻增大、线路短路或接地等。这些器件一旦发生故障造成DCS停电,对生产装置失去控制,甚至酿成大祸。 U PS(U n in terrup tib le Pow er Supp ly)的基本功能是确保电源连续供电。U PS也可以用于改善电源质量,使其保持在预定的特性范围之内。U PS有直流U PS和交流U PS两类。

直流U PS:在市电正常时,由市电通过变压器、整流器、滤波器给用电设备提供直流电,并给蓄电池充电;当市电异常时,由蓄电池直接给负载提供直流电,保证无间断输出。

直流U PS主要由变压器、整流/充电器、滤波器和蓄电池构成,其结构简单可靠性高。但是,直流U PS只适用于单一电压等级的直流用电设备。使用范围受到。 交流U PS:简称U PS,按运行方式分为后备U PS、互动U PS、双变换U PS三种。 1.1 后备U PS

后备U PS,通常称为离线U PS。当市电正常时,市电直接向用电设备供电,并通过充电器给蓄电池充电;当市电超出其工作电压范围时,通过切换开关转为由蓄电池经逆变器向用电设备供电。后备U PS主要由滤波器、充电器、逆变器和蓄电池构成。其特点是功率转换效率高,结构简单,体积小,成本低,但输入电压范围窄,输出电压稳定精度差,存在切换时间(通常小于15m s)。 1.2 互动U PS

互动U PS,通常称为在线互动U PS。当市电正常时,市电通过工频变压器直接向用电设备供电,并通过充电器给蓄电池充电;当市电偏低或偏高,但在预定的工作电压范围内时,通过继电器动作,改变工频变压器抽头,使变压器升压或降压,向用电设备供电,并通过充电器给蓄电池充电;当市电超出预定的工作电压范围时,通过切换开关转为由蓄电池经逆变器向用电设备供电。互动U PS主要由工频变压器、滤波器、充电器、逆变器和蓄电池构成。其特点是功率转换效率更高,输入电压范围更宽,结构简单,成本低,但输出电压稳定精度较差,也存在切换时间。 1.3 双变换U PS

双变换U PS,通常称为在线U PS。当市电正常时,交流市电通过整流器变成直流电,一方面给蓄电池充电,另一方面经逆变器向用电设备提供交流电;当市电异常时,由蓄电池提供直流电源,经逆变器向用电设备提供交流电。逆变器始终处于工作状态,保证无间断输出。双变换U PS主要由整流器、逆变器、蓄电池和控制器构成。双变换U PS由于采用了AC/ DC、DC/AC双变换设计,能较好地消除来自市电电网的电压波动、波形畸变、频率波动及浪涌产生的影响,向用电设备连续提供无干扰、

高质量的正弦波电源。通常双变换U PS还具有当逆变器发生故障或过载时切换到市电供电的旁路功能,特别适合对电源要求较高的用电设备。但是,双变换U PS控制器线路复杂,一方面要监测工频供电输入,另一方面要调节内部整流器、蓄电池、逆变器等元件的工作状态,成本较高。

双变换U PS按照市电旁路电源是否,又可分为单电源U PS和双电源U PS。通常一些小型220VAC单相输出的双变换U PS,要求市电旁路电源必须连接到主电源上,只有一路输入电源,称为单电源U PS。对于220VAC单相输入的双变换U PS,输出的交流频率和相位受主输入电源控制,与主输入电源同步,旁路电源必须连接到主输入电源上;对于380VAC三相输入的U PS,输出的交流频率和相位受主输入电源的第一相线控制,与主输入电源的第一相线同步,旁路电源必须连接到主输入电源的第一相线上,才能保证U PS正常运行。一些高性能双变换U PS,采取旁路电源与主电源各自的方式,有两路输入电源,称为双电源U PS。双电源U PS输出的交流频率和相位受旁路电源控制与旁路电源同步,当旁路电源停电时,U PS提供50H z正弦波交流电源。旁路电源与主电源可以来自不同母线(或不同电网),能够使用旁路隔离变压器。

由于DCS对电源质量要求较高,要求电源的瞬断时间不能大于10m s。后备U PS和互动U PS都有较长的切换时间不能满足DCS的电源要求。单电源U PS,一旦蓄电池组内阻增大而没有被发现,又出现主电源停电时,蓄电池组不能对外供电,旁路电源又与主电源是同一个电源,U PS就不能对负载供电。单电源U PS只适用于对供电安全性要求不高的场合,不适合给DCS供电。双电源U PS,当蓄电池组出现电池内阻增大,又出现主电源停电时,即使蓄电池组不能对外供电,U PS通过静态开关自动切换到市电旁路,由于旁路电源与主电源在不同母线(或不同电网)上,一般不会两段母线(或两个电网)同时停电,可以继续对负载供电。作为DCS的供电设备,只能使用双电源U PS。

双电源U PS结构复杂,U PS的整流/充电器、逆变器、蓄电池组、静态开关、控制器等部分都有可能出现故障。当整流/充电器故障时,由蓄电池组提供直流电源,经逆变器向用电设备提供交流电,无间断输出;当逆变器故障时,由静态开关切换到市电旁路向用电设备供电,存在切换时间,由于有频率和相位同步控制,切换时间小于5m s;在这几种故障状态下U PS都能为用电设备提供不间断电源。而控制器出现故障时,U PS没有输出,不能为用电设备提供电源。因此,控制器故障是交流U PS的致命性故障,也是造成交流U PS可靠性不高的主要原因。控制器作为交流U PS的控制中心,需要采用多种控制算法才能满足交流U PS对电压、电流、频率、切换时间等参数的苛刻要求,其软件和硬件都十分复杂,也是最容易发生故障的部分。我公司使用的十几台U PS在安装调试过程和试生产过程中,有五台出现过故障,其中四台是控制器故障,一台是后备电池故障。事实也说明控制器的故障率是相当高的。但是,目前还没有冗余控制器的U PS,提高U PS可靠性的唯一途径是组成冗余的U PS。 U PS的发展方向是采用多台并机的冗余技术来提高U PS的可靠性。并联技术可以形成具有容错功能的冗余式供电系统,具有极高的系统可维修性。当单台电源出现故障时,可以很方便地通过热插拔方式进行更换和维修。选用模块化可直接并联的交流U PS机型可以使两台U PS构成冗余(如图2所示),需要增大输出功率时,可以3台或4台U PS并联构成冗余。其优点是具有高抗短路能力,能满足开关之间的鉴别性。

另一种U PS的冗余配置方案是采用两立的交流U PS,通过同步控制和静态开关切换,实现两路电源的无故障切换(如图3所示)。其优点是负载运行避免相互之间干扰,特别适用于对电源质量要求高的设备。

冗余的U PS可以大幅度提高交流U PS的可靠性,但其价格昂贵。为了更好地解决可靠性和价格之间的矛盾,结合我分公司各控制室U PS配置的实际情况,在没有配置冗余U PS的情况下,利用DCS的冗余结构与U PS结合的方法,达到提高U PS

和DCS整体可靠性的目的。 4.1 两立的U PS双重供电

采用两立的U PS双重供电,互为备用,两台U PS主电源不在同一母线(或电网)上,防止一条母线停电同时影响两台U PS的运行状态。 DCS电源配线方式如图4所示:

双电源模块(控制器、服务器):用两台U PS分别给DCS双电源模块的两个电源输入端供电。只要有一台U PS正常工作,DCS的双电源模块就能正常运行。 冗余单电源模块(交换机、操作站):用两台交流U PS分别给双冗余交换机和半数操作站供电,即使有一台U PS发生故障,在线运行的一台U PS能保证一台交换机运行,网络畅通,有半数操作站正常运行,能满足工艺人员紧急情况下的生产操作。 非冗余单电源模块(通讯服务器),用两台U PS各给一部分DCS非冗余单电源模块供电。由于非冗余单电源模块本身就属于不重要模块,即使停掉也只是影响一些通讯信息,不会对系统和生产操作造成太大影响。

采用两立的U PS双重供电的优点是负载运行避免相互之间干扰,故障分散,不需要使用同步控制器和静态开关,也就不会出现由这部分元器件故障引起的U PS故障,其可靠性优于冗余U PS。因此,采用两立U PS给DCS双重供电的方案,其性价比更高,是一种比较理想的供电方案。 4.2 单台U PS与市电双重供电

虽然用两立的U PS给DCS供电的可靠性很高,但价格也高。如果市电的电压能够满足220VAC+/-10%,频率50H z+/-1H z条件,就可以用市电给DCS供电。经多次检测,我分公司供电系统的电压和频率都比较稳定,能够满足DCS的运行要求,可以采用一路U PS与一路市电为DCS双重供电。 DCS电源配线方式如图5所示:

双电源模块(控制器、服务器):用市电与U PS分别给DCS双电源模块的两个输入

端供电。当市电停电时由U PS供电,当U PS故障时由市电供电,能保证DCS双电源模块正常运行。

冗余单电源模块(交换机、操作站):用市电与交流U PS分别给双冗余交换机和半数操作站供电。不管是市电停电还是U PS故障,总有一台交换机运行,网络畅通,有半数操作站正常运行,能满足工艺人员紧急情况下的生产操作。

非冗余单电源模块(如通讯服务器):用市电与交流U PS分别给一部分非冗余单电源模块供电。当U PS故障或市电停电时,非冗余单电源模块停止运行,只影响一些通讯信息,不会对系统和生产操作造成太大影响。

为了提高DCS系统的整体可靠性,还要考虑电源的抗干扰问题。双电源U PS,由于市电旁路不是隔离的,中性线(N)直接连接到U PS输出的中性线(N)上(如图6所示)。这样连接的U PS不是隔离电源,对敏感性负荷不能提供隔离作用,不能衰减共模干扰。

DCS要求U PS电源主要完成两个功能:一个是市电断电时不间断供电;另一个就是隔离市电干扰,给负载提供波形稳定而纯净的正弦波。

为了组成隔离电源,还采用旁路隔离变压器对双电源U PS的旁路输入端进行隔离(如图7所示)。隔离变压器对闪电、放电、电网切换、电机启动和其它电网燥声引起的干扰具有极强的抑制作用,是当前最有效的电源噪声抑制器。旁路变压器和U PS的输入、输出之间都没有直接的电气连接,都是隔离电源。旁路隔离变压器和U PS共同组成了隔离电源系统,能有效地抑制共模干扰。按隔离电源考虑,U PS的输出中性线(N)应与PE线等电位连接,并宜在其附近等电位连接到共用接地系统上。这样在U PS之前的供电系统是TN-S系统,其后也是TN-S系统。

旁路隔离变压器主要是用来负载和市电之间的电气隔离,但也可以用来匹配主电源2的电压,使之与逆变器的电压一致,还可以产生适当的接地系统。按照隔离电源考虑,上述两个供电方案都需要增加旁路隔离变压器,旁路隔离变压器和U PS共同组

成了隔离电源系统。

方案一,增加旁路隔离变压器后组成的隔离电源系统(如图8所示)。该方案由于没有直接连接的市电,隔离方式也可以不采用旁路隔离变压器,而采用输出隔离变压器的方式(如图9所示)。采用输出隔离变压器时在隔离变压器前不是隔离电源,隔离变压器后为隔离电源系统。

方案二,增加旁路隔离变压器和市电隔离变压器,组成的隔离电源系统(如图10所示)。 为了进一步降低费用,将直接市电与旁路电源采用同一电源,市电隔离变压器与旁路隔离变压器共用一台变压器,“直接市电”改为“直接旁路”,组成的隔离电源系统(如图11所示)。

方案二变成“单台U PS与直接旁路双重供电”方式。U PS正常运行时,U PS与隔离变压器各承担50%负荷,当U PS故障时,隔离变压器承担100%负荷,当U PS切换到旁路(或维修旁路),隔离变压器承担旁路(或维修旁路)50%负荷和直接旁路50%负荷。因此,共用一台变压器,不需要增加旁路隔离变压器的容量。

我公司各控制室DCS供电系统在原设计中都是采用单台交流U PS。为了提高DCS整体的可靠性,将单台交流U PS供电系统进行改造。按照实际情况采取下面几种措施和方案:①对单电源U PS,如UCR 8、LCR 1、LCR 2、LCR 3更换为双电源U PS。②对于旁路电源与主电源来自同一段母线的供电系统,如UCR 2、UCR 5进行改造。把主电源接到1段母线上,旁路电源接到2段母线上。③取消不满足切换时间要求的机械式双电源切换开关。如UCR 9、LCR 3拆除机械式双电源切换开关。④没有隔离旁路变压器的增加旁路隔离变压器。如UCR 1、UCR 3、UCR 5、UCR 7、UCR 8、UCR 9、LCR 1、LCR 2、LCR 3按(图7)实施。⑤对于一个控制室有两台同样型号的双电源U PS给DCS分区域供电的,经实际测量和重新计算负载功率,能满足两立U PS双重供电容量要求,改造成两立的U PS双重供电。如UCR 1、UCR 2按(图8)实施。⑥对于单台U PS的控制室,增加直接旁路,

实现单台U PS与直接旁路双重供电。如UCR 3、UCR 4、UCR 5、UCR 6、UCR 7、UCR 8、UCR 9、LCR 1、LCR 2、LCR 3、锅炉、结晶、油渣成型控制室,按(图11)实施。

改造后的DCS供电系统,曾经遇到过两次电网波动:2009年11月11日给UCR 7和锅炉供电的“1段”电源母线发生自动切换,出现瞬间断电,造成污水处理装置和锅炉停车。由于“1段”电源母线是U PS的主电源,“2段”电源母线是旁路电源,UCR 7和锅炉控制室的U PS在主电源断电时由蓄电池组经逆变器给DCS供电,DCS正常运行。这次“1段”电源母线瞬间断电事故虽然造成停车,但是,由于DCS正常运行,有效地启动了安全联锁停车程序,停车后很快就恢复了生产;2010年10月1日由于外电网遭雷击,电压瞬间降低到80%以下,造成部分机泵停机,由于采用了隔离电源,雷电和电网低电压没有影响到DCS运行。

另外,还出现过两次U PS故障:2009年10月31日UCR 5发生U PS故障,U PS输出短时间停电,部分操作站停止运行,由该U PS供电的PLC和通讯服务器停机,其它DCS设备正常运行;2010年3月9日UCR 3发生U PS故障,U PS没有输出,部分操作站停机。由于这两个控制室供电系统都采用了单台U PS与直接旁路双重供电方式。虽然,U PS故障时停止对外供电,但是,还有直接旁路对DCS供电。DCS的控制器、服务器等双电源设备正常工作,网络冗余交换机有一台正常工作、网络通讯正常,没有影响生产。U PS故障时,UCR 3和UCR 5还启动了服务器的操作员属性为操作工提供了两台备用操作站。通过两次电网波动和两次U PS故障,证明了本次DCS供电系统改造方案切实可行,达到了为DCS可靠供电的目的。

【相关文献】

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