长输油气管道控制系统供电电源的设计及改进

摘 要：结合国家、行业的标准规范要求和行业管理规定，提出了长输油气管道SCADA系统供电电源常用的多级冗余设计方案，包括供电设备的选择、供电方式的确定，并且根据工程实践经验和负载重要性和特性，提出一种控制系统供电按照UPS电源和普通电源分开设计的改进方法。

关键词：长输油气管道 SCADA UPS 供电

中图分类号：TM623.1 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2012）12（c）-0127-02

随着自动化技术的发展和控制水平的提高，目前长输油气管道大多采用SCADA（Supervisory Control And Data Acquisition）系统，实现全线的数据采集与监视控制。SCADA系统完成输油生产过程数据采集、监视控制和安全联锁保护，是目前油气储运生产过程调度指挥和控制的核心平台，其供电电源的稳定可靠是SCADA系统安全运行的必要基础。本文介绍SCADA系统供电电源的常用设计方案，提出系统供电电源按照用电等级分别设置的改进方案。

1 SCADA系统供电电源等级确定

SCADA系统供电包括仪表及控制系统的供电和仪表辅助设施的供电。仪表及控制系统供电范围包括：PLC（可编程序控制器）、现场仪表、服务器、工作站、通信设备、火灾报警控制系统和可燃气体和毒性气体报警系统；仪表辅助设施的供电范围包括：机柜照明、机柜通风风扇、机柜和操作台的外接备用电源。按照《供配电系统设计规范》（GB50052-2009）的规定，仪表及控制系统供电属于一级负荷别重要负荷，这类负荷当供电中断时，为确保安全停工及处理事故，不致造成设备损坏和人身伤害事故，不致造成重大经济损失，需要稳定可靠的后备电源系统。仪表辅助设施的供电属于三级负荷，这类负荷在供电中断时，对生产过程影响较小，不会造成设备损坏，也不会对过程控制产生影响。因此，仪表及控制系统的供电一般采用不间断供电装置（UPS），UPS电源既可以防止突然断电对生产过程控制的影响，也可以消除普通电源上的电涌、瞬间高电压、瞬间低电压、电线噪声和频率偏移等“电源污染”，改善电源质量。

2 UPS主要技术指标

UPS是一种包含有储能装置，以逆变器为主要元件，具有稳压稳频输出的功能的电源设备。主要由整流器、蓄电池、逆变器和静态开关等几部分组成。UPS按工作原理分成后备式、在线式与在线互动式三大类，考虑到SCADA系统连续稳定运行对电源的要求，一般采用在线式UPS作为主供电设备，能够持续零中断地输出纯净正弦波交流电，解决电源尖峰、浪涌、频率漂移等问题。

UPS电源的主要质量指标如下。

2.1 输出交流电源

电压：220 V±5%。

频率：50 Hz±0.5 Hz。

波形失真率：小于5%。

2.2 输出直流电源

电压：24 V：24～28V可调。

纹波电压：小于0.2%。

2.3 电源瞬断时间：小于等于20 ms

2.4 瞬时电压降：小于10%

2.5 后备电池

电池类型：宜采用密封免维护铅酸电池。

后备供电时间：不小于2 h。

充电性能：2 h充电至额定容量的80%。

2.6 功率

按照仪表及控制设备耗电量总和的1.2～1.5倍考虑。

需要特别说明的是，按照《石油化工仪表供电设计规范》（SH/T3082-2003）要求，UPS 电池的后备时间为15～30 min即可，而《输油管道设计规范》（GB50253-2003）明确输油站自动化控制系统等特别重要负荷供电采用UPS电池后备时间不少于2 h，是在参照《35～110 kV无人值班变电所设计规程》相关内容，结合部分输油站地处偏僻，周边依托条件差的基础上提出的。

3 SCADA系统电源的配电方式

按照《石油化工仪表供电设计规范》（SH/T3082-2003）和《中国石化生产装置过程控制仪表电源供电系统技术管理规定》（中国石化生[2011]157号）要求，仪表及控制系统的供电电源应按照双电源设计，即一路由UPS馈出，一路由低压母线馈出。在遵照标准规范的前提下，结合工程实践经验，为保证UPS进线安全可靠，防止因电缆线路及低压电气设备故障而造成UPS供电输入意外中断，UPS进线按照两路设计，两路电源均取自变电所不同低压母排，供电方式见图1。

从图1可见，SCADA系统正常情况下由UPS供电，在UPS设备故障时由变电所直接供电。该系统的设计考虑多级冗余，一是UPS进线冗余设置，二是在线式UPS本身具有旁路功能，即正常情况下一路经滤波整流直接输出，故障情况下另一路由后备电池经逆变器后输出，三是一路变电所低压电作为UPS的备用。以上供电系统多级冗余设计时需设置STS静态切换开关。

STS（Static Transfer Switch）静态切换开关具有电源二选一自动切换功能，正常工作状态下，在主电源处于正常的电压范围内，负载一直连接于主电源；在主电源发生故障时，负载自动切换到备用电源。在主电源恢复正常后，负载又自动切换到主电源。STS静态转换开关采用先断后通的切换方式，确保两路电的转换过程中用电设备不断电，从而能够正常连续工作。其最高转换时间可以达到5 mS，满足PLC等控制设备数据采集轮询周期不大于20 mS的要求，确保控制系统数据不丢失，运行不中断，控制不失效。

4 SCADA系统供电电源改进方案

SCADA系统供电设计时一般由UPS电源为仪表及控制系统和仪表辅助设施统一供电，即将UPS电源的输出回路引入相应的机柜和计算机操作台，机柜内部供电回路分配多由系统集成商完成，一般是将UPS的输出经分流后接断路器，分送到各个机柜，再由各机柜分别送给各负载。

根据用电负荷的重要性，结合SCADA系统的技术特点和运行环境的状况分析，仪表及控制系统供电是SCADA系统供电的关键和核心，其对供电电源都有苛刻的要求，既要求电源24小时不间断，同时要保证电源电压稳定，无尖峰、浪涌、频率漂移等问题。仪表辅助设施的供电相比来说并无太多要求，普通电源即可满足，且目前输油站和油库大多为双电源供电，电源质量较好。次外，控制室环境依托条件也较好：机房和控制室均设置有事故应急照明系统，因此在电源故障时机柜和控制室照明可以利用室内应急照明灯；机房通风良好，空气清洁，因此机柜风扇可以短时间中断运行；外接备用电源只是控制系统安装调试时用，供电中断对系统运行不产生影响。由此可见，仪表辅助设施的供电短时间的中断，不会对控制系统产生影响。因此，仪表辅助设施可以单独采用普通电源供电。

综合以上分析，SCADA系统的供电可以分为两类配置：UPS供电电源和普通电源，即仪表及控制系统供电采用UPS电源，仪表辅助设施的供电采用普通电源（供电方式如图2所示）。

电源分别设置具有以下优点：一是避免电扇和电灯这些感性负载和阻性负载等易发生短路、断路的用电设备对仪表及控制系统的主电源的污染，保证关键仪表和控制设备的用电安全；二是防止在设备安装及系统调试阶段，因管理不善或人员繁杂，各种大功率施工设备对UPS电源冲击或过载的影响；三是降低UPS电源的功率需求，节省投资。

5 结语

SCADA系统是长输油气管道生产调度指挥的核心，其供电系统的安全可靠对系统稳定运行起到基础支撑作用。仪表及控制系统供电采用采用不间断电源供电，并且采用双电源配电方式，仪表辅助设施的供电采用普通电源，此设计方案既保证了SCADA系统的供电可靠性，又增强供电系统的安全性。

参考文献

[1] 刘宏斌.输油管道工程设计/石油和化工工程设计工作手册[M].东营：中国石油大学出版社，2010：798-802.

[2] SH/T3082-2003，石油化工仪表供电设计规范[S].