天然气输气站场站控系统供电可靠性设计研究

刘朋

(中石化石油工程设计有限公司，山东 东营 257026)

天然气长输管道输气站场负责接收上游高压来气，并对来气进行过滤、计量、调压等处理，同时为下游管道、用户进行连续输气。站场过程参数检测、流程控制、安全联锁功能的实现，依托于站内的站控系统(SCS)、现场检测仪表、执行装置(远控阀门)等设备，其中SCS是站场控制功能实现的核心。由于控制系统外部供电故障，导致控制系统宕机，继而引发正常控制流程中断，甚至引发全站停输的情况时有发生[1]，这对于一些不允许中断的供气用户(电厂、化工厂等)，如不能及时恢复生产，将可能造成重大的经济损失，并使管输公司声誉严重受损。这种非紧急工况、非计划导致的停车，应极力避免，因此如何构建安全可靠的控制系统供电配置，是一项十分重要的课题。

1 输气站场控制系统简介

天然气长输管道输气站场SCS包含独立的过程控制系统(PCS)和安全仪表系统(SIS)，PCS和SIS均采用PLC实现。PCS担负着流程参数检测、调节、流程切换控制；SIS担负着火气参数检测、超压联锁及紧急关断等功能，其PLC具有不低于SIL2的安全完整性等级认证。SCS是整个站场自动化控制的核心，典型输气站场SCS的结构如图1所示。

图1 典型输气站SCS结构示意

输气站场进出站紧急关断阀门一般采用气液联动阀，通过其内部的电磁阀控制气路开关实现阀门的开关，紧急关断控制电磁阀的信号接入到SIS，而SIS的控制输出为励磁逻辑[3]，正常情况下电磁阀带电，一旦SIS断电，电磁阀将失去励磁，导致进出站气液联动阀门关闭，全站停输，造成下游分输用户和管道供气的中断。输气站SIS的PLC的CPU模块、电源模块、通信模块均为冗余配置，PLC本身的可靠性可以得到有效保障，因此如何做好外部电源的可靠性，是制约SIS可靠性的关键。

2 SCS供电故障分析

以SCS的核心设备PLC控制柜为例，早期站场PLC控制柜供电设计中，通常采用1套不间断电源设备(UPS)供电，机柜内所有用电负荷均通过该UPS配电回路在柜内进行分配，UPS配电回路如图2所示。

该方式供电回路中可能导致系统供电故障的主要原因分析如下：

1)UPS电源本身故障[4]。作为PLC控制柜唯一的供电电源，如UPS本身发生故障，将造成控制机柜断电。

2)配电回路故障。导致配电回路故障的原因很多，配电回路中任何一个环节的元器件(开关、防雷保护器等)故障、供电电缆故障均会导致配电回路故障，使PLC断电。

3)用电设备故障。配电回路支路上的某路电源故障(短路)，均会导致整个配电回路故障，尤其是支路上的照明、风扇、插座等负荷，该类负载可靠性较差，容易导致支路短路，进而可能引发整个UPS配电回路的短路，是造成PLC供电故障的重要原因之一。

通过以上分析，导致SCS供电故障的原因主要包括供电设备、配电回路设置、负载等，因此要解决SCS的供电可靠性问题，也应综合考虑上述几点问题。

3 供电可靠性设计

3.1 UPS选择及冗余方式选择

输气站SCS属于一级负荷中特别重要的负荷，因此应选择高可靠性的UPS设备及其冗余方式，以保障供电可靠性。UPS由整流器、逆变器、转换开关、储能装置及控制器组成，当UPS外部输入电源故障时，UPS在一定时间内能够维持负载的动力供应，其中转换开关一般采用静态转换开关(STS)，其切换时间为毫秒级，可以满足精密电子设备的连续供电需求。根据UPS电路结构，UPS分为三种基本类型[5]： 双变换UPS、冷备用UPS、市电交互UPS，其中双变换UPS的原理如图3所示。

图2 早期站场PLC所用UPS配电回路示意

图3 双变化UPS原理示意

由于双变换UPS的逆变器始终处于工作状态，无转换时间问题，双变换具有输入电压范围宽、输出电压稳定、精度高等优点，因此输气管道站场推荐选用双变换UPS。

3.2 UPS冗余方式

实际应用中，单套UPS的可靠性不可能无限高，当UPS维护、维修时，因误操作等原因造成UPS输出故障的概率更高。为提高UPS的可靠性，重要的供电场合UPS通常采用并联冗余、备用冗余方式[6]。

1)并联冗余。指2套或多套UPS并联，各单套UPS的输出并联连接到1套公共的输出系统中。由于输气站场UPS功率一般不大，选用“1+1”并联冗余(以下简称并联冗余)，通常情况下，2套UPS各带50%负荷，当其中1套故障时，自动切换，另1套将承担全部100%负荷。当主UPS恢复时，可通过自动或手动的方式将负荷切换回原UPS。并联冗余方式中输出系统共用，设计选型时应重点考虑，如输出系统可靠性较差，将成为并联UPS的瓶颈。UPS并联冗余结构如图4所示。

图4 UPS并联冗余结构示意

2)备用冗余。由2套独立的UPS构成，与并联冗余方式不同，2套UPS输出不共用，由于没有公共输出系统的瓶颈限制，该方式的可靠性更高，但投资更大。在压气站、调控中心等具备独立2路外电的场所，可选用该种系统冗余的方式。同时，如SCS各设备、部件具备双电源模块，双电源模块分别接入2套独立的UPS输出，将进一步提高系统供电的可靠性。UPS冗余结构如图5所示。

图5 UPS备用冗余结构示意

与UPS的“1+1”并联冗余方式相比，UPS备用冗余结构具有各自独立的输出，投资相对较高，但不存在公共输出系统带来的瓶颈问题，其可靠性比并联冗余方式更高。

3.3 STS技术应用

STS是UPS中特别重要的部件之一[7]，STS主要由高速可控硅、短路器、控制器构成，切换时间短，可满足服务器、IT、工控等电子设备不断电的切换时间要求。根据GB/T 50823—2013《油气田及管道工程计算机控制系统设计规范》[8]要求，输气站场SCS的UPS允许瞬断时间要求不大于4 ms。STS采用“先断后接”的工作模式，输入的2路电源可以同相，也可以不同相，从而大幅地提高了STS的应用范围。STS广泛应用于UPS单机中UPS输出和旁路间切换、冗余UPS单机间切换。

由于STS的独特性能，在输气站场SCS设计时，STS可与SCS双电源供电设计模式相结合，构建高可靠性的供电系统。

3.4 SCS双电源供电设计

根据上述分析，采用单套UPS时，即使UPS的可靠性已经有了较大提高，但单电源供电方式本身存在可用性不高的固有缺陷，在输气站场中明显不适用。为提高PLC供电的可靠性，PLC应采用2路相互独立电源供电，避免同时遭到破坏。在输气站站场内，该2路电源通常可以是2路独立的UPS输出或1路UPS、1路非UPS(市电)；在分输站、末站，UPS设备通常采用冗余并联方式；在压气站、调控中心，UPS推荐采用备用冗余UPS方式。

3.5 SCS供电负荷分类

根据SCS内各部分是否与监控和安全报警直接相关，将SCS内部负荷划分为关键负荷和非关键负荷。关键负荷指SCS内与现场监控和安全报警有关的负荷，如机柜内24 V(DC)电源、控制器、I/O、机架、通信设备的供电，服务器、操作员站、工程师站的供电；非关键负荷指SCS内与现场监控和安全报警无关的负荷，如照明、风扇、空间加热器、备用插座、打印机等[9]。

如果非关键负荷与关键负荷共用供电回路，一旦非关键负荷发生短路故障，将直接影响关键负荷的供电，因此应将非关键负荷的配电回路独立出来，且非关键负荷宜由普通电源供电，既可以避免非关键负荷故障对关键负荷的影响，又可以降低UPS的总负荷。

3.6 输气站场PLC系统可靠性供电设计

1)UPS选用“1+1”并联冗余UPS或备用冗余UPS。在具备2路独立外部供电的重要应用站场(如压气站)、调控中心，推荐采用备用冗余UPS，备用冗余UPS分别接至2路独立外部电源，进一步提高UPS供电的可靠性。普通输气站、末站可采用“1+1”并联冗余UPS，以降低投资。

2)机柜供电回路设置。机柜内配电回路如图6所示，配电回路设置原则如下：

a)机柜内划分关键负荷与非关键负荷。关键负荷与非关键负荷配电回路相互独立，避免非关键负荷短路故障对关键负荷供电回路造成影响。

b)关键负荷采用双电源输入。根据采用的UPS的不同，采用两种组合方式： 并联冗余UPS与市电的组合；2套UPS做备用冗余。

c)非关键负荷采用市电供电。

图6 PLC配电回路结构示意

3)双电源冗余模式。输气站场站控PLC关键负荷双电源冗余模式有两种： 基于STS设备实现双电源冗余；PLC本身各部分支持双电源输入，各部分均采用双电源接入。

a)STS实现双电源冗余。该种供电模式如图7所示，以STS设备作为双电源切换模块，双电源可选择UPS与市电组合、UPS1与UPS2组合。以UPS与市电组合为例，UPS作为主电源，市电作为备用电源，正常情况下STS选择UPS给负载供电，当UPS出现故障时，由STS自动切换到市电，继续给负载提供供电，当UPS恢复后，STS可自动切换回UPS。由于STS的切换时间约为4～8 ms，不会造成PLC的宕机。

图7 STS实现双电源冗余示意

b)PLC内部各部件支持双电源供电。目前，输气站场选用的PLC的CPU机架一般为冗余机架，或者单机架双冗余或三冗余模块，单机架时电源模块为冗余配置；图8所示的IO机架均配置了双电源输入模块，冗余机架或冗余电源输入模块可以接入2路不同电源，以提高供电的可靠性。各CPU机架、冗余电源模块、机架冗余电源输入等结构分别接入不同的外部输入电源，具体配置如图8所示。

图8所示的配置方式，将电源冗余分散到各冗余部件中，与STS电源冗余方式相比，无共用STS部分，且PLC各部分的冗余性能可靠性均有较大保证，使供电的可靠性更高。但该配置方式实现的前提是PLC各部件均要支持双电源输入或为冗余部件，同时该配置方式需要将2路外部输入电源的配电回路完全分开，其内部配电比STS冗余方式复杂，尤其是对于已建系统需要做大量的配电回路更改，与STS方式相比工程量大，所需时间长、成本高。

3.7 操作站和服务器供电

输气站场的操作站、服务器均为冗余配置，通常使用1路UPS供电回路，当该供电回路出现故障时，所有操作站、服务器均断电。在操作站、服务器断电后，虽然站场仍可由PLC控制，保持继续运行，但断电期间的数据却无法保存，且操作人员无法通过人机界面了解生产流程的运行状态和发出操作命令，站场监控实际上处于非正常状态，如不能及时恢复，也将对生产造成影响。

通常输气站场的操作站和服务器均为单电源输入，结合外部供电条件，可使用以下方式提高供电的可靠性：

1)站内采用冗余UPS时，使用普通市电作为第2路电源，操作站和服务器可分别采用STS作为冗余UPS和普通市电的切换装置。

2)站内采用备用冗余UPS时，操作站和服务器冗余设备分别接入不同的UPS中。

3)冗余设置的操作站、服务器，其中1台可采用UPS、另1台可采用普通市电供电。

图8 PLC内部各部件电源模块配置示意

4 其他措施

除采用以上提高SCS供电可靠性的措施外，还可以从以下几方面进一步提高供电的可靠性：

1)关键控制系统应采用电源直供，即供电电源不经过供电箱二次分配，直接从母线经开关和电缆配出，减少中间环节，从而减小发生故障的概率。如输气站SIS的关键负荷双电源均应采用电源直供，PCS的关键负荷双电源应至少保证UPS电源直供；同时非直供电源要尽量减少配电级数，且不应超过三级[10]。

2)SCS外部供电回路均配置电涌保护器，尤其是跨越建筑物的供电电缆。

3)加强对UPS设备的维护、检测，及时更新老化部件，提高UPS电源本身的可靠性。

5 结束语

天然气输气站场SCS的供电可靠性直接决定着站场输气流程能否安全可靠的运行，采用合理的供电方式、配电回路可极大地提高SCS的供电可靠性。由于供电配置成本和可靠性各有不同，因此设计时应结合工程的具体情况，选取安全可靠、性价比高的方案。