UPS的并机方式及其在自控系统中的应用

卓知杰 娄伦武 梁强立 赵宗尧 陈 铭

(贵州能矿织金磷化工有限公司，贵阳 550002)

UPS的并机方式及其在自控系统中的应用

卓知杰 娄伦武 梁强立 赵宗尧 陈 铭

(贵州能矿织金磷化工有限公司，贵阳 550002)

介绍了UPS(不间断电源)的概念及其3种主要并机方式。结合某化工厂自控系统目前的UPS电源供电方式，论证了在自控系统中应根据实际情况选择适当的UPS电源供电方式，以保证系统安全、稳定、连续运行。

UPS 并机方式 自控系统 电源冗余

随着现代科学技术的不断进步，自控系统的可靠性有了很大程度的提高，平均无故障时间已达到100kh。为保障自控系统的连续运行，其电源供电系统也应具备相同的可靠性，而系统连续供电必须使用不间断电源(Uninterruptible Power Supply,UPS)[1]。自控系统作为一个工厂的核心，其电源供电系统一般采用一路UPS和一路冗余保安电源进行供电[2]。而随着化工生产装置对稳定性的要求越来越高，为了保证系统更加稳定，越来越多的企业选择使用两路UPS对系统进行供电。

两路UPS同时使用时有多种连接方式。某大型化工厂为了保证装置能更加稳定的运行，虽然选用了两路UPS为DCS系统供电，但由于未能选择最为合适的UPS并机方式，使得DCS系统反而增加了运行风险。为避免类似情况的发生，笔者根据UPS的3种主要并机方式的优缺点，结合自控系统自身的供电模式，最终选择互动热备式UPS电源供电方式应用于自控系统中，以提高系统运行稳定性、降低企业生产成本。

1 UPS

UPS可以保障系统在停电之后继续工作一段时间以使用户能够紧急存盘，不致因停电而影响工作或丢失数据。UPS在计算机系统和网络应用中主要有两个作用：一是应急使用，防止突然断电而影响正常工作，给计算机造成损害；二是消除市电上的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、电线噪声及频率偏移等电源污染，改善电源质量，为计算机系统提供高质量电源。

UPS电源装置一般由整流器、逆变器、静态开关、蓄电池及旁路开关等组成。其中整流器、逆变器、静态开关及控制单元等大部分设备是由电力电子器件和电子器件组成的，而可控硅、晶体管、大规模集成电路、IGBT及电容等电子器件的寿命远比一般电气器件寿命短，且无法通过一般的检查手段检测出这些器件的状况，导致UPS故障几率比一般电气设备高[3]。根据美国大数据中心的统计资料，在UPS输出供电系统故障中，79%的故障来源于UPS输出与负载之间的供电线路故障，11%来源于UPS和电池组故障，其他故障占10%[4]。

为了确保控制系统的稳定运行，将两路UPS并机使用可以将风险降到最低。

2 UPS并机方式

UPS并机是指让两台或两台以上的UPS共同分担所有的负载。由于是多台UPS均分负载，共同供电，因此当单台UPS出现问题时，其他UPS会直接接过故障机的所有负载，实现真正意义上的零切换。同时，多台UPS同时工作下的短时过载能力也可以依比例增加，且不存在老化程度不一的问题。

UPS并机方式主要有主从热备式、互助式冗余并联和互动热备式。

主从热备式UPS并机(图1)的优势是灵活性高、安装简单、不需要增加额外的辅助电路。但由图1可以看出，该并机方式与UPS串联并没有较大的区别，缺点也与串联时一致，即正常使用时主机带负载，备机空载，导致两机的老化程度不一致，瞬间过载能力低。

图1 主从热备式UPS并机示意图

互助式冗余并联UPS并机(图2)的优势是能够自动均分负载、瞬间过载能力强、不存在老化不均的问题。由图2可以看出，互助式冗余并联UPS并机有4路(市电1、市电2、旁路和电池)供电，两路UPS在正常情况下各带50%负载工作，如果其中一路UPS故障，则立刻脱离系统，负载自动切至另一路UPS。单机故障时正常工作的UPS承受的负载由50%增至100%，相对于主从热备式的由0%增至100%，其负载变化小，因此系统过载能力较强，保证了输出的稳定性[5]。

图2 互助式冗余并联UPS并机示意图

互动热备式UPS并机示意图如图3所示，可以看出，该方式有双路输出，两路UPS互为备用，但需要人工均分负载，当负载分配合理时，其瞬间过载能力很强。

图3 互动热备式UPS并机示意图

3 实际应用情况

某大型化工厂其中一个装置的控制系统在设计之初，因电气专业认为UPS电源输出的稳定性是最重要的，因此企业投入了较高的资金为系统选择互助式冗余并联UPS供电方式。但在实际使用过程中发现，UPS电源只有一路输出，而目前比较主流的CENTUM CS3000系统(图4)和ITCC系统都是双电源冗余配置模块，需要有两路电源供电输入。

图4 CENTUM CS3000系统机架示意图

最后经多方协商，决定采用一路市电、一路UPS的供电方式来保证控制系统的电源冗余输入。从后期使用情况来看，市电输入这一路电源因雷击、电网晃电等原因多次发生停电事故，最严重的一次是两小时停电3次。待供电稳定后检查系统时发现，控制系统有多处报警，联系控制系统厂家服务工程师到现场收集数据后分析发现，是供电系统不稳定造成多次冲击后导致系统部分电气元件失效进而引起报警。虽然装置能够继续使用，但由于化工厂必须保证连续性稳定生产，因此将有报警的模块全部更换，造成直接经济损失十余万元，而且后续还需对UPS供电系统做出相应的技术改造，才能保证控制系统在以后的生产中安全、稳定、连续运行。

4 结束语

通过两路UPS提高自控系统的供电可靠性已成为各企业的共识，但UPS供电方式多样化，选择合适的并机方式至关重要。UPS在某化工厂自控系统中的实际应用情况表明，只有一路输出的互助式冗余并联UPS供电方式无法保证系统(要求有两路电源供电输入)的安全、稳定、连续运行，反而造成企业的巨大经济损失。为此，技术人员决定后续将系统改用互动热备式UPS电源供电方式，该供电方式一方面有很好的经济性，另一方面可以使控制系统的电源输入两路均为UPS供电，保证生产系统运行更加稳定可靠，使系统主机电源在实现UPS冗余并机各种优点的同时，其他用电负载也可以很好地实现人为均分。

[1] 赵宏世.DCS供电系统改造方案的选择与实施[J].内蒙古石油化工,2011,37(21):68～72.

[2] 白会贤,牛玉广,刘吉臻.DCS电源供电系统的可靠性定量分析[J].自动化仪表,2009,30(7):19～21.

[3] 雷宁博,刘丽丽.优化UPS运行方式,提高DCS供电可靠性[J].仪器仪表用户,2010,17(5):82～83.

[4] 赵建波.单UPS供电系统在DCS中的应用[J].纯碱工业,2014,(4):40～42.

[5] 蔡勇.UPS并机供电运行可靠性分析[J].齐鲁石油化工,2003,31(2):100～101.

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1000-3932(2016)09-0992-03

2016-01-12(修改稿)