电力自动化系统安全运行的保障——UPS电源

分类：技术教程日期：2008-01-07 00:00:00

[摘要> 随着电力系统的飞速发展，各地区对电网安全经济运行都提出了更新更高的要求，这就需要不断完善和提高电力系统的自动化水平，而为了使该系统中诸如计算机、RTU、VQC和变送器等设备能够安全可靠地运行，就需要有UPS做保障。

[关键词> UPS 发展趋势工作原理使用与维护

电源从它的发源地电厂出来，通过电网、变电站、输电线路、配电，直至各个用电终端，有如人体的血液，发自心脏，通向人体的各个器官、肢体直至各个角落。数字电力，无疑为发电厂的建设、生产、管理和运行提供了现代化的手段，而数字电力的基础仍然是它的动力——电源。

1 UPS发展趋势

1.1 工业UPS发展趋势
工业化生产过程中的用电设备可分为两大类型: 线性负载和非线性负载。对于那些对供电要求较严格的苛性负载来说，通常是由不间断电源UPS系统进行供电，这是因为UPS可提供高精度、高稳定性的电压波形与频率，具有承受电网波动或扰动（浪涌、跌落、谐波）、间断甚至短时停电的能力，无论是线性负载或是非线性负载，UPS都具有低阻抗输出的特性。因此UPS电源系统在工业生产中得到广泛的应用，特别是在智能化仪表方面的应用。
随着电力应用技术的发展，UPS的负载也发生了极大的变化：
1.1.1 负载类型的变化
工业化生产特别是自动化仪器仪表已从早期的“模拟化”仪表发展到当前的“智能化、电子化”仪表，它们的区别在于：
★ 模拟仪表: 高功耗、复杂、数量大、模拟量传送、线性负载；
★ 智能化电子化仪表: 低功耗、简单化、数字化传输、非线性负载。
1.1.2 负载容量的变化
趋于中小型化，从早期的中大功率UPS（60～200KVA）为主发展到现在的中小功率UPS（30～80KVA）为主。
1.1.3 供电需求的变化
趋于高可靠性，从早期的单机型供电发展到 1＋1冗余并联型供电，大大提高供电可靠性，平均故障间隔时间MTBF提高了4倍。
1.1.4 供电质量的变化
趋于输入大范围、输出高精度、低失真度。
1.1.5 应用环境的变化
高热量、高噪音、高污染的使用环境正在改造为低功耗、低噪音、洁净的环境。
总之，“又大又笨”已不再是工业型UPS的象征，工业型UPS的发展趋势正在向着小型化、中小容量、低功耗、高效率、高可靠性的方向发展。
1.2 电厂用UPS的发展趋势
电厂专用的UPS电源大多数为三相输入、单相输出的中功率UPS，因为电厂的负载大多数为单相负载，配电线路简单、维护方便。
1.2.1 什么是真正的三进单出UPS
真正的三进单出UPS内部电路为纯单相设计，主要表现在逆变器为单相输出。“假的”或经过改造的三进单出的UPS，多为三进三出UPS加上三进单出的变压器改造而成，它存在如下问题：
★ 在输出端增加了三进单出的变压器，降低了整机效率（3%～5%）；
★ 三进单出的变压器仍然具有三分之一的不平衡电流（33.3%），造成UPS可用容量的下降，因此必须使用更高视在功率的UPS主机，通常为额定输出容量的2倍，利用率降低；
★ 增大主机的尺寸和占地面积，提高购置成本。
因此在实际应用中，在复杂的市场选型中，尽可能选择真正的三进单出UPS。
1.2.2 公用220V直流母排
为了提高供电的可靠性，电厂中通常是采用两台UPS组成1+1冗余系统为负载供电，并配之以隔离变压器、交流电压调节器作为旁路电源输入。但是UPS的电池组往往被省略，直接将UPS的直流端接入220V的公共直流母排，如左图1：

图1
这是因为电厂的自动化仪表DCS等往往需要直流220V输入，而每一个电厂都具有大容量的电池组，恰逢其用。但殊不知这是以降低供电可靠性为代价的省略，事实上从可靠性MTBF指标上细算起来并不划算。
假设: 单机UPS的可靠性MTBF＝400,000小时
则: 两台1+1冗余并联各带一组电池的UPS，其MTBF=4×400,000=1,600,000小时;
两台1+1冗余并联共用一组电池的UPS，其MTBF=1.1×400,000=440,000小时;
而三台2+1冗余并联共用一组电池时，其MTBF=0.9×400,000=360,000小时。
由此可见，只为节省两组电池而牺牲掉近三倍的MTBF并不划算。
另一方面就是UPS的效率问题。UPS的逆变器是将直流功率转换成交流功率输出的。一般UPS的直流电压在400V～460V左右，而电厂的直流电压为220V，由此带来的问题是：直流电压越低，则逆变器的开关电流就越大，而损耗是与电流的平方成正比的，因此损耗明显增加；同时大电流需要大容量的功率开关器件、大容量的一次侧绕组，较低的直流电压也需要较高变比的变压器，这些无疑是一种潜在的开支，直接影响到设备的投资成本、运行成本、设备的折旧等等。在电力系统走向市场经济的今天乃至以后，这种情况是不容忽视的。
1.3 “数字电力”中UPS的发展趋势
“数字电力”立足于电力系统的信息化建设，无论是电网的信息化建设还是电厂的信息化建设，最终还是会归结到信息技术IT领域中来。
在IT领域中，UPS电源作为所有信息数据和设备的电源保护产品，已经发展成为成熟的技术，这不仅是指UPS电源本身，还包括了以UPS电源为核心的整个电源保护解决方案。UPS电源保护方案中的几个要素如下:
★ 高可靠性：是指UPS及其配套的产品应具有经过多年市场验证的质量和品质，产品质量可靠；
★ 高可用性：是指UPS系统包括供电、配电等，作为一个整体具有故障容错的能力，采用冗余的配置，含有内置的手动维修旁路，采用热备份或直接并联的冗余形式；
★ 高性能：产品应具有优异的技术指标，面向非线性负载设计，输出失真度小，过载能力强，抗短路、抗冲击；
★ 高效率：节能不仅关系到初期的投资环境投资，还与后期的运行费用有关，是一个长期的经济技术指标；
★ 可管理性强: 用户的操作界面具有模拟图、中文显示、直观的功能键，易于理解和掌握，还具有深度充放电保护、自动放电检测、实时后备时间显示、温度补偿充电等等。
★ 可维护性强：维修时对负载的供电无任何影响，同时维修又是一种安全的无电操作；
★ 良好的专业服务：专业化的电源保护产品的供应商，应具有训练有素的售后服务队伍、能够及时地排除系统故障、网络式的快速服务网点、充足的备品备件储存等。

2 UPS的工作原理

2.1.1 AC-DC变换：将电网来的交流电经自耦变压器降压、全波整流、滤波变为直流电压，供给逆变电路。AC-DC输入有软启动电路，可避免开机时对电网的冲击。
2.2.2 DC-AC逆变电路：采用大功率IGBT模块全桥逆变电路，具有很大的功率富余量，在输出动态范围内输出阻抗特别小，具有快速响应特性。由于采用高频调制限流技术，及快速短路保护技术，使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路，均可安全可靠地工作。
2.3.3 控制驱动：控制驱动是完成整机功能控制的核心，它除了提供检测、保护、同步以及各种开关和显示驱动信号外，还完成SPWM正弦脉宽调制的控制，由于采用静态和动态双重电压反馈。极大地改善了逆变器的动态特性和稳定性。不间断电源工作原理框图如图2所示。

图2

3 UPS的使用与维护
3.1 UPS电源系统开、关机
3.1.1 第一次开机
★ 按以下顺序合闸：储能电池开关→自动旁路开关→输出开关依次置于“ON"。
★ 按UPS启动面板“开”键，UPS电源系统将徐徐启动，“逆变”指示灯亮，延时1分钟后，“旁路”灯熄灭，UPS转为逆变供电，完成开机。
经空载运行约10分钟后，按照负载功率由小到大的开机顺序启动负载。
3.1.2 日常开机
只需按UPS面板“开”键，约20分钟后，即可开启电脑或其它仪器使用。通常等UPS启动进入稳定工作后，方可打开负载设备电源开关（注：手动维护开关在UPS正常运行时，呈“OFF"状态）。
3.1.3 关机
先将电脑或其它仪器关闭，让UPS空载运行10分钟，待机内热量排出后，再按面板“关”键。
3.2 UPS电源系统使用注意事项
UPS电源系统因其智能化程度高，储能电池采用了免维护蓄电池，这虽给使用带来了许多便利，但在使用过程中还应在多方面引起注意，才能保证使用安全。
★ UPS电源主机对环境温度要求不高，+5℃～40℃都能正常工作，但要求室内清洁，少尘，否则灰尘加上潮湿会引起主机工作紊乱。储能蓄电池则对温度要求较高，标准使用温度为25℃，平时不能超过+15℃～+30℃。温度太低，会使储电池容量下降，温度每下降1℃，其容量下降1％。其放电容量会随温度升高而增加，但寿命降低。如果在高温下长期使用，温度每高10℃，电池寿命约降低一半。
★ 主机中设置的参数在使用中不能随意改变。特别是对电池组的参数，会直接影响其使用寿命，但随着环境温度的改变，对浮充电压要做相应调整。通常以25℃为标准，环境温度每升高或降低1℃时，浮充电压应增加18mV（相对于12V蓄电池）。
★ 在无外电靠UPS电源系统自行供电时，应避免带负载启动UPS电源，应先关断各负载，等UPS电源系统起动后再开启负载。因负载瞬间供电时会有冲击电池，多负载的冲击电流和加上所需的供电电流会造成UPS电源瞬间过载，严重时将损坏变换器。
★ UPS电源系统按使用要求功率余量不大，在使用中要避免随意增加大功率的额外设备，也不允许在满负载状态下长期运行。但工作性质决定了UPS电源系统几乎是在不间断状态下运行的，增加大功率负载，即使是在基本满载状态下工作，都会造成主机出故障，严重时将损坏变换器。
★ 自备发电机的输出电压，波形、频率、幅度应满UPS电源对输入电压的要求，另久发电机的功率要远大于UPS电源的额定功率，否则任一条件不满，将会造成UPS电源工作异常或损坏。
★ 由于组合电池组电压很高，存在电击危险，因此装卸导电联接条、输出线时应用安全保障，工具应采用绝缘措施，特别是输出接点应有防触摸措施。　　
★ 不论是在浮充工作状态还是在充电、放电检修测试状态，都要保证电压、电流符合规定要求。过高的电压或电流可能会造成电池的热失控或失水、电压、电流过小会造成电池亏电，这都会影响电池的使用寿命，前者的影响更大。
★ 在任何情况下，都应防止电池短路或深度放电，因为电池的循环寿命和放电深度有关。放电深度越深、循环寿命越短。在容量试验中或是放电检修中，通常放电达到容量的30％～50％就可以了。
★ 对电池应避免大电流充放电，虽说在充电时可以接受大电流，但在实际操作中应尽量避免，否则会造成电池极板膨胀变形，使得极板活性物质脱落，电池内阻增大，温升越高，严重时将造成容量下降，寿命提前终止。
3.3 日常维护与检修
1）UPS电源在正常使用情况下，主机的维护工作很少，主要是防尘和定期除尘。特别是气候干燥的地区，空气中的灰粒较多，机内的风机会将灰尘带入机内沉积、当遇空气潮湿时会引起主机控制紊乱造成主机工作失常，并发生不准确告警，大量灰尘也会造成器件散热不好。一般每季度应彻底清洁一次。其次就是在除尘时，检查各连接件和插接件有无松动和接触不牢的情况。　　
2）虽说储能电池组目前都采用了免维护电池，但这只是免除了以往的测比、配比、定时添加蒸馏水的工作。但外因工作状态对电池的影响并没有改变，不正常工作状态对电池造成的影响没有变，这部分的维护检修工作仍是非常重要的，UPS电源系统的大量维修检修工作主要在电池部分。
★ 储能电池的工作全部是在浮充状态，在这种情况下至少应每年进行一次放电。放电前应先对电池组进行均衡充电，以达全组电池的均衡。要清楚放电前电池组已存在的落后电池。放电过程中如有一只达到放电终止电压时，应停止放电，继续放电先消除落后电池后再放。
★ 核对性放电，不是首先追求放出容量的百分之多少，而是要关注发现和处理落后电池，经对落后电池处理后再作核对性放电实验。这样可防止事故，以免放电中落后电池恶化为反极电池。
★ 平时每组电池至少应有8只电池作标示电池，作为了解全电池组工作情况的参考，对标示电池应定期测量并做好记录。
★ 日常维护中需经常检查的项目有：清洁并检测电池两端电压、温度；连接处有无松动，腐蚀现象、检测连接条压降；电池外观是否完好，有无壳变形和渗漏；极柱、安全阀周围是否有酸雾逸出；主机设备是否正常。
★ 免维护电池要维护，不是什么无稽之谈，应从广义的维护立场出发，做到运行、日常管理的周到、细致和规范性，保证设备（包括主机设备）保持良好的运行状况，从而延长使用年限；保证直流母线经常保持合格的电压和电池的放电容量；保证电池运行和人员的安全可靠。这就是电池维护的目的，也是电池运行规程中包括的内容和进行规则。
3）当UPS电池系统出现故障时，应先查明原因，分清是负载还是UPS电源系统；是主机还是电池组。虽说UPS主机有故障自检功能，但它对面而不对点，对更换配件很方便，但要维修故障点，仍需做大量的分析、检测工作。另外如自检部分发生故障，显示的故障内容则可能有误。　　
4）对主机出现击穿，断保险或烧毁器件的故障，一定要查明原因并排除故障后才能重新启动，否则会接连发生相同的故障。
5）当电池组中发现电压反极、压降大、压差大和酸雾泄漏现象的电池时，应及时采用相应的方法恢复和修复，对不能恢复和修复的要更换，但不能把不同容量、不同性能、不同厂家的电池联在一起，否则可能会对整组电池带来不利影响。对寿命已过期的电池组要及时更换，以免影响到主机。