UPS双冗余改造

UPS的冗余改造
摘要：双冗余UPS电源电源装置的工作原理及带来的经济效益.
关键词：稳压、稳频，不间断供电，长期连续运行
前言：保证任何情况下的仪表DCS正常不间断供电,是乌石化电气专业的重要基础.为此,除工业电网正常供电外,还需配备UPS供电系统.UPS电源是保障仪表DCS系统供电稳定和连续性的重要设备,因其主要机智能化程度高,储能器材采用免维护蓄电池,使得在运行中往往忽略了对该系统的维护与检修.其实维护的好坏,对电源的寿命和故障率有很大影响,下面根据我们改造后的双冗余UPS具体情况和维护经验介绍双冗余UPS电源的工作原理及带来的经济效益.
虽说各企业配置的UPS供电系统设备型号及系统容量有所不同,但原理和主要功能基本相同.在UPS电源类型选择上都选择了双冗余在线式,这时因为双冗余在线式UPS电源系统具有对各类供电的零时间切换,自身供电时间的长短可选,并具有稳压,稳频,净化的特点. 当运行中的任一台UPS电源系统本身出现故障时有自动切换功能有故障的UPS退出供电，正常运行的那台UPS带全部负载，输出负载不间断运行,当需要检修时可停运所需的任何一台UPS,使检修,供电互不影响.
一、不间断电源（UPS供电装置）:
不间断电源是一种不受电力系统电压波动、断电影响的供电系统，简称为UPS装置。

UPS为静止式，稳压、稳频，可长期连续运行。

电网供电中断时，在短时间内可由蓄电池放电维持对装置连续供电。

若设有独立的备用电源，则可自动快速切换，以保证装置向负载作长期连续供电。

UPS电源系统由4部分组成:整流,储能,变换和开关控制.其系统的稳压功能通常是由整流器完成的,整流器件采用可控硅或高频开关整流器,本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能,从而当外电发生变化时(该变化应满足系统要求),输出幅度基本不变的整流电压.净化功能由储能电池来完成,由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除,整流后的电压仍存在干扰脉冲.储能电池除可存储直流直能的功能外,对整流器来说就象接了一只大容器电容器,其等效电容量的大小,与储能电池容量大小成正比.由于电容两端的电压是不能突变的,即利用了电容器对脉冲的平滑特性消除了脉冲干扰,起到了净化功能,也称对干扰的屏蔽.频率的稳定则由变换器来完成,频率稳定度取决于变换器的振荡频率的稳定程度.为方便UPS电源系统的日常操作与维护,设计了系统工作开关,主机自检故障后的自动旁路开关,检修旁路开关等开关控制.
在电网电压工作正常时,给负载供电,而且,同时给储能电池充电;当突发停电时,UPS电源开始工作,由储能电池工给负载所需电源,维持正常的生产，当由于生产需要,负载严重过载时,由电网电压经整流直接给负载供电
UPS电源系统主要分两大部分,主机和储能电池.额定输出功率的大小取决于主机部分,并与负载属那种性质有关,因为UPS电源对不同性能的负载驱动能力不同,通常负载功率应满足UPS电源70%的额定功率.储能电池容量的选取当负载功率确定后主要取决其后备时间的长短,这个时间因各企业情况不同而不同,主要由备用电源的接入时间来定,通常在几分钟或几个小时不等
二、UPS供电装置在生产中的作用:
石化生产装置中的各种自动化电气仪表、计算机等使用交流电源，往往因为电力系统电压波动及瞬时间（短时间）断电而影响其准确性，甚至误动作而生产波动，影响产品质量。

为使在电力系统发生电压波动或断电的情况下，生产装置的仪表不受影响继续正常工作，而采用UPS，使生产平稳得到保障。

三、UPS供电装置组成的部分：
UPS装置由整流器单元、斩波器单元、逆变器单元、电池单元、静态转换开关单元、MIPM 板（微处理器）、CV-MAM板（控制电源板）等7个部分组成。

四、UPS供电装置的供电方式：
UPS使用脉宽调制技术，是串联在扰动电源和需避免扰动的负载之间固定的电气缓冲器，一般有以下4种向用户供电的方式：
4.1常用电源正常运行方式
当UPS装置处在正常运行方式时，三相交流电源经整流器（整流输出383V直流电）对蓄电池组浮充电；
经逆变压器逆变成交流，经静态开关供给用电设备。

4.2电源1断电或整流器故障下的运行方式
当电源1断电或整流器发生故障时，蓄电池对逆变器放电，经逆变器逆变成交流电，由静态开关向用电设备供电。

4.3逆变器故障情况下的运行方式
当逆变器的输出超过规定偏差时，静态开关立即自动将负载切换至电源2上，向用电设备供电。

4.4 UPS装置故障等效情况下的运行方式
UPS装置需要维修、进行内部故障处理时，经维修旁路开关，由电源2直接向用电设备供电，并且使UPS装置与源、负载隔离。

五、两台DELTA型UPS工作原理
5.1装置安装的两台DELTA型UPS具有2台同等容量的并联，形成双机的冗余1#UPS，2#UPS正常工作时两台主机共同带载,各带负载的50%,电池处于浮充电，可实现100%的系统冗余,也就是说负载的总容量不得超过单机的额定容量,否则系统就无冗余,此时一旦1#UPS，2#UPS其中一台主机故障负载全部切换到另一台主机,则系统过载运行。

5.2装置安装的两台1#UPS，2#UPS正常运行时，两台主机互相跟踪输出的幅值，频率，相位，保证锁相同步以保持同期，当其中一台（1#UPS，2#UPS）主机停机或故障时，其旁路是不导通的，此时另一台正常工作的主机跟踪旁路，并与其保持同期。

只有当两台UPS （1#UPS，2#UPS）主机逆变器都停机或故障时，两台主机的旁路都导通。

5.3当低压供电回路某段失电时，首先电池放电通过逆变器供负载，当失电的某段低压供电回路电恢复时整流器自动启动，一方面供逆变器，同时给电池充电。

当电池放尽而失电的某段低压供电回路未恢复时，UPS切到旁路，由旁路供负载供电，此时失电的某段低压供电回路电恢复供电时，整流器自动启动给电池充电，逆变器自动/手动（软件设置）启动，由逆变器供负载供电。

5.4当1#UPS，2#UPS两台UPS其中一台故障时，会自动退出运行，由剩下的一台UPS带100%负载运行。

对故障的UPS可通过断开其输入输出等隔离开关进行安全地维修，维修之后再投入运行；在UPS没有发生故障时，也可利用这种状态对其内部进行维护保养，例如：
清扫灰尘、紧固联接件、检测或更换电池等；
5.5电池运行状态：当市电包括电网电压不能正常供电时，UPS的电池组会自动放电，以维持负载的正常运行；两台冗余UPS的电池组通常可以支持100%额定负载2倍以上的后备时间。

六、双容余UPS不间断电源装置的应用
6.1 UPS不间断电源装置是炼油厂安全生产的重要设备，设备运行正常与否直接关系到整个炼油厂的安全运行。

所以仪表后备电源及其配套系统的完善至关重要，改造前运行的炼油厂装置的UPS不间断电源装置负载输出电源是单回路供电工作方式，一旦因UPS不间断电源装置内部元件故障和生产装置运行状态下UPS蓄电池更换作业需要停电，故障处理时不得不把仪表电源停电，严重影响生产装置安全，平稳运行，UPS机柜双容余的改造之前对UPS 不间断电源装置而言维修困难（UPS机柜元器件及蓄电池更换，电池活化无法正常进行）加大了电修车间维护工作量和生产装置安全生产保障，UPS机柜双容余的改造后操作，运行效
果明显，运行安全可靠，
操作，稳定，灵活，对整个装置乃至全炼油厂的安全运行潜力很大。

6.2冗余改造后的DELTA 三相 NT UPS选采用先进的IGBT高频切换正旋脉宽调变技术设计，使UPS电源品质好，效率高，热损耗小，噪音低，体积小及寿命长，同时采用模组化设计可降低平均维修时间使维护工作更简便，籍由微处理器的数字化设计，简化复杂的模拟线路及大量减少零件数目，使系统更为安全可靠。

为了强化UPS系统供电可靠性，台达NT 系列可提供了：（1）双输入回路设计，将UPS连接成双机热备份（2）多机并联回路设计---无须外加并联控制卡，且最多可并联8台UPS等两种高可靠运行设计方式。

6.3.冗余改造后的DELTA 三相 NT UPS选采用智能型微处理器控制的中文显示及图形化LCD显示，让使用者操作容易，并可确保正确操作，除此之外LCD显示系统图与UPS状态显示，让使用者非常明确了解UPS动作模式整体状况，使用者并可透过各种不同的通信接口直接连接计算机或透过网路进行远程监控，使微处理器对UPS各种诊断信号传送至计算机萤幕画面，使用者可直接在计算机上对UPS进行监视及控制，提供UPS安全性、可靠性。

NT系列UPS电路板具有可交换性，在备料管理上可降低到是了小数量
七、经济效益计算依据及计算结果
2006年对装置进行的UPS双机冗余改造后按每年一套装置出现一次由于仪表电源失电引发的停工，就成本损失约为80-90万元之间，其损失是无法预计的。

此次改造
将避免由于仪表UPS电源失电而生产装置非计划停工产生的故障。

八、双机冗余UPS的工作原理
装置安装的两台DELTA型UPS具有2台同等容量的并联，形成双机的冗余。

以下对2台UPS并联运行介绍，参见：（图2-1）
两台UPS并联运行的工作原理
8.1正常运行方式：两台UPS各带50％负载运行，电池处于浮充电；
8.2一台UPS故障：当其中一台UPS故障时，会自动退出运行，由剩下的一台UPS带100%负载运行。

对故障的UPS可通过断开其输入输出等隔离开关进行安全地维修，维修之后再投入运行；在UPS没有发生故障时，也可利用这种状态对其内部进行维护保养，例如：清扫灰尘、紧固联接件、检测或更换电池等；
8.3电池运行状态：当市电包括电网电压不能正常供电时，UPS的电池组会自动放电，以维
持负载的正常运行；两台冗余UPS的电池组通常可以支持100%额定负载2倍以上的后
备时间。

九﹑DELTA型UPS系统结构及工作原理：
DELTA型 UPS主要包括：整流器(Rectifier)、逆变器(Inverter)、静态开关电路(Static Switch)、电池組、检测控制电路、及维修旁路等部分组成。

整流器：由SCR及相关控制线路组合而成，除了提供逆变器工作电源并同時对電池充电。

具有过电压、过电流及充电电流限流保证。

逆变器：由IGBT及相关控制线路组合而成，经由SPWM调变脉冲，驱动逆变器的IGBT 模組，使UPS輸出纯净可靠的正弦波。

具有輸出短路保证及电压、頻率异常
保证。

静态开关：由SCR、电磁接触器(Magnetic Contactor) 及相关控制线路组合而成，提供用户负载不间斷。

维修旁路：当UPS故障時，负载可经由维修旁路供电，同时可作UPS故障排除。

当UPS处于并联模式時(容量、电压及頻率必須相同)，输出负载由并联中的UPS平均分配。

UPS并联中有UPS发生故障，若负载容量小于另一台并联中UPS的总容量，则此故障之UPS输出会关闭，且负载由另一台并联中的UPS 平均分配。

若负载容量大于另一台并联中UPS的总容量，则所有UPS的逆变器关闭，负载由备用电源供电。

十﹑技术性能
DELTA 三相 NT UPS具有如下功能与特色：
10.1真正在线式设计，提供了重要电气设备一个全天候不断电之电源；
10.2可8（N+1）台UPS并联冗余扩容，无须外加并联控制卡。

10.3宽广的输入电源范围，可减少电池放电机率。

10.4整流器有软启动设计，可使电网电压供电得到平滑的电力转移；
10.5自动侦测输入频率可操作于50Hz或60Hz；
10.6使用高频脉宽调变逆流器及IGBT元件，使UPS具有高性能特性；
10.7紧急断电：可于紧急状态下，以面板按键或远端遥控开关，将输出立即切断，防止危
险扩大；
10.8标准配备RS232、RS485和各种状态接点介面，适用于各类型电脑通讯。

10.9利用微处理器技术执行自我侦测和LCD讯息显示，并可依实际的需要设定相关的参数；
10.10内建SRAM可以储存多于400笔资讯资料数据，以提供详细的运转状态资讯；
10.11有手动维护和静态两种旁路开关型式切换至主要电源；
10.12静态旁路供给电路的控制回路，具有双重备份保护，具有高可靠特性；
10.13逆流器自动回复：
（1）UPS的逆流器在低电池电压关机后交流电源恢复时，可自动再启动；
（2）当过载状态消除，可由静态旁路自动转回逆流器输出。

10.14在长时间备用模式操作下，可将警告声关闭，而指示灯仍然维持亮着。

10.15可另外增加外部电池组，以延长备用模式的运转时间。

10.16当UPS在旁路模式操作下，可自动侦测旁路电压，若输入电压超出额定电压+15%~-20%
范围外，将关闭输出以保护电气设备。

10.17可选购电池温度补偿功能，对电池的充电能量给于即时的控制，可保护电池之使用
寿命。

10.18可选购隔离或自耦变压器来提供电气隔离和多重输入或输出电压。

10.19可选购在UPS无市电输入时，允许由电池启动，提供稳定的交流电力。

10.20可选购SNMP介面卡以提供网路通讯。

参考文献：无。