火電機組間斷電源系統的優化設計

0對明確的系統供電和相關設備的要求,提高了主機正常隨著科學技術產品在能源輸變電管理系統（cs）、工業控制儀表、溫度控制裝置和其他保護系統中的應用和普及，對供電質量提出了越來越嚴格的要求。在計算機運行期間,供電的中斷將會導致隨機存儲器中數據的丟失和程序的破壞,有時甚至使計算機硬盤遭到破壞,造成難以彌補的損失。為了避免數據丟失和主機正常工作,必須要求一種電源系統能在小于5ms的時間內重新送電,以保證計算機系統的正常工作。為了滿足高可靠和高質量的供電要求,不間斷電源UPS(UninterruptiblePowerSystem)成為火力發電機組DCS及重要熱控設備電源的首選,其設備選型、方案設計是否合理,是向發電機組控制系統提供高質量、安全可靠電源的關鍵所在。1在接向負載供電系統中的應用UPS是一種含有儲能裝置、以逆變器為主要組成部分的恒壓、恒頻的電源設備,廣泛應用于精密儀器、醫療設備、通信系統、安全監控、網絡系統、自動控制生產線等對電流穩定性要求較高的場合,按工作方式可分為后備式和在線式2種。后備式UPS在市電正常供電時逆變器不工作,市電通過交流旁路通道直接向負載供電,只有在市電停電時才由蓄電池供電,經逆變器驅動負載,它對市電品質基本沒有影響。而在線式UPS卻有所不同,它主要由輸入隔離變壓器、輸入濾波器、整流裝置、逆變裝置、輸出隔離變壓器、靜態開關、旁路裝置等元器件組成。其工作原理是:首先將市電經整流裝置變換成直流電源,然后在逆變裝置內將直流電源變成高質量正弦波電源;當交流工作電源消失或整流裝置等元器件故障時,由直流系統或自帶蓄電池組向逆變裝置供電;當逆變裝置故障輸出電壓異常或過載時,則由靜態開關切換至旁路。而且設有手動旁路開關,以保證UPS檢修和維護時不中斷負載電源。因此,在線式UPS能提供一個連續、穩定的電源給需要保護的設備使用,使設備免于遭受停電、低電壓、高電壓尖波、突波干擾等因素的困擾,可以為火力發電機組控制系統提供高品質、安全可靠的電源,以確保電力生產的安全、穩定、可靠。相對于后備式UPS而言,在線式UPS大大改善了供電品質,可保證負載安全、有效地工作。2垂直冗余配置盡管單機在線式UPS有直流、旁路2個應急措施,但當UPS發生故障時仍然無法保證系統電源的不間斷供電。要真正實現DCS電源的不間斷供電,UPS設計必須做到UPS裝置的冗余配置。UPS裝置冗余配置主要有2種接線方式,下面以2臺UPS裝置為例進行說明。2.1主機和從機負載雙網特性主機-從機型串聯“熱備份”UPS供電系統就是常說的熱備份串聯冗余系統,其原理接線圖如圖1所示。該供電系統有主機和從機之分,它將從機#2UPS的逆變器輸出端連接到主機#1UPS的交流旁路“靜態開關”的輸入端上。用戶的負載僅同主機#1UPS的輸出端相連。其基本原理是:主機正常時100%地承擔負載電流,故障時,由從機提供后備電源。由于備用UPS是在主機旁路處處于等待工作狀態,故稱為熱備份。2.2直接并機冗余式根本原因隨著UPS并機控制技術的日臻完善,直接并機型冗余式供電系統的應用范圍在不斷擴大。它既能提高UPS供電系統的可靠性、實現電源系統的擴容,又能按照不同的需要組成多種配置。直接并機型冗余式供電系統接線圖如圖2所示。該供電系統是將2臺(或2臺以上)同型號、同功率的UPS,通過并機柜、并機模塊或并機板,把輸出端并接而成,系統內各UPS均分負載。其基本原理是:在正常情況下,2臺UPS均由逆變器輸出,平分負載和電流,當1臺UPS故障時,由剩下的1臺UPS承擔全部負載。它的抗過載能力比熱備份串聯方式高得多,而且在合理的設計選型時,每臺UPS正常運行時的功率一般在額定容量的50%以下,因此,該系統能夠在防止故障特性的模式下不間斷地向負載供電。直接并機型冗余式供電系統與熱備份串聯方式相比,具有如下特點:(1)直接并機型冗余式供電系統可工作在冗余方式下,也可工作在擴容方式下;而熱備份串聯系統則只能提供一定程度的冗余。(2)在直接并機型冗余式供電系統運行中,每臺都可以在完全斷電的情況下進行維修而不影響系統的正常運行,真正實現在線維護;而熱備份串聯系統則不能使其中的1臺在完全斷電的情況下進行維修,特別是主機絕對不能完全斷電,而從機完全斷電時也會使主機處于報警狀態,此時逆變裝置一旦出現故障,就會造成對負載的供電中斷。(3)熱備份串聯系統中2臺UPS處于主機-從機工作狀態,當主機靜態開關發生故障時,將可能中斷整個系統供電,出現瓶頸故障。而且在市電故障、市電超限時,因UPS封鎖旁路而導致主、從機無法切換,造成熱備份失效。直接并機型冗余式供電系統中,2臺UPS的輸出都接在母線上,就不存在該種故障點,提高了運行可靠性。(4)直接并機型冗余式供電系統中,每臺UPS帶一組蓄電池,逆變裝置輸出電流量均等,在運行中可方便地對各自的蓄電池組進行定期的充放電;而熱備份串聯系統中,從機長期處于備用狀態,電池也長期處于浮充狀態,影響電池壽命。對于采用直流屏供電的UPS系統而言,可不考慮蓄電池組定期充放電問題。(5)在直接并機型冗余式供電系統中,由于2臺UPS的運行都處于均等的情況,使得每臺的性能都得到充分發揮;而不像熱備份串聯系統那樣,主機總帶滿負載運行,從機總空載運行,空耗電,其平均無故障工作時間偏低。因而,直接并機型冗余式供電系統有利于提高運行效率。3對工業級電源系統進行不斷改造和新工藝2005年6月11日,天津軍糧城發電廠#6機組由于UPS故障導致DCS全停,最終導致#6機組非計劃停運,給電網和全廠造成了重大損失和惡劣影響。事故發生后,請UPS廠家前來檢查,發現電路板中有個電容出現故障、主UPS上S1開關失靈造成主UPS死機,使得整個UPS電源系統失去供電,最終導致#6機組非計劃停運。當時DCS的UPS設計采用的就是主機-從機型串聯“熱備份”UPS供電方式,從本文“UPS裝置冗余配置方式”中可以看出,這種方式只能提供一定程度的冗余,而且只要主UPS故障就會使得從UPS無法實現投入,最終造成對負載失去供電。此次#6機組非計劃停運正是由于主UPS死機時備UPS無法投入運行導致對整個DCS失去供電造成的。德國AEGSVS公司生產的AEGProtect系列UPS產品具有如下特性:(1)為在線式UPS,采用DSP、IGBT、PWM調制技術100%全數字控制系統;(2)整流器、逆變器、旁路分別由微處理器控制且這3部分采用直流電源且冗余;(3)風扇冗余,可以熱更換;(4)采用CAN總線通訊,抗干擾能力強,高速、有效的通訊實現了多主機技術(FMMT)技術,通過FMMT來保證系統安全可靠;(5)抗短路能力強;(6)效率高,帶負載動態響應快。德國AEGSVS公司開發的并機技術,冗余并機可達8臺,且AEGUPS并機運行模式不需另外加設中央控制部件,負載均分。通過幾個UPS冗余并機運行,可以更進一步提高系統的供電可靠性。如果某臺UPS單機發生故障,則被立刻關閉,其他的UPS會自動承擔全部負載,對負載不會產生任何影響。如果2臺主機的任意一臺出現故障,另一臺主機將會即刻自動地接管主控功能。結合UPS并機系統的特點,為了更大程度地降低DCS電源故障率,經過研究決定,在2套直接并機型冗余式供電系統的基礎上,再增加1路由2套并機系統的輸出和自動互投切換裝置組成的主-備供電系統向DCS供電。同時,為了保證在旁路狀態下供給DCS的電源品質,增加2個旁路穩壓電源柜分別作為2套并機系統的旁路電源輸入。基于此,采購了4臺工業級AEGSVSPowerSupplySystemsProtect5.31的20kV·A、三相輸入/單相輸出UPS電源和2臺配套的交流220V旁路穩壓電源裝置,組成既有并機冗余系統、又有自動互投回路進行切換的主-備供電系統向DCS系統和其他熱控設備供電。考慮到UPS的蓄電池保養維護不方便,設計方案時把蓄電池改為采用電廠的直流屏為UPS提供直流電源后備。改造工作分步進行,先對#6機組UPS電源系統進行改造,再利用機組年檢和調停機會對#5、#7、#8機組UPS電源系統進行改造。具體方案是將2臺UPS裝置和1臺旁路穩壓電源組成1套直連并機冗余系統,然后,由2套相同配置的并機系統的各自輸出母線(輸出母線由不同的電纜組成,保證電纜發生故障時,另一套并機系統仍能不間斷供電)分別輸出一路電源至DCS電源柜。在DCS電源柜內每套并機系統的輸出母線都分成2路,2套并機系統先各自取出一路給具有主-備雙重化電源結構的DCS和冗余配置系統等同類型的設備供電,再各取出一路電源通過自動互投切換裝置組成互備系統向無雙重化電源結構的DCS設備及其他重要熱控設備等供電。該系統既有直接并機冗余配置方式的特點,又具有自動互投的優點,任何一路失電將自動切換到另一路電源供電。改造方案接線原理如圖3所示。2套并機系統輸入電源如下:主電源1,保安段CC6E-1#1UPS380VAC電源;主電源2,照明段CC6L-1#2UPS380VAC電源;旁路電源1,#1旁路穩壓電源柜輸出;主電源3,保安段CC6E-1#1UPS380VAC電源;主電源4,照明段CC6L-3#2UPS380VAC電源;旁路電源2,#2旁路穩壓電源柜輸出;直流屏,來自電氣直流Ⅰ、Ⅱ段,分別給DC#1、DC#2、DC#3、DC#4供電。2套并機系統輸出電源分配如下:輸出1、輸出3,給DCS各子站(EMCS\SCS\CCS\DAS等)、DEH、MEH、FSSS、網關、TSI等具有雙重化電源系統的主-備DPU、主-備PLC和NPU等同類型的設備分別供電;輸出2,給計算站、歷史站、工程師站、MIS站、DCS前端、機爐熱工信號柜、爐膛火焰監測系統、汽機本體保護系統等無雙重化電源的DCS設備及其他重要熱控設備等供電。為防止操作員站出現全部黑屏等故障,操作員站一分為三,分別由輸出1、輸出2、輸出3供電。4滌綸及其他同類型領域的組成特點UPS直接并機加自動互投的冗余供電方式在該廠DCS改造投運后運行至今,期間#8機組發生過單臺UPS整流控制板故障導致該UPS停運的情況,但由于系統冗余程度非常高,絲毫沒有影響和中斷機組DCS和熱控儀表、保護裝置等設備的供電,保證了機組的安全運行,完全達到了當初改造時的設計要求。具體地講,該供電系統有如下特點:(1)該UPS裝置采用了抗干擾能力強,輸入、輸出端均有隔離裝置的工業型AEGUPS。(2)2套并機系統給DCS供電,輸出母線由不同的電纜組成,保證了電纜發生故障時,另一路仍能不間斷供電。(3)針對DCS設備有無雙重化電源情況和同類型單元,對其每個獨立電源模塊實現單獨供電。(4)增加了互為備用的自動互投切換回路實現快速切換。(5)考慮到UPS的蓄電池保養、維護不方便,把蓄電池改為采用電廠的直流屏為UPS提供直流電源后備。(6)為了提高UPS裝置的旁路電源質量和穩定性,增設旁路電源穩壓裝置。(7)具有很高的冗余性,不論哪一路并機系統或者UPS裝置發生故障,其供電可靠性和品質都能得到保證。同時,還設有手動旁路開關裝置,方便用戶在檢修UPS時把DCS切換到旁路穩壓電源柜輸出供電,確保DCS供電的穩定性。(8)UPS帶有DOU面板,能顯示運行狀態、運行參數和各種報警信號,方便操作和監視。5電源系統冗余性得到了保障該廠通過對DCS電源的成功改造,證明UPS直接并機加自動互投的冗余供電方式極大地提高了電源系統的供電可靠性和品質,同時