雙路冗余供電模式在天然氣輸配系統中的應用

彭超龍,呂志軍,楊秀平

(深圳市燃氣集團股份有限公司,廣東 深圳 518049)

2021年1月份,某燃氣公司天然氣調壓站發生了兩起站控系統供電電源單點設備故障事件: 一起是濱海調壓站遠程調壓系統直流電源故障,導致整個遠程調壓系統停運;另一起是紅嶺東調壓站站控系統不間斷電源(UPS)突發故障,導致整個站控系統停運,遠程調壓系統失效。兩起電源故障事件恰逢調壓站供氣高峰時段,調度中心無法遠程調壓,且兩站電源故障時處于停供狀態,給區域調壓、穩定供氣造成了一定影響。同時也給場站如何保證站控系統可靠供電、穩定供氣敲響了警鐘。

天然氣場站站控系統主要由PLC,UPS電源,儀器儀表,人機界面等構成[1-3]。UPS作為站控系統的后備電源,要保證市電中斷后站控系統設備仍能正常工作10 h以上,為穩定供氣發揮著重要作用,被廣泛應用于不停機生產過程控制系統中[4-5]。

當市電正常時,UPS相當于交流穩壓電源,它將市電整流后與電池組并聯并充電,再逆變成交流電為負載供電。當市電突然中斷時,UPS由電池組提供電能繼續向負載設備供電[6-8]。

然而,在上述供電模式中,當單臺UPS供電系統突發故障失效時,將導致整個站控系統因失電而停運。因此,為保證站控系統供電安全,采用雙UPS或者雙直流電源冗余的供電模式[9-11]。但實際應用還需結合使用場合、站點類型以及供電可靠性要求進行相應配置,以提升站控系統供電的可靠性和穩定性。

1 供電模式分析

1.1 供電現狀

紅嶺東調壓站站控系統由兩路供電,一路由單臺容量為2 kVA在線式UPS供電,另一路由2臺直流24 V,10 A的直流電源裝置供電,后備電池組由8塊免維護12 V,100 Ah鉛酸蓄電池構成,該調壓站站控系統功率約1.5 kW,備電時間約32 h,該站控系統供電架構如圖1所示。濱海調壓站遠程調壓系統由單臺24 V,5 A直流電源裝置供電,該調壓系統供電架構如圖2所示。

圖1 紅嶺東調壓站站控系統UPS供電架構示意

圖2 濱海調壓站遠程調壓系統供電架構示意

1.2 存在的問題

當紅嶺東調壓站UPS突發故障時,一旦UPS主機內部旁路失效將導致整個站控系統因失電而停機,無法進行實時在線監控。當濱海調壓站直流電源裝置故障時,將導致遠程調壓系統失電而停機,無法進行遠程調壓。尤其在用氣高峰時段,如遇站控系統UPS主機或遠程調壓系統直流電源裝置突發故障時,不能及時恢復系統正常供電,調度中心將無法進行實時在線監控和遠程壓力調節,導致管網壓力不平衡而給區域供氣造成嚴重影響,甚至可能引起工廠和商戶、居民用戶停供,造成社會負面影響。

1.3 解決方案

通過設備失效模式和影響分析(Failure Mode and Effect Analysis,FMEA)方法進行分析[12],為保證紅嶺東調壓站在UPS失效后,站控系統仍可正常運行,該站設計成雙路冗余電源供電模式。同樣,為保證濱海調壓站遠程調壓系統直流電源失效后,遠程調壓系統仍可正常運行,也采用冗余供電模式,同時為保障遠程調壓系統不受站控系統UPS失效的影響,即遠程調壓系統直流電源裝置的輸入電源由站控系統UPS提供,有必要將遠程調壓系統電源線路進行調整,直接由站控系統雙路冗余電源供電,并將冗余電源的工作狀態信號上傳至天然氣調度中心數據采集與監視控制系統(SCADA)。

2 改造方案

對于紅嶺東調壓站出現電源故障,導致該站控系統停運現象,提出了雙路市電加雙路直流電源裝置供電模式改造方案。在市電輸入端采用兩路電源輸入,在負載側前端采用直流冗余電源模塊實現雙路直流電源裝置自動切換供電,同時在現場站控系統、天然氣調度中心人機界面增加相應程序組態,可實時在線監測供電設備運行狀態,并對供電異常情況實現主動預警。雙路冗余電源供電系統架構如圖3所示。

圖3 雙路冗余電源供電系統架構示意

2.1 系統構成

該系統主要由UPS、電池組、直流電源裝置以及直流冗余電源模塊構成,當某部件發生故障時,冗余配置的部件可以作為備援,及時介入并承擔故障部件的工作,由此避免或減少系統的故障時間。UPS采用的是國產UPS2000-G1-3KTRL,它除了能夠提供不間斷電源外,還具備停電保護、穩壓、突波保護、高低電壓保護、諧波失真保護、穩定頻率、瞬間保護、抑制橫模和共模噪聲的作用。電池組采用免維護鉛酸蓄電池,由8塊6FM-100 Ah單節電池組成,具有免補水、密封安全、安裝簡單、高功率放電性能好以及使用壽命長等特點。該系統中直流電源裝置和直流冗余電源模塊均為進口設備,可監測設備運行狀態干節點信號。使用時直流冗余電源模塊與2個直流電源裝置并聯供電,當一個電源裝置發生故障時,并聯的另一個直流電源裝置繼續通過該冗余模塊維持供電。

2.2 工作原理

無論輸入端的市電是來自UPS輸出端還是由市政市電直接接入,正常狀態下,UPS交流電經直流電源裝置1整流穩壓后給自控系統負載提供24 V直流電;2個直流電源裝置并聯供電,任一臺直流電源裝置故障都不會影響供電。市電220 V交流電經直流電源裝置2整流穩壓后給自控系統負載提供24 V直流電,并進行供電切換報警。

2.3 優缺點分析

采用雙路冗余電源供電系統較原供電系統對比結果如下:

1)優點。單路UPS、直流電源裝置等設備出現故障時,供電系統可自動切換至正常供電電路,保證自控系統、遠程調壓系統穩定可靠供電;通過人機界面增加相應的設備運行狀態監控報警,調度中心可實時在線監測供電系統直流電源設備運行狀態并主動預警;利用雙路電路切換,可在線更換UPS、直流電源裝置以及后備電池等故障設備,實現站控系統不停機維護。

2)缺點。直流冗余電源模塊是保證供電系統可靠性的新的瓶頸,一旦該冗余模塊出現嚴重故障,可能兩路電源都不能為整個站控系統供電,并且冗余模塊存在電壓降和耗電發熱的問題;無法滿足自控系統內交流供電設備雙電源切換,建議將交流供電設備更改為24 V直流供電,并需重新評估系統直流電源額定電流;或采用小型靜態開關為每一臺交流用電設備提供雙交流電源的切換供電。

2.4 系統功能

該冗余電源供電系統在市電輸入側,即直流電源裝置前端有兩路市電輸入,在負載電源輸入側可實現雙路直流電源裝置并聯供電,同時在現場、調度中心人機界面增加相應組態監控,將直流電源裝置干節點信號接入天然氣調度中心SCADA可實時在線監測供電設備運行狀態,并對供電異常情況主動預警。

采用雙路市電加雙路直流電源裝置供電模式應用于場站站控系統和遠程調壓系統進行優化改造,具體步驟如下:

1)將現有站控系統機柜中直流電源裝置更換為由2個直流電源裝置組成的冗余配置,其中一個用UPS供電,另一個用市電供電,在直流電源輸出側配置直流電源冗余模塊,使直流電源裝置并聯輸出供電。

2)將現有場站的遠程調壓系統供電回路并聯在直流電源出口側,從而提高遠程調壓電源系統供電的可靠性。

3)開關電源、電源冗余模塊等設備安裝位置需依據現場的柜內設備位置進行調整。

4)兩路直流電源裝置運行狀態信號通過干接點接入至現場控制系統,并通過遠程終端單元(RTU)將信號傳送至天然氣調度中心SCADA平臺監視其運行狀態。

5)站控系統電源改造后,重新進行現場驗收測試(Site Acceptance Test,SAT),重點驗證遠程調壓、閥門控制、雙電源供電、狀態信號反饋、流量采集等基本功能及生產數據采集是否正常。

2.5 功能驗證測試

為了驗證預期功能效果,現場進行了直流電源主、副路通斷電測試,直流電源冗余模塊通道測試以及UPS市電斷電測試,功能驗證測試結果見表1所列。

表1 功能驗證測試結果

通過功能驗證測試,結果表明符合預期。同時,為了檢驗系統功能的可靠性,對先行試點的調壓站進行了為期1個月的運行狀態檢查和觀測,測試結果表明該系統運行穩定,可靠性高。

3 結束語

采用雙路市電加雙路直流電源供電模式對原有單路市電單臺UPS加雙路直流電源裝置供電模式進行優化改造,改造后的供電模式能夠提高自控系統供電的可靠性及維修的便捷性;能夠實現雙路電源自動切換,保證了單臺UPS,單臺直流電源裝置故障后站控、遠程調壓系統不停機,有效提升了站控、遠程調壓系統供電的可靠性,保障了自控系統穩定運行,調壓站穩定供氣。使用的直流電源裝置、電源冗余模塊、UPS等設備均為行業內廣泛使用的產品,可降低企業成本。改造后的供電模式還可以應用到其他需要供電的子系統,如遠程調壓、加臭單元等子系統,并與自控系統共用一套雙電路電源系統,提升整個自控系統供電的可靠性。