摘要：化工企业生产连续化生产多采用DCS控制系统，为保证该系统供电的可靠性，要求采用UPS作为其供电电源。由于石化企业内部专业上的分工，使得UPS本身及配电方式的选择存在一定的盲区。本文根据笔者实践经验，从UPS工作方式、主要指标、容量、功能以及配电方式进行探讨，提出了针对石化企业特点的解决方案。
关键词：UPS的选择；配电方式；探讨
前言：
化工企业控制系统目前已广泛地采用DCS系统，由于该系统对供电的可靠性及电源品质要求很高，所以UPS（不间断电源）已成为供电的必备设备。正确、合理地选择UPS及其配电方式，不但可以控制项目的投资，更可以提高DCS系统供电的可靠性。从使用的角度来讲，UPS供电可靠性也是保证装置长周期运行的重要一环。但是，在开始接触UPS时，不论是设计者还是使用者，对UPS的认识都不够充分。各类设计规范中关于UPS的选择及配电方式的说明也不是很深入。而且，此类设备介于仪表与电气专业之间，设计时也存在衔接的问题。上述原因造成了UPS及配电方式的选择上存在着一些不足，解决好这一问题关系到生产装置的安全及长周期运行。
1.UPS的选择
1.1UPS工作方式的选择
目前上市场上提供UPS的厂家和品牌也多种多样，对UPS的工作方式的划分也各有标准。商家出于利益的考虑，往往过分强调其品牌工作方式的优势，而不去管实际使用的具体情况。根据《中华人民共和国国家标准GB07260-2003 第3部分：确定性能的方法和试验要求》的附录B定义，将 UPS运行方式分为：双变换运行、互动运行、后备运行等三类运行方式，即UPS行业广为熟悉的双变换UPS、互动UPS、后备UPS等三种，而且标准中也给出了各种工作方式的说明及标准的原理框图。早期在石化行业中广为使用“在线式”一词在国标明确作出了避免使用的要求，而只使用术语“双变换”。所以在UPS工作方式上的选择上，符合石化企业要求的UPS应是双变换UPS，只有此种UPS提供的电源质量才能满足DCS的要求。无论商家如何宣传，我们都可以对照国标中给出的框图（如图一）进行判断。
1.2UPS指标的选择
由于UPS是为DCS供电，在《化工仪表设计手册》中，对供电要求提出了三大类11个技术指标。而通信行业标准YD/T 1095--2008《通信用不间断电源--UPS》是目前关于UPS比较全面的一个标准，标准内关于UPS的电气性能分三类技术要求给出了21个指标项目。从石化企业连续生产及对DCS供电的高可靠性、高质量的要求，笔者认为在UPS指标的选择上可参照YD/T 1095—2000中的Ⅰ类技术要求进行。市场上常见的UPS能够给出全部这些指标的并不多见，给出的常用指标也可以满足标准的要求。表一中列出了部分容易被忽视的但又十分必要的指标供大家参考（表中的序号为标准中序号）：
YD/T 1095—2000对UPS电气性能的要求（部分） 表1
注：表中的序号为标准中序号。
1.3 UPS容量的选择
手册中规定作为工作电源，UPS的容量应按各类仪表耗电总和的1.2倍计算，考虑备用电源时，可以按1.5倍计算。有资料中给出UPS实际供电容量应是所选容量的80%，也就是选取1.25的系数。我公司共有21台容量在20KVA以上的UPS，这些UPS实测的负荷率都不足20%，有的运行电流不过1安培，造成这种情况的一个重要因素是仪表专业在计算用电负荷的不准确、保守容量过大，致使UPS长期运行在低负荷的状态下降低使用寿命，同时也增加了建设投资。因此，笔者认为电气专业人员应对仪表用电负荷情况进行校核，同时在系数的选取上可按1.15---1.25之间，这样可以保证容量的选择更合理。
2.电池容量及后备时间的选择
在UPS中，大量使用蓄电池作为储存电能的装置，在中小型UPS中被广泛使用的是密封式铅酸电池，它的价格比较贵，一般约占UPS总售价的1/4—1/3左右。蓄电池在UPS中占有相当重要的地位，有人说，蓄电池是“UPS的心脏”，我看并不过分。因此，电池的选择是十分重要的，有资料表明UPS供电故障的40%来源于电池，因此一定要选择高品质的电池。由于蓄电池的实际可供使用容量与放电电流大小、蓄电池工作环境温度、蓄电池存储时间的长短、负载种类和特性（电阻性、电容性、电感性）等因素密切相关，只有在充分考虑这些因素之后，才能正确选择和确定蓄电池可供使用容量与蓄电池标称容量的比率。另外一个重要指标就是电池的后备时间，它是关系到电池造价的一个重要因素。《化工仪表设计手册》规定静止不间断电源配套的电池组工作的时间宜为30min。《UPS供电系统应用手册》中电池的后备时间上的选择上，要求满载工作时间为10min、15min、30min。由于石化企业供电系统非常可靠，一般都有两到三个电源，出现长时间停电的机率很小。以我公司为例，近10年没有出现过全公司的停电的事故，局部停电的时间也没有超过5分种。另外，仪表计算负荷过大也会使电池的容量有很大的裕度。因此，笔者建议按10min的后备时间选择应该是可以满足要求的。具体计算时，可以先求出所需蓄电池的最大放电电流，可参照如下公式一：
其中：S—UPS电源的标称输出功率；
PF—负载的功率因数，一般取为0.8；
η—逆变器的效率，一般也取为0.8；
UDCmin——蓄电池放电终了电压。
求得蓄电池放电电流后，选择蓄电池容量可根据选择的后备时间来确定电池组的容量，具体可参照公式二计算：
Cn=k（Ia/In） （公式二）
其中：In一查表得电池放电速率；
Cn一电池总容量（Ah）；
k一修正系数，一般取0.75；
3.其它功能的选择
从UPS的发展趋势上看，高频化和模块化是未来UPS发展的主要方向。在有条件的前题下，应选择此类UPS。同时选择UPS应尽可能地具有智能管理和通信功能。智能管理功能要求UPS本身具有本地智能管理接口，可实现本机与电池自动检测、显示、报警，以及运行参数的设置功能；通信功能网络管理，专用电源监控软件，支持SNMP网管器，可支持的管理平台及相应的认证；网络通讯，支持基于TCP/IP之上的网络信息传送；基于公用网通讯，支持基于公用电话网的信息传送。这些功能有助于实现对UPS的网络化管理。
4.UPS配电方式选择及其配置
4.1单点供电情况下配电方式的选择
石化系统一套装置一般采用的每个操作室配置一台UPS的单点配电方式，而装置长周期及石化企业连续生产的特点，要求UPS供电系统本身具有100％的可靠性，在运行中既不允许出现任何瞬间供电中断的停电事故，原则上也不允许出现由普通的市电经交流旁路直接向负载供电的局面。从UPS电源的三种工作状态即逆变工作、电池工作及旁路工作来看，其确实有较高的供电质量和可靠性。但是UPS 电源毕竟是由成百上千个电子元器件、功率器件和散热风机与其他一些电气装置组成的功率电子设备。当采用单台UPS电源进行供电时，由于其存在单点瓶颈性故障隐患，所以还是会发生由于UPS电源本身的故障而中断供电的现象。按照当今的UPS制备技术水平，惟一能完善地解决这个问题的办法是采用双总线输人＋UPS冗余直接并机供电系统＋双总线输出＋负载自动切换开关的供电方案才有可能达到此目标。这是一种具有高度容错能力的冗余供电系统，只要设计妥当，就可以消除可能出现在UPS供电系统中的单点瓶颈故障隐患。但如在每个供电点都采用此方案，必然增加几倍的投资。因此，在单点供电的情况下，目前广泛采用双机并联热备份1+1冗余的供电方案，该技术可使供电系统的可靠性得到很大的提高。资料表明：UPS串联备份比单机的可靠性高两个数量级，而双机并联冗余系统的可靠性又比串联时的可靠性高出两个数量级。由此可见，并联热备份1+1冗余的供电方案是解决单点供电的有效方式。这也是笔者推荐的单点供电的解决方案。
4.2多点供电方案选择及UPS的配置
单点供电的配电方式存在着投资大，电源间不能互为备用的缺点。那么多个负载需要多点UPS电源供电时，是不是可以用一台大功率UPS集中供电，或者用双机并联的方式供电呢？原则上可以的，但供电线路的增加必然会带来可靠性的下降。那么，集中与分散供电方案选择原则应是什么呢？笔者建议按照负荷的分布情况配置UPS，具体如下：
4.2.1密集型负荷供电方式的配置
同一生产装置的不同操作室，间距在150米以内、负载比较集中、工艺关联密切，为便于管理，一般是用一台大功率UPS电源集中供电；如果要增加可靠性，还可考虑用两台大功率UPS电源热同步并机冗余集中供电。
4.2.2非密集型负荷供电方式的配置
由于石化企业各生产装置距离相对较远（超过150米），如采用热同步冗余结构集中供电，那么供电路径的安全性必然会下降，这样整体的安全性就会受到影响。有文献中给出了一种较佳的供电的方案：中心负荷采用冗余结构UPS供电，其它较远的负荷采用独立UPS供电，并保证冗余结构UPS电源的容量有能力兼供另外一处负荷，各UPS电源点之间具有手动并网联络功能，从而形成强大的UPS电源网络。这种解决方案可以提高整体供电的安全性，同时运行方式也比较灵活。
4.3 UPS外电路的选择
石化行业早期工业仪表供电多采用多电源接触器互投的方式，用以增加供电的可靠性。因此在UPS的外电路的选择上，传统的供电方式经常作为UPS主电源或者外电路以增加系统的可靠性。但因动态开关为有触点开关，靠机械动作完成转换，动态开关转换过程会有几十毫秒的瞬时供电中断，中断时间大于微型计算机所允许的10ms要求，故此种配电方式不能在不中断供电时实现电源的切换，而且还会增加供电系统的故障点。所以外加双电源互投设备对UPS作为DCS系统供电电源来说是没有必要的。但无论多么可靠的供电方式都无法UPS本身故障，装置长周期运行必须要考虑到UPS故障在线更换的要求，因此应设置一个外电路可以使UPS完全断电进行维修或者整机更换，这是必要的。方案具体如图二所示：
5 结 语
石化行业设计中标准只对仪表供电电源提出一些指导性的指标，而对UPS这种使用非常广泛的设备的选择提供明确的依据。对于配电电路方面的要求几乎没有。本文在这些方面的探讨，希望能给设计者和使用者提供一些参考意见，并能提醒相关规范的制定者尽快对规范进行完善。
参考文献：
[1]. 王其英，刘秀荣.《新型不停电电源（UPS）的管理使用与维护》[m].第一版，北京：人民邮电出版社2005年6月
[2]. 张乃国.《UPS供电系统应用手册》[m].第二版，北京：电子工业出版社2003年8月
[3]. 姚志刚. UPS电源在化工企业中的优化配置《化工生产与技术》2001年，第8卷第五期：21-23
[4]. YD/T 1095--2000《通信用不间断电源--UPS》[s]
作者简介：杨建卫（1971--），男，黑龙江省牡丹江市人，大学学历，工程师。
论文作者:杨建卫
论文发表刊物:《基层建设》2019年第13期
论文发表时间:2019/7/23
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