大、中型火力发电机组UPS供电可靠性探讨
2013年05月22日 11:26:31
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0引言
大、中型火力发电机组因机组自动化程度高，热工微机控制系统对电源连续性要求很高，所以设计上均考虑为热工微机控制系统配置交流不间断电源（uninterruptiblepowersystems，UPS）。然而近年来，由于UPS系统故障停电造成机组停运的情况屡有发生，例如：2000年7月，陕西某电厂一台100MW机组因UPS逻辑控制板故障停电造成机组停运；2002年5月，北京某电厂一台200MW机组因UPS控制回路故障停电造成跳机；2002年3月，河北某电厂一台300MW机组因UPS一路热工负荷回路故障停电造成机组停运。UPS系统的频繁故障已严重影响到大、中型火电机组的安全运行，应引起各有关方面关注。本文针对以上案例进行原因综合分析，围绕国内火电机组UPS在设计、产品质量、维护管理上存在的诸多问题进行探讨，提出了一些改进意见，希望对提高火电机组UPS供电可靠性起到一定借鉴和促进作用。
1目前大、中型火电机组UPS供电可靠性方面存在的主要问题
1.1大、中型火电机组UPS配置及负荷设计上存在的问题
1.1.1配置设计无统一规范
《电力工程设计手册一电气一次部分》[1]中对采用微机控制的火电机组UPS配置设计规定：UPS“设备可单台运行，也可双套运行”，所举600MW机组UPS配置范例为单台配置。DL5000-2000《火力发电厂设计技术规程》[2]13.3.18条规定：“当机组采用计算机监控时，应按机组设置交流不停电电源，交流不停电电源宜采用静态逆变装置，不宜再设备用”。DL/T5153-2002《厂用技术规定》4.6.3条中有与DL5000-2000相同的规定。设计规范上的不统一造成国内大、中型火电机组UPS配置出现各种不同方案，即使同容量机组的UPS配置方案也不尽相同。目前大、中型火电机组UPS配置归纳起来主要有以下几类方案：
（1）单台机组单台UPS的“一对一”配置方案；
（2）单台机组单台UPS配置，但不同机组UPS并联冗余运行（或相互备用自投）方案；
（3）单台机组多台UPS配置，每台UPS各带一部分负荷并互备冗余方案；
（4）单台机组单台UPS配置，同时，为二台及以上机组配置一台同容量的公用备用UPS，即“n+1”配置方案。
具体工程采用哪一类配置方案，除取决于机组容量外，还受到设计思路、投资额、建设方意愿等因素影响。
对于单台机组单台UPS的“一对一”配置方案，当UPS的部分重要热工负荷没有配置可靠的备用冗余电源时，一旦UPS装置因输出部分或控制回路故障而停电，必然导致机组故障停运。本文引言中前二个案例就属于这种情况。
1．1．2部分重要热工负荷电源未按备用冗余设计
UPS作为不间断电源，通常认为其可靠性是很高的，电力用静态逆变UPS一般如图1所示。
正常情况下UPS由机组PC供电。当PC中断时，逆变器在机组蓄电池支持下继续向负载提供毫无时间中断的电源。若直流电源再有故障或装置内部逆变器故障，静态开关1与静态开关2进行快速（＜5ms）切换，转由机组保安段供电。三路不同型式的独立电源和两组静态开关共同构成了UPS可靠的供电体系。然而UPS的监测控制系统是公用的，它是UPS装置的“神经中枢”和指挥系统，该系统一旦出现故障，如控制逻辑板或控制回路设备故障，将导致UPS整机故障停电。从这一点看UPS并非*意义上的“不间断电源”，它也有故障的可能，只是故障的机率较低而已。另外，UPS母线负荷分支开关回路也有发生故障的可能，如引言中第三个案例。所以，为了防止机组UPS故障或UPS负荷开关回路故障，通常对UPS的重要热工负荷电源设计备用冗余，如图2所示：
双路电源是互相备用冗余的。可以快速（＜5ms）转换，目前这种电源转换在技术上是可以实现的。但实际中，往往由于对UPS供电可靠性过于相信以及设计分工方面的原因（UPS负荷开关以下的设计属于热工专业），有一些重要的热工负荷只设计了UPS供电的单路电源，引言中第二、第三案例就属于这种情况，或虽然设计了双路互相备用冗余电源，但双路均接在一组UPS负荷母线上，并未实现真正意义的备用冗余。引言中*个案例即为此种情况。这样，当UPS故障停电或单路电源的负荷开关回路故障时，这部分重要负荷就因失电导致机组停运。
1.2部分电力用UPS产品设计和质量存在一定问题
目前，大容量电力用静态逆变UPS制造已达到相当水平。其监测控制系统基本上为微机型，可以说是集电力电子、计算机技术为一体的高技术产品。但从投入运行的UPS看，不论进口或国产设备，都存在一些产品设计和质量问题，主要有：
（1）UPS逻辑控制板故障。主要是制造质量方面的原因造成的。
（2）UPS控制回路，包括各种元件、插件、连线、开关、按钮等，个别产品也存在质量问题。
（3）目前绝大多数UPS的控制回路为单通道，没有像励磁调节器、部分重要保护那样做到控制通道冗余。
（4）一些元件、附件寿命与整机寿命相差很大，从而造成UPS整机故障率上升，寿命降低。
1.3电力用大容量UPS维护管理方面存在的问题
电力用UPS装置作为应用时间较短的电气设备，专业管理上不像典型的电气一、二次设备那样有明确的专业归口管理，也缺少统一、成熟的检修维护管理规范和条例。目前，大多数电厂UPS属电气专业管理，但也有些电厂UPS属于热工专业管理。从设备结构看，UPS内部一、二次设备互相关联交叉，小专业界面较难分清。再加上制造厂商“连续*运行XX年”、“免维护”等产品宣传的共同影响，造成了UPS一些部件、元件乃至整机失修，甚至出现检修维护工作上的死角。这是影响UPS供电可靠性的另一个主要因素。
2针对大，中型火电机组UPS存在问题的几点建议
2.1大、中型火电机组UPS设计规划方面的建议
（1）完善、规范火电机组UPS规划设计方案。针对不同容量机组，有关方面尽快统一、规范UPS配置规划设计方案，减少工程设计随意性。
（2）对UPS所有重要负荷电源均设计为互相备用冗余，且两路互备冗余电源应取自不同电源系统，如图2所示。所谓重要负荷电源是指短时失电即可造成机组故障停机的重要保护、控制、监测用负荷电源。实践证明，采取这一措施是非常有效的。本文引言中3个案例如果采取了这种设计，3次故障就都可能被避免。对于原设计不完善的，可通过技术改造来实现。引言第二个案例中的电厂，在故障后就进行了重要热工负荷双路互备冗余电源改造，改造后经定期做模拟转换试验，验证改造是成功的。
对于非重要负荷，主要是部分监测、信号类负荷，其电源短时失电一般不会造成停机故障。如失电时间较长，也可能造成机组间接异常或故障。但如果均考虑配置互备冗余电源，将使电源系统过于复杂，实际上较难实现。另外，设置了互备冗余的重要负荷电源，也有转换装置故障造成转换不成功的可能，所以，在条件允许时，还应考虑在UPS配置方面进行完善。
（3）合理进行UPS配置设计。根据上述内容，对1.1.1中列举的四种常见UPS配置方案进行分析：
方案（1）：系统简捷，投资少，但供电安全可靠性相对低。
方案（2）：系统较简单，也做到了UPS装置的并联（或备用）冗余。近些年发展起来的锁相同步控制技术已使多台UPS并联运行成为可能，但缺点是当UPS负荷系统，特别是母线系统故障时，除影响本机组外，还对并联（或备用自投）的其他机组的UPS造成冲击，甚至可能影响多台机组的安全运行。另外，采用这种配置，单台UPS容量要在本机组UPS负荷容量基础上再加上备用冗余的负荷容量，增加了投资。
方案（3）：供电可靠性是4个方案中zui高的，但如考虑互相备用冗余，UPS容量必须相应增加，该方案投资额高。
方案（4）：目前，已有大型机组采用此方案。每台UPS容量按单台机组UPS负荷容量选择。对于原设计采用方案（1）“一对一”配置的电厂，增设一台公用备用UPS（可按单机组UPS负荷容量），经过相关控制系统改造，即可实现“n+1”配置。引言案例一中的电厂，在故障后已进行了在原“一对一”配置基础上增设一台公用备用UPS的改造。
此方案在投资相对较少的情况下，实现了UPS备用冗余，当某一机组UPS故障，备用UPS自动实现不间断（＜5ms）切换投入供电，即使是UPS负荷母线系统故障，也不会影响其他机组运行。从功能、经济、供电可靠性几方面综合比较看都是*的配置方案。其原理示意图如图3所示。
各UPS的逻辑控制相对独立，备用UPS的直流输入和旁路输入分别取自不同机组并相互冗余。采用“n+1”配置方案的同时UPS重要负荷电源仍按备用冗余配置。采用这种多层次备用冗余配置后，将使大、中型火电机组UPS供电可靠性大大提高。
2.2对改善电力用UPS产品设计和质量方面的建议
（1）鉴于大、中型火电机组UPS的重要性，以及UPS控制系统易出现故障的事实，建议借鉴发电机组励磁调节装置的经验，对大容量电力用UPS的控制部分进行双通道配置，当控制系统的工作通道故障时，自动切换至备用通道运行。
（2）提高UPS控制逻辑板和控制系统其他设备的制造质量。各种元器件的筛选在现有基础上再提高一个档次。
（3）适当优化UPS控制回路，例如可以取消紧急停机按钮，因为可以用其他方法使设备停下来，多设一个元件就增加了一个隐患点。
改善UPS产品设计和质量主要靠制造商来完成，用户在订货时也可提出相应的技术、质量和功能要求，从而促进UPS产品设计和质量不断提高、完善。目前UPS产品种类繁杂、质量参差不齐，用户在设备选型时，除其他因素外，应对产品技术性能和质量给予特别的重视，尽量选度高、质量好、信誉度高、售后服务稳定的设备。
2．3改善、加强对火电机组UPS的维护管理
（1）加强、统一火电机组UPS专业管理。有关部门应尽快明确火电机组UPS专业管理归口。
（2）由于电力用UPS设备复杂、技术含量高，建议其核心技术部分可以制造厂家为技术依托，签定长期的维护服务合同。但必须明确责任范围，明确UPS设备及系统的安全责任主要在于电厂，避免出现管理漏洞。
（3）加强设备技术管理，明确设备分工，把设备管理责任制落到实处，使UPS的维护管理不出现死角。
（4）根据设备用户手册，结合设备特点，制定设备运行、维护、检修规程、条例和定期工作制度，定期开展试验、传动、清扫和其他维护工作。对于装置内部的各种元件，如厂家无详细规定，可套用电力系统同类设备的检验、试验、维护规定和条例进行维护和管理。保证UPS装置所有部件、元件处于良好状态。
（5）配备必须的备品配件，特别是控制板等控制回路设备，应有足够数量的备品。
（6）加强电力用UPS运行环境的管理，电力用UPS的运行环境应等同于计算机的要求。UPS配电室温度、湿度、粉尘浓度以及电磁干扰等指标均应满足产品要求。
3结束语
针对目前大、中型火电机组UPS供电可靠性方面存在的问题，采取以下措施是必要的：
（1）有关部门统一火电机组UPS设计规范，针对不同容量的大、中型火电机组，尽快规范典型配置设计方案。
（2）对短时停电即可影响机组安全的UPS重要负荷电源采用备用冗余设计。
（3）在条件允许时，宜采取1台机组配置2台及2台以上UPS或采用“n+1”配置方案。
（4）改善、优化产品设计，提高UPS产品质量，控制部分宜研制、采用双通道。
（5）明确电力用大容量UPS专业管理归口，加强设备定期工作和维护管理，确保设备不失修。改善UPS运行环境。
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