儀表供配電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)（案例講解）

1儀表供配電系統(tǒng)介紹

儀表供配電系統(tǒng)主要由儀表電源設(shè)備、儀表配電柜、儀表用電設(shè)備組成。

儀表供配電是通過儀表電源設(shè)備將工業(yè)電力提供給儀表配電柜，并通過儀表配電柜提供給儀表用電設(shè)備的過程，分供電和配電兩部分。

1.1 儀表電源

在工業(yè)裝置中，儀表電源包括不間斷電源UPS（uninterrupted power supply）和普通電源GPS（generalpower supply）兩種。儀表電源為儀表用電設(shè)備提供動力源，由電氣專業(yè)根據(jù)儀表供電方案引至儀表總配電柜。

UPS 電源由電力變流器、儲能裝置和開關(guān)等組成，在供電中斷后能持續(xù)一定供電時間，供電時間的長短取決于電池組的容量。

普通電源直接引自變電所低壓母線。

1.2 儀表用電設(shè)備

工業(yè)裝置中的儀表用電設(shè)備[3-4]包括儀表及控制系統(tǒng)、儀表輔助設(shè)施兩部分。

儀表及控制系統(tǒng)主要包括DCS、SIS 等系統(tǒng)以及各類過程檢測儀表（溫度、壓力、流量、物位及分析儀表）和控制執(zhí)行元件（電磁閥、電/氣定位器等）。根據(jù)用電需求，儀表及控制系統(tǒng)的用電負(fù)荷分類如下：

1. 交流單電源負(fù)荷：DCS 系統(tǒng)的操作站、工程師站、需要220VAC 獨(dú)立供電的檢測儀表、交流源電磁閥等。

2. 交流雙電源負(fù)荷：DCS、SIS 等重要控制系統(tǒng)的控制站。

3. 直流單電源負(fù)荷：需要24VDC 獨(dú)立供電的大功耗檢測儀表、直流源電磁閥等。

4. 直流雙電源負(fù)荷：安全柵等其它一些需要兩路直流電源的負(fù)荷。

儀表輔助設(shè)施包括各類儀表盤（柜）的通風(fēng)、照明設(shè)備、分析儀表的電加熱以及儀表測量管線的電伴熱等。

按照SH 3038-2000 《石油化工企業(yè)生產(chǎn)裝置電力設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，儀表及控制系統(tǒng)的用電負(fù)荷屬于一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷[5]。因此，需要設(shè)置UPS 電源為儀表及控制系統(tǒng)供電。而儀表輔助設(shè)施屬于三級負(fù)荷，由普通電源供電即可。

2儀表供電方案分析

為了確保大型石化裝置的穩(wěn)定運(yùn)行，在采用先進(jìn)儀表及控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，還必須選擇與裝置相匹配的、可靠的儀表供電方案。大型石化裝置的儀表供電方案是指以UPS 電源為主的儀表電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

儀表用電設(shè)備分為儀表及控制系統(tǒng)、儀表輔助設(shè)施兩種，因此儀表供電方案也分兩類。儀表輔助設(shè)施屬于三級用電負(fù)荷，供電方案簡單，常采用一路普通電源進(jìn)行供電，因此工業(yè)裝置中的儀表供電方案主要是針對儀表及控制系統(tǒng)。

下面對目前工業(yè)裝置中普遍采用的儀表供電案進(jìn)行介紹和分析。

2.1 單UPS 供電方案

單UPS 供電即供電系統(tǒng)中只采用了一臺UPS，有后備式、互動式、在線式等。在線式是目前用得最多的也是最有效的一種[6]，其原理如圖1 所示。

UPS 電源由2 路普通電源（GPS1、GPS2）供電，GPS1、GPS2 應(yīng)取自不同的低壓母線。GPS1 供電正常時，整流器輸出直流信號同時向蓄電池和逆變器供電，逆變器將直流轉(zhuǎn)換成交流后供給負(fù)載，當(dāng)UPS發(fā)生故障，UPS 通過靜態(tài)開關(guān)切換到旁路運(yùn)行模式；

當(dāng)GPS1 供電中斷， 由蓄電池通過逆變器給負(fù)載供電，當(dāng)電池電量耗盡后，UPS 通過旁路靜態(tài)開關(guān)自動轉(zhuǎn)換到旁路供電。維修旁路是在維修時，由GPS2 直接給負(fù)載供電。

從工作原理看，在設(shè)計(jì)上已經(jīng)考慮到電網(wǎng)電源失常、輸電線路切斷、UPS 本身故障以及UPS 維修等因素造成的供電中斷。但采用該方案的供配電系統(tǒng)，供電中斷仍時有發(fā)生。

兩路交流電源當(dāng)頻率、相位和電壓幅值任一項(xiàng)不同時， 就會產(chǎn)生電壓差，當(dāng)UPS 主回路、自動切換旁路和維修旁路相互切換的瞬間，由于靜態(tài)開關(guān)的接通總是先于關(guān)斷，使兩路電源直接相連。

因兩路交流電源的瞬態(tài)電壓差不同而形成“環(huán)流”，這種“環(huán)流”就是導(dǎo)致供電中斷的原因。即使切換正常，被迫從逆變器供電切換到交流旁路供電時，負(fù)載就被連接在隨時都有可能發(fā)生停電事故的不穩(wěn)定市電電網(wǎng)上，顯然這會對用戶的負(fù)載構(gòu)成威脅。

因此，單UPS 供電根本無法滿足大型石化裝置儀表及控制系統(tǒng)的供電要求。

2.2 雙UPS 供電方案

為解決單UPS 自身不穩(wěn)定所帶來的不安全因素， 采用2 臺甚至多臺UPS 冗余供電的供電方案。

目前石化裝置多采用雙UPS 冗余供電方案[7]，根據(jù)其結(jié)構(gòu)可分為UPS 主從串聯(lián)方式、UPS 雙機(jī)并聯(lián)方式和雙UPS 獨(dú)立方式[1]。

2.2.1 UPS 主從串聯(lián)方式

由2 臺UPS 同步工作， 如圖2 所示。將UPS1（主）的交流旁路電源用UPS2（從）輸出代替，2 臺UPS 則組成主從冗余供電系統(tǒng)。正常時，主UPS 儀表及控制系統(tǒng)供電，一旦主UPS 故障，自動切換到從UPS，主UPS 故障排除后，又由從UPS 切換到主UPS。由于從UPS 的輸出頻率和幅值都接近于標(biāo)準(zhǔn)220 V/380 V，50 Hz，主UPS 的鎖相同步電路能有效地跟蹤從UPS 頻率和相位，因而主從UPS 相互切換時，兩種交流電源的瞬態(tài)電壓值相差很小，相互切換的過程比較平穩(wěn)，對儀表及控制系統(tǒng)的供電幾乎不產(chǎn)生影響。這種冗余方式的另一優(yōu)點(diǎn)是2 臺UPS幾乎處于相互獨(dú)立的運(yùn)行狀態(tài)， 可由2 臺任意品牌、不同型號、不同功率的UPS 組成主－從冗余供電系統(tǒng)，靈活性高，非常適合于老裝置技術(shù)改造。

但兩臺UPS 總是處于一用一備狀態(tài)：當(dāng)主UPS 正常時， 整個儀表及控制系統(tǒng)的負(fù)荷都由主UPS 提供，從UPS 處于“熱備” 狀態(tài)；當(dāng)主UPS 故障，切換到從UPS 時，全部負(fù)載將立即加到原處于空載運(yùn)行狀態(tài)的從UPS，毫無緩沖余地，反之亦然。

這就要求主從兩臺UPS 都必須具有優(yōu)良的帶“階躍性負(fù)載”的能力，否則可能造成在切換過程中儀表及控制系統(tǒng)供電短時間中斷， 造成非計(jì)劃停車事故。

2.2.2 UPS 雙機(jī)并聯(lián)方式

將兩臺UPS 并聯(lián)，加上并機(jī)控制電路板，組成UPS 雙機(jī)并聯(lián)供電系統(tǒng)。如圖3 所示。正常情況下，兩臺UPS 的輸出頻率和幅值都較好地接近于標(biāo)準(zhǔn)220 V/380 V，50 Hz，達(dá)到頻率、相位、幅值都相同，每臺UPS 輸出一半負(fù)載電流，當(dāng)一臺故障時，自動退出系統(tǒng)，由另一臺UPS 提供全部負(fù)載電流，因兩臺

UPS 的頻率、相位、幅值都相同，負(fù)載的階躍電流僅為50%負(fù)載電流，所以切換過程中擾動很小。維修也比較方便，可靠性比單臺UPS 提高5～6 倍。

但是，UPS 雙機(jī)并聯(lián)方案， 要求兩臺UPS 同步性很好、各項(xiàng)指標(biāo)一致性較高。對老供電系統(tǒng)改造時，意味著原UPS 設(shè)備難以利用，必須新配兩臺性能較高的同型號UPS，改造費(fèi)用將相當(dāng)高。

2.2.3 雙UPS 獨(dú)立方式

雙UPS 獨(dú)立方式是采用兩套獨(dú)立的在線式單UPS 電源組成雙母線為儀表及控制系統(tǒng)供電，每套UPS 電源由來自變電所的兩個低壓母線供電，而且輸出兩路UPS 電源，是一種可靠性非常高的供電方案。使交流雙電源用戶得到了真正意義上的雙電源，其工作原理如圖4 所示。

這種供電方式與UPS 雙機(jī)并聯(lián)方式同樣采用2臺UPS，基本不增加投資，但卻大幅提高了可靠性，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

1. 增加了兩路輸入電源和一路輸出電源，降低

2. 了由輸電線路引起的故障；

3. 提供兩路UPS 電源，并組成雙母線供電網(wǎng)，

4. 為儀表及控制系統(tǒng)的交流雙電源負(fù)荷提供了真正

5. 意義上的雙電源；

6. 兩套UPS 相互獨(dú)立，杜絕了由兩套UPS 切換

7. 引起的故障，改由DCS、SIS 及儀表自身解決冗余切

8. 換問題，大大降低了由電網(wǎng)或UPS 電源失常給企業(yè)

9. 帶來的損失；

10. 克服了UPS 雙機(jī)并聯(lián)方案中必須采用各項(xiàng)

11. 指標(biāo)一致的兩臺UPS 的缺點(diǎn)。

內(nèi)蒙古某公司20 萬噸/年己內(nèi)酰胺工程屬于特大型石化裝置，包含環(huán)己酮、環(huán)己酮肟化、己內(nèi)酰胺精制、硫銨、雙氧水、合成氨、硫酸等裝置和空分、污水處理、循環(huán)水、罐區(qū)、備用電廠等公用工程，總投資達(dá)130 多億元。該工程工藝流程復(fù)雜，而且物料多為易燃易爆、有毒有害，需要采用高可靠性的儀表及控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)視控制、操作管理以及聯(lián)鎖保護(hù)。為了確保儀表及控制系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，除采用高穩(wěn)定性的儀表及控制系統(tǒng)，還必須重視儀表供電系統(tǒng)的可靠性。在項(xiàng)目總體設(shè)計(jì)階段，根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)、工廠供電情況與工藝、電氣專業(yè)以及業(yè)主進(jìn)行了多次溝通和充分討論，最終確定采用由獨(dú)立的雙UPS 向儀表及控制系統(tǒng)供電，由單獨(dú)的一路普通電源向儀表輔助設(shè)施供電的設(shè)計(jì)方案。

3.2 儀表供配電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

本工程采用中央控制室與現(xiàn)場機(jī)柜室分離設(shè)置的方式。根據(jù)裝置布置情況，全廠設(shè)置多個現(xiàn)場機(jī)柜室，設(shè)置一個中央控制室。本工程在中央控制室和現(xiàn)場機(jī)柜室均設(shè)置獨(dú)立的儀表供配電系統(tǒng)。由于中央控制室和現(xiàn)場機(jī)柜室的用電設(shè)備類型不同，決定了其配電方案存在差異。為簡便起見，本文所涉及的儀表供配電系統(tǒng)綜合了全廠各類儀表用電設(shè)備，其儀表供配電系統(tǒng)配置原理如圖5 所示。

3.2.1 交流雙電源負(fù)荷配電

在儀表及控制系統(tǒng)中，DCS、SIS 等重要控制系統(tǒng)的控制站都具有兩組獨(dú)立的電源單元，本方案采取由UPS1 和UPS2 的兩路輸出電源組成的低壓母線分別為兩個獨(dú)立的電源單元供電。任何時候只要有一路電源供電正常，系統(tǒng)就能夠正常工作。

3.2.2 交流單電源負(fù)荷配電

DCS 系統(tǒng)的操作站、工程師站及需要220VAC獨(dú)立供電的檢測儀表（如在線分析儀、質(zhì)量流量計(jì)等）、交流源電磁閥等屬于交流單電源負(fù)荷。這類用電負(fù)荷只能接受一路電源， 無法實(shí)現(xiàn)雙冗余供電，為了提高可靠性，本方案設(shè)置一套“雙電源自動切換裝置”。假設(shè)UPS1 為主供電電源，當(dāng)其發(fā)生故障時，通過自動切換裝置改由UPS2 供電，自動切換時間一般在3～10 ms。

3.2.3 直流電源負(fù)荷配電

為了保障供電的可靠性，采用兩臺24VDC 穩(wěn)壓電源并聯(lián)供電，在每個電源輸出端正極上外加大功率解耦二級管將兩電源隔離，2 臺24VDC 穩(wěn)壓電源的輸入電源分別來自UPS1 和UPS2，從而實(shí)現(xiàn)了直流供電的冗余。

直流電源負(fù)荷分為24VDC 雙電源負(fù)荷和24VDC 單電源負(fù)荷兩類，它們的輸入電源均從冗余穩(wěn)壓電源的并聯(lián)輸出電源母線上引出。

3.2.4 儀表輔助設(shè)施配電

對于機(jī)柜風(fēng)扇、照明、插座等儀表輔助設(shè)施屬于非重要負(fù)荷，本方案單獨(dú)從變電所低壓母線引一路普通電源為其供電。

3.3 儀表供配電系統(tǒng)方案的實(shí)施

1. 在中央控制室和現(xiàn)場機(jī)柜室設(shè)置獨(dú)立的UPS間。UPS 間應(yīng)與機(jī)柜間相鄰，并設(shè)置供電氣專業(yè)人員維修的門，進(jìn)出UPS 間不應(yīng)該穿行其它房間。

2. 儀表配電柜置于儀表機(jī)柜間內(nèi)，要求配電柜的尺寸規(guī)格、顏色同儀表機(jī)柜一致。

3. 要求UPS1、UPS2 的輸入電源來自配電所不同的配電母線，如配電室有保安電源，則一路由保安電源供電。

4. UPS1、UPS2 分別布置在總配電柜的前后兩側(cè)，總配電柜內(nèi)布置一、二級開關(guān)，一級開關(guān)布置于總配電柜的頂端。

5. 設(shè)置單獨(dú)的直流配電柜，直流變壓器置于直流配電柜的頂端，為直流單電源用戶和直流雙電源用戶配電的三級開關(guān)應(yīng)分離。

6. 設(shè)置單獨(dú)的普通電源配電柜，為儀表輔助設(shè)施供電。

7. 儀表供電開關(guān)級數(shù)應(yīng)嚴(yán)格按圖5 執(zhí)行。

AC 220 V 供電按AC 220 V 總開關(guān)、分開關(guān)兩級配置。

AC 220 V 切換供電按總開關(guān)、雙電源自動切換裝置前端分開關(guān)、用戶分開關(guān)三級配置。

DC 24 V 供電按AC 220 V 總開關(guān)、AC 220V 分開關(guān)（DC 24 V 電源裝置供電開關(guān)）、DC24 V 用戶分開關(guān)三級配置。

報警聯(lián)鎖系統(tǒng)中，DI 繼電器供電原則用DC24 V 供電（AC 220 V 通過雙電源自動切換裝置供電）， 三取二的三臺儀表供電應(yīng)從三個空氣開關(guān)分別供電，按工藝單元分組，一般以8 路～16 路共用一個空氣開關(guān)，端子排或安全柵首尾供電，下級不配保險端子。

電磁閥原則選用DC 24 V 供電（AC 220 V通過雙電源自動切換裝置供電），按工藝單元分組，一般以8 路～16 路共用一個空氣開關(guān)， 端子排首尾供電，下級端子不配保險端子。

報警聯(lián)鎖系統(tǒng)中，電氣送儀表信號供電應(yīng)與儀表自身用電源分開配置， 交流用不同空氣開關(guān)，DC 24 V 電源系統(tǒng)獨(dú)立配置。

來源：郭新鋒，謝濤 北京美信東方工程技術(shù)有限公司 福斯特惠勒工程建筑設(shè)計(jì)（上海）有限公司

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