双路冗余供电模式在天然气输配系统中的应用

彭超龙,吕志军,杨秀平

(深圳市燃气集团股份有限公司,广东 深圳 518049)

2021年1月份,某燃气公司天然气调压站发生了两起站控系统供电电源单点设备故障事件: 一起是滨海调压站远程调压系统直流电源故障,导致整个远程调压系统停运;另一起是红岭东调压站站控系统不间断电源(UPS)突发故障,导致整个站控系统停运,远程调压系统失效。两起电源故障事件恰逢调压站供气高峰时段,调度中心无法远程调压,且两站电源故障时处于停供状态,给区域调压、稳定供气造成了一定影响。同时也给场站如何保证站控系统可靠供电、稳定供气敲响了警钟。

天然气场站站控系统主要由PLC,UPS电源,仪器仪表,人机界面等构成[1-3]。UPS作为站控系统的后备电源,要保证市电中断后站控系统设备仍能正常工作10 h以上,为稳定供气发挥着重要作用,被广泛应用于不停机生产过程控制系统中[4-5]。

当市电正常时,UPS相当于交流稳压电源,它将市电整流后与电池组并联并充电,再逆变成交流电为负载供电。当市电突然中断时,UPS由电池组提供电能继续向负载设备供电[6-8]。

然而,在上述供电模式中,当单台UPS供电系统突发故障失效时,将导致整个站控系统因失电而停运。因此,为保证站控系统供电安全,采用双UPS或者双直流电源冗余的供电模式[9-11]。但实际应用还需结合使用场合、站点类型以及供电可靠性要求进行相应配置,以提升站控系统供电的可靠性和稳定性。

1 供电模式分析

1.1 供电现状

红岭东调压站站控系统由两路供电,一路由单台容量为2 kVA在线式UPS供电,另一路由2台直流24 V,10 A的直流电源装置供电,后备电池组由8块免维护12 V,100 Ah铅酸蓄电池构成,该调压站站控系统功率约1.5 kW,备电时间约32 h,该站控系统供电架构如图1所示。滨海调压站远程调压系统由单台24 V,5 A直流电源装置供电,该调压系统供电架构如图2所示。

图1 红岭东调压站站控系统UPS供电架构示意

图2 滨海调压站远程调压系统供电架构示意

1.2 存在的问题

当红岭东调压站UPS突发故障时,一旦UPS主机内部旁路失效将导致整个站控系统因失电而停机,无法进行实时在线监控。当滨海调压站直流电源装置故障时,将导致远程调压系统失电而停机,无法进行远程调压。尤其在用气高峰时段,如遇站控系统UPS主机或远程调压系统直流电源装置突发故障时,不能及时恢复系统正常供电,调度中心将无法进行实时在线监控和远程压力调节,导致管网压力不平衡而给区域供气造成严重影响,甚至可能引起工厂和商户、居民用户停供,造成社会负面影响。

1.3 解决方案

通过设备失效模式和影响分析(Failure Mode and Effect Analysis,FMEA)方法进行分析[12],为保证红岭东调压站在UPS失效后,站控系统仍可正常运行,该站设计成双路冗余电源供电模式。同样,为保证滨海调压站远程调压系统直流电源失效后,远程调压系统仍可正常运行,也采用冗余供电模式,同时为保障远程调压系统不受站控系统UPS失效的影响,即远程调压系统直流电源装置的输入电源由站控系统UPS提供,有必要将远程调压系统电源线路进行调整,直接由站控系统双路冗余电源供电,并将冗余电源的工作状态信号上传至天然气调度中心数据采集与监视控制系统(SCADA)。

2 改造方案

对于红岭东调压站出现电源故障,导致该站控系统停运现象,提出了双路市电加双路直流电源装置供电模式改造方案。在市电输入端采用两路电源输入,在负载侧前端采用直流冗余电源模块实现双路直流电源装置自动切换供电,同时在现场站控系统、天然气调度中心人机界面增加相应程序组态,可实时在线监测供电设备运行状态,并对供电异常情况实现主动预警。双路冗余电源供电系统架构如图3所示。

图3 双路冗余电源供电系统架构示意

2.1 系统构成

该系统主要由UPS、电池组、直流电源装置以及直流冗余电源模块构成,当某部件发生故障时,冗余配置的部件可以作为备援,及时介入并承担故障部件的工作,由此避免或减少系统的故障时间。UPS采用的是国产UPS2000-G1-3KTRL,它除了能够提供不间断电源外,还具备停电保护、稳压、突波保护、高低电压保护、谐波失真保护、稳定频率、瞬间保护、抑制横模和共模噪声的作用。电池组采用免维护铅酸蓄电池,由8块6FM-100 Ah单节电池组成,具有免补水、密封安全、安装简单、高功率放电性能好以及使用寿命长等特点。该系统中直流电源装置和直流冗余电源模块均为进口设备,可监测设备运行状态干节点信号。使用时直流冗余电源模块与2个直流电源装置并联供电,当一个电源装置发生故障时,并联的另一个直流电源装置继续通过该冗余模块维持供电。

2.2 工作原理

无论输入端的市电是来自UPS输出端还是由市政市电直接接入,正常状态下,UPS交流电经直流电源装置1整流稳压后给自控系统负载提供24 V直流电;2个直流电源装置并联供电,任一台直流电源装置故障都不会影响供电。市电220 V交流电经直流电源装置2整流稳压后给自控系统负载提供24 V直流电,并进行供电切换报警。

2.3 优缺点分析

采用双路冗余电源供电系统较原供电系统对比结果如下:

1)优点。单路UPS、直流电源装置等设备出现故障时,供电系统可自动切换至正常供电电路,保证自控系统、远程调压系统稳定可靠供电;通过人机界面增加相应的设备运行状态监控报警,调度中心可实时在线监测供电系统直流电源设备运行状态并主动预警;利用双路电路切换,可在线更换UPS、直流电源装置以及后备电池等故障设备,实现站控系统不停机维护。

2)缺点。直流冗余电源模块是保证供电系统可靠性的新的瓶颈,一旦该冗余模块出现严重故障,可能两路电源都不能为整个站控系统供电,并且冗余模块存在电压降和耗电发热的问题;无法满足自控系统内交流供电设备双电源切换,建议将交流供电设备更改为24 V直流供电,并需重新评估系统直流电源额定电流;或采用小型静态开关为每一台交流用电设备提供双交流电源的切换供电。

2.4 系统功能

该冗余电源供电系统在市电输入侧,即直流电源装置前端有两路市电输入,在负载电源输入侧可实现双路直流电源装置并联供电,同时在现场、调度中心人机界面增加相应组态监控,将直流电源装置干节点信号接入天然气调度中心SCADA可实时在线监测供电设备运行状态,并对供电异常情况主动预警。

采用双路市电加双路直流电源装置供电模式应用于场站站控系统和远程调压系统进行优化改造,具体步骤如下:

1)将现有站控系统机柜中直流电源装置更换为由2个直流电源装置组成的冗余配置,其中一个用UPS供电,另一个用市电供电,在直流电源输出侧配置直流电源冗余模块,使直流电源装置并联输出供电。

2)将现有场站的远程调压系统供电回路并联在直流电源出口侧,从而提高远程调压电源系统供电的可靠性。

3)开关电源、电源冗余模块等设备安装位置需依据现场的柜内设备位置进行调整。

4)两路直流电源装置运行状态信号通过干接点接入至现场控制系统,并通过远程终端单元(RTU)将信号传送至天然气调度中心SCADA平台监视其运行状态。

5)站控系统电源改造后,重新进行现场验收测试(Site Acceptance Test,SAT),重点验证远程调压、阀门控制、双电源供电、状态信号反馈、流量采集等基本功能及生产数据采集是否正常。

2.5 功能验证测试

为了验证预期功能效果,现场进行了直流电源主、副路通断电测试,直流电源冗余模块通道测试以及UPS市电断电测试,功能验证测试结果见表1所列。

表1 功能验证测试结果

通过功能验证测试,结果表明符合预期。同时,为了检验系统功能的可靠性,对先行试点的调压站进行了为期1个月的运行状态检查和观测,测试结果表明该系统运行稳定,可靠性高。

3 结束语

采用双路市电加双路直流电源供电模式对原有单路市电单台UPS加双路直流电源装置供电模式进行优化改造,改造后的供电模式能够提高自控系统供电的可靠性及维修的便捷性;能够实现双路电源自动切换,保证了单台UPS,单台直流电源装置故障后站控、远程调压系统不停机,有效提升了站控、远程调压系统供电的可靠性,保障了自控系统稳定运行,调压站稳定供气。使用的直流电源装置、电源冗余模块、UPS等设备均为行业内广泛使用的产品,可降低企业成本。改造后的供电模式还可以应用到其他需要供电的子系统,如远程调压、加臭单元等子系统,并与自控系统共用一套双电路电源系统,提升整个自控系统供电的可靠性。