劉朋

(中石化石油工程設計有限公司，山東 東營 257026)

天然氣長輸管道輸氣站場負責接收上游高壓來氣，并對來氣進行過濾、計量、調(diào)壓等處理，同時為下游管道、用戶進行連續(xù)輸氣。站場過程參數(shù)檢測、流程控制、安全聯(lián)鎖功能的實現(xiàn)，依托于站內(nèi)的站控系統(tǒng)(SCS)、現(xiàn)場檢測儀表、執(zhí)行裝置(遠控閥門)等設備，其中SCS是站場控制功能實現(xiàn)的核心。由于控制系統(tǒng)外部供電故障，導致控制系統(tǒng)宕機，繼而引發(fā)正?？刂屏鞒讨袛啵踔烈l(fā)全站停輸?shù)那闆r時有發(fā)生[1]，這對于一些不允許中斷的供氣用戶(電廠、化工廠等)，如不能及時恢復生產(chǎn)，將可能造成重大的經(jīng)濟損失，并使管輸公司聲譽嚴重受損。這種非緊急工況、非計劃導致的停車，應極力避免，因此如何構(gòu)建安全可靠的控制系統(tǒng)供電配置，是一項十分重要的課題。

1 輸氣站場控制系統(tǒng)簡介

天然氣長輸管道輸氣站場SCS包含獨立的過程控制系統(tǒng)(PCS)和安全儀表系統(tǒng)(SIS)，PCS和SIS均采用PLC實現(xiàn)。PCS擔負著流程參數(shù)檢測、調(diào)節(jié)、流程切換控制；SIS擔負著火氣參數(shù)檢測、超壓聯(lián)鎖及緊急關(guān)斷等功能，其PLC具有不低于SIL2的安全完整性等級認證。SCS是整個站場自動化控制的核心，典型輸氣站場SCS的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 典型輸氣站SCS結(jié)構(gòu)示意

輸氣站場進出站緊急關(guān)斷閥門一般采用氣液聯(lián)動閥，通過其內(nèi)部的電磁閥控制氣路開關(guān)實現(xiàn)閥門的開關(guān)，緊急關(guān)斷控制電磁閥的信號接入到SIS，而SIS的控制輸出為勵磁邏輯[3]，正常情況下電磁閥帶電，一旦SIS斷電，電磁閥將失去勵磁，導致進出站氣液聯(lián)動閥門關(guān)閉，全站停輸，造成下游分輸用戶和管道供氣的中斷。輸氣站SIS的PLC的CPU模塊、電源模塊、通信模塊均為冗余配置，PLC本身的可靠性可以得到有效保障，因此如何做好外部電源的可靠性，是制約SIS可靠性的關(guān)鍵。

2 SCS供電故障分析

以SCS的核心設備PLC控制柜為例，早期站場PLC控制柜供電設計中，通常采用1套不間斷電源設備(UPS)供電，機柜內(nèi)所有用電負荷均通過該UPS配電回路在柜內(nèi)進行分配，UPS配電回路如圖2所示。

該方式供電回路中可能導致系統(tǒng)供電故障的主要原因分析如下：

1)UPS電源本身故障[4]。作為PLC控制柜唯一的供電電源，如UPS本身發(fā)生故障，將造成控制機柜斷電。

2)配電回路故障。導致配電回路故障的原因很多，配電回路中任何一個環(huán)節(jié)的元器件(開關(guān)、防雷保護器等)故障、供電電纜故障均會導致配電回路故障，使PLC斷電。

3)用電設備故障。配電回路支路上的某路電源故障(短路)，均會導致整個配電回路故障，尤其是支路上的照明、風扇、插座等負荷，該類負載可靠性較差，容易導致支路短路，進而可能引發(fā)整個UPS配電回路的短路，是造成PLC供電故障的重要原因之一。

通過以上分析，導致SCS供電故障的原因主要包括供電設備、配電回路設置、負載等，因此要解決SCS的供電可靠性問題，也應綜合考慮上述幾點問題。

3 供電可靠性設計

3.1 UPS選擇及冗余方式選擇

輸氣站SCS屬于一級負荷中特別重要的負荷，因此應選擇高可靠性的UPS設備及其冗余方式，以保障供電可靠性。UPS由整流器、逆變器、轉(zhuǎn)換開關(guān)、儲能裝置及控制器組成，當UPS外部輸入電源故障時，UPS在一定時間內(nèi)能夠維持負載的動力供應，其中轉(zhuǎn)換開關(guān)一般采用靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(STS)，其切換時間為毫秒級，可以滿足精密電子設備的連續(xù)供電需求。根據(jù)UPS電路結(jié)構(gòu)，UPS分為三種基本類型[5]： 雙變換UPS、冷備用UPS、市電交互UPS，其中雙變換UPS的原理如圖3所示。

圖2 早期站場PLC所用UPS配電回路示意

圖3 雙變化UPS原理示意

由于雙變換UPS的逆變器始終處于工作狀態(tài)，無轉(zhuǎn)換時間問題，雙變換具有輸入電壓范圍寬、輸出電壓穩(wěn)定、精度高等優(yōu)點，因此輸氣管道站場推薦選用雙變換UPS。

3.2 UPS冗余方式

實際應用中，單套UPS的可靠性不可能無限高，當UPS維護、維修時，因誤操作等原因造成UPS輸出故障的概率更高。為提高UPS的可靠性，重要的供電場合UPS通常采用并聯(lián)冗余、備用冗余方式[6]。

1)并聯(lián)冗余。指2套或多套UPS并聯(lián)，各單套UPS的輸出并聯(lián)連接到1套公共的輸出系統(tǒng)中。由于輸氣站場UPS功率一般不大，選用“1+1”并聯(lián)冗余(以下簡稱并聯(lián)冗余)，通常情況下，2套UPS各帶50%負荷，當其中1套故障時，自動切換，另1套將承擔全部100%負荷。當主UPS恢復時，可通過自動或手動的方式將負荷切換回原UPS。并聯(lián)冗余方式中輸出系統(tǒng)共用，設計選型時應重點考慮，如輸出系統(tǒng)可靠性較差，將成為并聯(lián)UPS的瓶頸。UPS并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 UPS并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)示意

2)備用冗余。由2套獨立的UPS構(gòu)成，與并聯(lián)冗余方式不同，2套UPS輸出不共用，由于沒有公共輸出系統(tǒng)的瓶頸限制，該方式的可靠性更高，但投資更大。在壓氣站、調(diào)控中心等具備獨立2路外電的場所，可選用該種系統(tǒng)冗余的方式。同時，如SCS各設備、部件具備雙電源模塊，雙電源模塊分別接入2套獨立的UPS輸出，將進一步提高系統(tǒng)供電的可靠性。UPS冗余結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖5 UPS備用冗余結(jié)構(gòu)示意

與UPS的“1+1”并聯(lián)冗余方式相比，UPS備用冗余結(jié)構(gòu)具有各自獨立的輸出，投資相對較高，但不存在公共輸出系統(tǒng)帶來的瓶頸問題，其可靠性比并聯(lián)冗余方式更高。

3.3 STS技術(shù)應用

STS是UPS中特別重要的部件之一[7]，STS主要由高速可控硅、短路器、控制器構(gòu)成，切換時間短，可滿足服務器、IT、工控等電子設備不斷電的切換時間要求。根據(jù)GB/T 50823—2013《油氣田及管道工程計算機控制系統(tǒng)設計規(guī)范》[8]要求，輸氣站場SCS的UPS允許瞬斷時間要求不大于4 ms。STS采用“先斷后接”的工作模式，輸入的2路電源可以同相，也可以不同相，從而大幅地提高了STS的應用范圍。STS廣泛應用于UPS單機中UPS輸出和旁路間切換、冗余UPS單機間切換。

由于STS的獨特性能，在輸氣站場SCS設計時，STS可與SCS雙電源供電設計模式相結(jié)合，構(gòu)建高可靠性的供電系統(tǒng)。

3.4 SCS雙電源供電設計

根據(jù)上述分析，采用單套UPS時，即使UPS的可靠性已經(jīng)有了較大提高，但單電源供電方式本身存在可用性不高的固有缺陷，在輸氣站場中明顯不適用。為提高PLC供電的可靠性，PLC應采用2路相互獨立電源供電，避免同時遭到破壞。在輸氣站站場內(nèi)，該2路電源通?？梢允?路獨立的UPS輸出或1路UPS、1路非UPS(市電)；在分輸站、末站，UPS設備通常采用冗余并聯(lián)方式；在壓氣站、調(diào)控中心，UPS推薦采用備用冗余UPS方式。

3.5 SCS供電負荷分類

根據(jù)SCS內(nèi)各部分是否與監(jiān)控和安全報警直接相關(guān)，將SCS內(nèi)部負荷劃分為關(guān)鍵負荷和非關(guān)鍵負荷。關(guān)鍵負荷指SCS內(nèi)與現(xiàn)場監(jiān)控和安全報警有關(guān)的負荷，如機柜內(nèi)24 V(DC)電源、控制器、I/O、機架、通信設備的供電，服務器、操作員站、工程師站的供電；非關(guān)鍵負荷指SCS內(nèi)與現(xiàn)場監(jiān)控和安全報警無關(guān)的負荷，如照明、風扇、空間加熱器、備用插座、打印機等[9]。

如果非關(guān)鍵負荷與關(guān)鍵負荷共用供電回路，一旦非關(guān)鍵負荷發(fā)生短路故障，將直接影響關(guān)鍵負荷的供電，因此應將非關(guān)鍵負荷的配電回路獨立出來，且非關(guān)鍵負荷宜由普通電源供電，既可以避免非關(guān)鍵負荷故障對關(guān)鍵負荷的影響，又可以降低UPS的總負荷。

3.6 輸氣站場PLC系統(tǒng)可靠性供電設計

1)UPS選用“1+1”并聯(lián)冗余UPS或備用冗余UPS。在具備2路獨立外部供電的重要應用站場(如壓氣站)、調(diào)控中心，推薦采用備用冗余UPS，備用冗余UPS分別接至2路獨立外部電源，進一步提高UPS供電的可靠性。普通輸氣站、末站可采用“1+1”并聯(lián)冗余UPS，以降低投資。

2)機柜供電回路設置。機柜內(nèi)配電回路如圖6所示，配電回路設置原則如下：

a)機柜內(nèi)劃分關(guān)鍵負荷與非關(guān)鍵負荷。關(guān)鍵負荷與非關(guān)鍵負荷配電回路相互獨立，避免非關(guān)鍵負荷短路故障對關(guān)鍵負荷供電回路造成影響。

b)關(guān)鍵負荷采用雙電源輸入。根據(jù)采用的UPS的不同，采用兩種組合方式： 并聯(lián)冗余UPS與市電的組合；2套UPS做備用冗余。

c)非關(guān)鍵負荷采用市電供電。

圖6 PLC配電回路結(jié)構(gòu)示意

3)雙電源冗余模式。輸氣站場站控PLC關(guān)鍵負荷雙電源冗余模式有兩種： 基于STS設備實現(xiàn)雙電源冗余；PLC本身各部分支持雙電源輸入，各部分均采用雙電源接入。

a)STS實現(xiàn)雙電源冗余。該種供電模式如圖7所示，以STS設備作為雙電源切換模塊，雙電源可選擇UPS與市電組合、UPS1與UPS2組合。以UPS與市電組合為例，UPS作為主電源，市電作為備用電源，正常情況下STS選擇UPS給負載供電，當UPS出現(xiàn)故障時，由STS自動切換到市電，繼續(xù)給負載提供供電，當UPS恢復后，STS可自動切換回UPS。由于STS的切換時間約為4～8 ms，不會造成PLC的宕機。

圖7 STS實現(xiàn)雙電源冗余示意

b)PLC內(nèi)部各部件支持雙電源供電。目前，輸氣站場選用的PLC的CPU機架一般為冗余機架，或者單機架雙冗余或三冗余模塊，單機架時電源模塊為冗余配置；圖8所示的IO機架均配置了雙電源輸入模塊，冗余機架或冗余電源輸入模塊可以接入2路不同電源，以提高供電的可靠性。各CPU機架、冗余電源模塊、機架冗余電源輸入等結(jié)構(gòu)分別接入不同的外部輸入電源，具體配置如圖8所示。

圖8所示的配置方式，將電源冗余分散到各冗余部件中，與STS電源冗余方式相比，無共用STS部分，且PLC各部分的冗余性能可靠性均有較大保證，使供電的可靠性更高。但該配置方式實現(xiàn)的前提是PLC各部件均要支持雙電源輸入或為冗余部件，同時該配置方式需要將2路外部輸入電源的配電回路完全分開，其內(nèi)部配電比STS冗余方式復雜，尤其是對于已建系統(tǒng)需要做大量的配電回路更改，與STS方式相比工程量大，所需時間長、成本高。

3.7 操作站和服務器供電

輸氣站場的操作站、服務器均為冗余配置，通常使用1路UPS供電回路，當該供電回路出現(xiàn)故障時，所有操作站、服務器均斷電。在操作站、服務器斷電后，雖然站場仍可由PLC控制，保持繼續(xù)運行，但斷電期間的數(shù)據(jù)卻無法保存，且操作人員無法通過人機界面了解生產(chǎn)流程的運行狀態(tài)和發(fā)出操作命令，站場監(jiān)控實際上處于非正常狀態(tài)，如不能及時恢復，也將對生產(chǎn)造成影響。

通常輸氣站場的操作站和服務器均為單電源輸入，結(jié)合外部供電條件，可使用以下方式提高供電的可靠性：

1)站內(nèi)采用冗余UPS時，使用普通市電作為第2路電源，操作站和服務器可分別采用STS作為冗余UPS和普通市電的切換裝置。

2)站內(nèi)采用備用冗余UPS時，操作站和服務器冗余設備分別接入不同的UPS中。

3)冗余設置的操作站、服務器，其中1臺可采用UPS、另1臺可采用普通市電供電。

圖8 PLC內(nèi)部各部件電源模塊配置示意

4 其他措施

除采用以上提高SCS供電可靠性的措施外，還可以從以下幾方面進一步提高供電的可靠性：

1)關(guān)鍵控制系統(tǒng)應采用電源直供，即供電電源不經(jīng)過供電箱二次分配，直接從母線經(jīng)開關(guān)和電纜配出，減少中間環(huán)節(jié)，從而減小發(fā)生故障的概率。如輸氣站SIS的關(guān)鍵負荷雙電源均應采用電源直供，PCS的關(guān)鍵負荷雙電源應至少保證UPS電源直供；同時非直供電源要盡量減少配電級數(shù)，且不應超過三級[10]。

2)SCS外部供電回路均配置電涌保護器，尤其是跨越建筑物的供電電纜。

3)加強對UPS設備的維護、檢測，及時更新老化部件，提高UPS電源本身的可靠性。

5 結(jié)束語

天然氣輸氣站場SCS的供電可靠性直接決定著站場輸氣流程能否安全可靠的運行，采用合理的供電方式、配電回路可極大地提高SCS的供電可靠性。由于供電配置成本和可靠性各有不同，因此設計時應結(jié)合工程的具體情況，選取安全可靠、性價比高的方案。