電力自動化系統安全運行的保障——UPS電源

[摘要> 隨著電力系統的飛速發展，各地區對電網安全經濟運行都提出了更新更高的要求，這就需要不斷完善和提高電力系統的自動化水平，而為了使該系統中諸如計算機、RTU、VQC和變送器等設備能夠安全可靠地運行，就需要有UPS做保障。

[關鍵詞> UPS 發展趨勢 工作原理 使用與維護

電源從它的發源地電廠出來，通過電網、變電站、輸電線路、配電，直至各個用電終端，有如人體的血液，發自心臟，通向人體的各個器官、肢體直至各個角落。數字電力，無疑為發電廠的建設、生產、管理和運行提供了現代化的手段，而數字電力的基礎仍然是它的動力——電源。

1 UPS發展趨勢

1.1 工業UPS發展趨勢
工業化生產過程中的用電設備可分為兩大類型: 線性負載和非線性負載。對于那些對供電要求較嚴格的苛性負載來說，通常是由不間斷電源UPS系統進行供電，這是因為UPS可提供高精度、高穩定性的電壓波形與頻率，具有承受電網波動或擾動（浪涌、跌落、諧波）、間斷甚至短時停電的能力，無論是線性負載或是非線性負載，UPS都具有低阻抗輸出的特性。因此UPS電源系統在工業生產中得到廣泛的應用，特別是在智能化儀表方面的應用。
隨著電力應用技術的發展，UPS的負載也發生了極大的變化：
1.1.1 負載類型的變化
工業化生產特別是自動化儀器儀表已從早期的“模擬化”儀表發展到當前的“智能化、電子化”儀表，它們的區別在于：
★ 模擬儀表: 高功耗、復雜、數量大、模擬量傳送、線性負載；
★ 智能化電子化儀表: 低功耗、簡單化、數字化傳輸、非線性負載。
1.1.2 負載容量的變化
趨于中小型化，從早期的中大功率UPS（60～200KVA）為主發展到現在的中小功率UPS（30～80KVA）為主。
1.1.3 供電需求的變化
趨于高可靠性，從早期的單機型供電發展到 1＋1冗余并聯型供電，大大提高供電可靠性，平均故障間隔時間MTBF提高了4倍。
1.1.4 供電質量的變化
趨于輸入大范圍、輸出高精度、低失真度。
1.1.5 應用環境的變化
高熱量、高噪音、高污染的使用環境正在改造為低功耗、低噪音、潔凈的環境。
總之，“又大又笨”已不再是工業型UPS的象征，工業型UPS的發展趨勢正在向著小型化、中小容量、低功耗、高效率、高可靠性的方向發展。
1.2 電廠用UPS的發展趨勢
電廠專用的UPS電源大多數為三相輸入、單相輸出的中功率UPS，因為電廠的負載大多數為單相負載，配電線路簡單、維護方便。
1.2.1 什么是真正的三進單出UPS
真正的三進單出UPS內部電路為純單相設計，主要表現在逆變器為單相輸出。“假的”或經過改造的三進單出的UPS，多為三進三出UPS加上三進單出的變壓器改造而成，它存在如下問題：
★ 在輸出端增加了三進單出的變壓器，降低了整機效率（3%～5%）；
★ 三進單出的變壓器仍然具有三分之一的不平衡電流（33.3%），造成UPS可用容量的下降，因此必須使用更高視在功率的UPS主機，通常為額定輸出容量的2倍，利用率降低；
★ 增大主機的尺寸和占地面積，提高購置成本。
因此在實際應用中，在復雜的市場選型中，盡可能選擇真正的三進單出UPS。
1.2.2 公用220V直流母排
為了提高供電的可靠性，電廠中通常是采用兩臺UPS組成1+1冗余系統為負載供電，并配之以隔離變壓器、交流電壓調節器作為旁路電源輸入。但是UPS的電池組往往被省略，直接將UPS的直流端接入220V的公共直流母排，如左圖1：

圖1
這是因為電廠的自動化儀表DCS等往往需要直流220V輸入，而每一個電廠都具有大容量的電池組，恰逢其用。但殊不知這是以降低供電可靠性為代價的省略，事實上從可靠性MTBF指標上細算起來并不劃算。
假設: 單機UPS的可靠性MTBF＝400,000小時
則: 兩臺1+1冗余并聯各帶一組電池的UPS，其MTBF=4×400,000=1,600,000小時;
兩臺1+1冗余并聯共用一組電池的UPS，其MTBF=1.1×400,000=440,000小時;
而三臺2+1冗余并聯共用一組電池時，其MTBF=0.9×400,000=360,000小時。
由此可見，只為節省兩組電池而犧牲掉近三倍的MTBF并不劃算。
另一方面就是UPS的效率問題。UPS的逆變器是將直流功率轉換成交流功率輸出的。一般UPS的直流電壓在400V～460V左右，而電廠的直流電壓為220V，由此帶來的問題是：直流電壓越低，則逆變器的開關電流就越大，而損耗是與電流的平方成正比的，因此損耗明顯增加；同時大電流需要大容量的功率開關器件、大容量的一次側繞組，較低的直流電壓也需要較高變比的變壓器，這些無疑是一種潛在的開支，直接影響到設備的投資成本、運行成本、設備的折舊等等。在電力系統走向市場經濟的今天乃至以后，這種情況是不容忽視的。
1.3 “數字電力”中UPS的發展趨勢
“數字電力”立足于電力系統的信息化建設，無論是電網的信息化建設還是電廠的信息化建設，最終還是會歸結到信息技術IT領域中來。
在IT領域中，UPS電源作為所有信息數據和設備的電源保護產品，已經發展成為成熟的技術，這不僅是指UPS電源本身，還包括了以UPS電源為核心的整個電源保護解決方案。UPS電源保護方案中的 幾個要素如下:
★ 高可靠性：是指UPS及其配套的產品應具有經過多年市場驗證的質量和品質，產品質量可靠；
★ 高可用性：是指UPS系統包括供電、配電等，作為一個整體具有故障容錯的能力，采用冗余的配置，含有內置的手動維修旁路，采用熱備份或直接并聯的冗余形式；
★ 高性能：產品應具有優異的技術指標，面向非線性負載設計，輸出失真度小，過載能力強，抗短路、抗沖擊；
★ 高效率：節能不僅關系到初期的投資環境投資，還與后期的運行費用有關，是一個長期的經濟技術指標；
★ 可管理性強: 用戶的操作界面具有模擬圖、中文顯示、直觀的功能鍵，易于理解和掌握，還具有深度充放電保護、自動放電檢測、實時后備時間顯示、溫度補償充電等等。
★ 可維護性強：維修時對負載的供電無任何影響，同時維修又是一種安全的無電操作；
★ 良好的專業服務：專業化的電源保護產品的供應商，應具有訓練有素的售后服務隊伍、能夠及時地排除系統故障、網絡式的快速服務網點、充足的備品備件儲存等。

2 UPS的工作原理

2.1.1 AC-DC變換：將電網來的交流電經自耦變壓器降壓、全波整流、濾波變為直流電壓，供給逆變電路。AC-DC輸入有軟啟動電路，可避免開機時對電網的沖擊。
2.2.2 DC-AC逆變電路：采用大功率IGBT模塊全橋逆變電路，具有很大的功率富余量，在輸出動態范圍內輸出阻抗特別小，具有快速響應特性。由于采用高頻調制限流技術，及快速短路保護技術，使逆變器無論是供電電壓瞬變還是負載沖擊或短路，均可安全可靠地工作。
2.3.3 控制驅動：控制驅動是完成整機功能控制的核心，它除了提供檢測、保護、同步以及各種開關和顯示驅動信號外，還完成SPWM正弦脈寬調制的控制，由于采用靜態和動態雙重電壓反饋。極大地改善了逆變器的動態特性和穩定性。不間斷電源工作原理框圖如圖2所示。

圖2

3 UPS的使用與維護
3.1 UPS電源系統開、關機
3.1.1 第一次開機
★ 按以下順序合閘：儲能電池開關→自動旁路開關→輸出開關依次置于“ON"。
★ 按UPS啟動面板“開”鍵，UPS電源系統將徐徐啟動，“逆變”指示燈亮，延時1分鐘后，“旁路”燈熄滅，UPS轉為逆變供電，完成開機。
經空載運行約10分鐘后，按照負載功率由小到大的開機順序啟動負載。
3.1.2 日常開機
只需按UPS面板“開”鍵，約20分鐘后，即可開啟電腦或其它儀器使用。通常等UPS啟動進入穩定工作后，方可打開負載設備電源開關（注：手動維護開關在UPS正常運行時，呈“OFF"狀態）。
3.1.3 關機
先將電腦或其它儀器關閉，讓UPS空載運行10分鐘，待機內熱量排出后，再按面板“關”鍵。
3.2 UPS電源系統使用注意事項
UPS電源系統因其智能化程度高，儲能電池采用了免維護蓄電池，這雖給使用帶來了許多便利，但在使用過程中還應在多方面引起注意，才能保證使用安全。
★ UPS電源主機對環境溫度要求不高，+5℃～40℃都能正常工作，但要求室內清潔，少塵，否則灰塵加上潮濕會引起主機工作紊亂。儲能蓄電池則對溫度要求較高，標準使用溫度為25℃，平時不能超過+15℃～+30℃。溫度太低，會使儲電池容量下降，溫度每下降1℃，其容量下降1％。其放電容量會隨溫度升高而增加，但壽命降低。如果在高溫下長期使用，溫度每高10℃，電池壽命約降低一半。
★ 主機中設置的參數在使用中不能隨意改變。特別是對電池組的參數，會直接影響其使用壽命，但隨著環境溫度的改變，對浮充電壓要做相應調整。通常以25℃為標準，環境溫度每升高或降低1℃時，浮充電壓應增加18mV（相對于12V蓄電池）。
★ 在無外電靠UPS電源系統自行供電時，應避免帶負載啟動UPS電源，應先關斷各負載，等UPS電源系統起動后再開啟負載。因負載瞬間供電時會有沖擊電池，多負載的沖擊電流和加上所需的供電電流會造成UPS電源瞬間過載，嚴重時將損壞變換器。
★ UPS電源系統按使用要求功率余量不大，在使用中要避免隨意增加大功率的額外設備，也不允許在滿負載狀態下長期運行。但工作性質決定了UPS電源系統幾乎是在不間斷狀態下運行的，增加大功率負載，即使是在基本滿載狀態下工作，都會造成主機出故障，嚴重時將損壞變換器。
★ 自備發電機的輸出電壓，波形、頻率、幅度應滿UPS電源對輸入電壓的要求，另久發電機的功率要遠大于UPS電源的額定功率，否則任一條件不滿，將會造成UPS電源工作異常或損壞。
★ 由于組合電池組電壓很高，存在電擊危險，因此裝卸導電聯接條、輸出線時應用安全保障，工具應采用絕緣措施，特別是輸出接點應有防觸摸措施。 　　
★ 不論是在浮充工作狀態還是在充電、放電檢修測試狀態，都要保證電壓、電流符合規定要求。過高的電壓或電流可能會造成電池的熱失控或失水、電壓、電流過小會造成 電池虧電，這都會影響電池的使用壽命，前者的影響更大。
★ 在任何情況下，都應防止電池短路或深度放電，因為電池的循環壽命和放電深度有關。放電深度越深、循環壽命越短。在容量試驗中或是放電檢修中，通常 放電達到容量的30％～50％就可以了。
★ 對電池應避免大電流充放電，雖說在充電時可以接受大電流，但在實際操作中應盡量避免，否則會造成電池極板膨脹變形，使得極板活性物質脫落，電池內阻增大，溫升越高，嚴重時將造成容量下降，壽命提前終止。
3.3 日常維護與檢修
1）UPS電源在正常使用情況下，主機的維護工作很少，主要是防塵和定期除塵。特別是氣候干燥的地區，空氣中的灰粒較多，機內的風機會將灰塵帶入機內沉積、當遇空氣潮濕時會引起主機控制紊亂造成主機工作失常，并發生不準確告警，大量灰塵也會造成器件散熱不好。一般每季度應徹底清潔一次。其次就是在除塵時，檢查各連接件和插接件有無松動和接觸不牢的情況。 　　
2）雖說儲能電池組目前都采用了免維護電池，但這只是免除了以往的測比、配比、定時添加蒸餾水的工作。但外因工作狀態對電池的影響并沒有改變，不正常工作狀態對電池造成的影響沒有變，這部分的維護檢修工作仍是非常重要的，UPS電源系統的大量維修檢修工作主要在電池部分。
★ 儲能電池的工作全部是在浮充狀態，在這種情況下至少應每年進行一次放電。放電前應先對電池組進行均衡充電，以達全組電池的均衡。要清楚放電前電池組已存在的落后電池。放電過程中如有一只達到放電終止電壓時，應停止放電，繼續放電先消除落后電池后再放。
★ 核對性放電，不是首先追求放出容量的百分之多少，而是要關注發現和處理落后電池，經對落后電池處理后再作核對性放電實驗。這樣可防止事故，以免放電中落后電池惡化為反極電池。
★ 平時每組電池至少應有8只電池作標示電池，作為了解全電池組工作情況的參考，對標示電池應定期測量并做好記錄。
★ 日常維護中需經常檢查的項目有：清潔并檢測電池兩端電壓、溫度；連接處有無松動，腐蝕現象、檢測連接條壓降；電池外觀是否完好，有無殼變形和滲漏；極柱、安全閥周圍是否有酸霧逸出；主機設備是否正常。
★ 免維護電池要維護，不是什么無稽之談，應從廣義的維護立場出發，做到運行、日常管理的周到、細致和規范性，保證設備（包括主機設備）保持良好的運行狀況，從而延長使用年限；保證直流母線經常保持合格的電壓和電池的放電容量；保證電池運行和人員的安全可靠。這就是電池維護的目的，也是電池運行規程中包括的內容和進行規則。
3）當UPS電池系統出現故障時，應先查明原因，分清是負載還是UPS電源系統；是主機還是電池組。雖說UPS主機有故障自檢功能，但它對面而不對點，對更換配件很方便，但要維修故障點，仍需做大量的分析、檢測工作。另外如自檢部分發生故障，顯示的故障內容則可能有誤。 　　
4）對主機出現擊穿，斷保險或燒毀器件的故障，一定要查明原因并排除故障后才能重新啟動，否則會接連發生相同的故障。
5）當電池組中發現電壓反極、壓降大、壓差大和酸霧泄漏現象的電池時，應及時采用相應的方法恢復和修復，對不能恢復和修復的要更換，但不能把不同容量、不同性能、不同廠家的電池聯在一起，否則可能會對整組電池帶來不利影響。對壽命已過期的電池組要及時更換，以免影響到主機。

4 結束語　　

在UPS的使用過程中注意，再好的設備也有壽命，也會出現各類故障，不要因為高智能、免維護而忽略了本應進行的維護工作，預防在任何時候都是安全運行的重要保障。