一種儀表供電的新方式
——直流高壓供電

邢勐，葉向東

(1. 中國石油化工股份有限公司 煉油事業(yè)部，北京 100728；2. 中國石化工程建設(shè)有限公司，北京 100101)

石油化工工業(yè)是典型的流程工業(yè)，工廠中的儀表及控制系統(tǒng)是工藝過程運行的關(guān)鍵設(shè)備，儀表及控制系統(tǒng)的供電(以下簡稱儀表供電)不可須臾中斷。而供電系統(tǒng)由于電網(wǎng)波動、負(fù)荷變化、線路故障、設(shè)備故障、檢查維修等原因會發(fā)生供電系統(tǒng)故障而中斷供電，導(dǎo)致儀表供電的中斷。為了減少供電系統(tǒng)斷電對儀表供電的影響，儀表供電通常采用靜止不間斷電源(UPS)作為保障供電的設(shè)備。但是，UPS也會發(fā)生故障，從現(xiàn)場的應(yīng)用情況來看，主要是UPS逆變部分的故障。如果能采用直流高壓供電系統(tǒng)代替UPS供電，則可以避免逆變部分的故障，提高供電質(zhì)量。

1 儀表供電的現(xiàn)狀

由于儀表供電的中斷會引發(fā)工藝過程的失控，導(dǎo)致停工停產(chǎn)的巨大經(jīng)濟損失，甚至引起爆炸、火災(zāi)、有毒介質(zhì)擴散、設(shè)備損壞和人員傷亡等重大事故和災(zāi)害。當(dāng)發(fā)生供電系統(tǒng)停電時，為能緊急處理事故、及時停止工藝過程、保護重要設(shè)備、采取防災(zāi)減災(zāi)措施，需要對儀表及控制系統(tǒng)維持一段時間的供電，使控制系統(tǒng)能夠在緊急情況下有效運行及發(fā)揮作用。

根據(jù)石油化工工廠工藝過程連續(xù)生產(chǎn)的性質(zhì)和儀表及控制系統(tǒng)用電的需要，以及SH/T 3082—2019《石油化工儀表供電設(shè)計規(guī)范》的規(guī)定，儀表及控制系統(tǒng)供電采用電力供電負(fù)荷規(guī)定的一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，并采用UPS供電[1]。一級負(fù)荷是最高等級的供電負(fù)荷，而特別重要的負(fù)荷還要配備應(yīng)急供電設(shè)備，UPS就是其中的一種，是適合控制系統(tǒng)維持一段時間連續(xù)供電的常用設(shè)備。

2 采用UPS供電的原因

石油化工工廠的控制系統(tǒng)主要采用以計算機、微處理機、網(wǎng)絡(luò)設(shè)備為基礎(chǔ)的分散型控制系統(tǒng)、程序控制器、計算機服務(wù)器、智能儀表等控制設(shè)備[2]，由于這些設(shè)備斷電停止運行后，再啟動時不能自動返回到斷電前的工作狀態(tài)，需要從操作系統(tǒng)開始啟動，再啟動控制系統(tǒng)程序和應(yīng)用軟件，有一個過渡過程，并且常常需要人工引導(dǎo)到正常的工作狀態(tài)，即使是瞬間斷電也是這樣。有些采用微處理器和微程序控制器的單體儀表也具有類似特性。

為了減少和避免短時間或瞬間斷電導(dǎo)致的控制系統(tǒng)再啟動，就需要采用UPS。在供電系統(tǒng)斷電或瞬時跌落時利用UPS中的蓄電池逆變成與電力供電系統(tǒng)低壓供電的220 V(AC)的供電規(guī)格，持續(xù)不間斷地向儀表及控制系統(tǒng)供電。這種供電方式是目前最常用的供電方式[3]。

3 采用直流高壓電源的根據(jù)

交流供配電系統(tǒng)的優(yōu)點是可以方便地采用變壓器變換電壓。工業(yè)中廣泛采用的中小功率交流電機、工業(yè)及民用照明幾乎全部采用低壓交流(電氣對220 V(AC)的稱謂)供配電系統(tǒng)，所以交流供配電一直是工業(yè)及民用供配電系統(tǒng)的主要供電方式。但交流供電的缺點也是明顯的，電網(wǎng)和用電設(shè)備的諧波電流經(jīng)常影響電能質(zhì)量，交流供電的無功功率增加了供電設(shè)備的負(fù)荷，所以許多大型交流用電負(fù)載需要配備功率因數(shù)補償設(shè)備，增加了交流供配電的復(fù)雜程度和配套設(shè)備數(shù)量[4]。

由于直流電壓的有效值就是供電電壓，沒有周期波動，瞬時值就是平均值，電能質(zhì)量高。直流供配電和用電設(shè)備負(fù)荷用電沒有無功功率，電能輸送損耗小，可以方便地與電池并聯(lián)使用，比交流供配電具有特殊應(yīng)用的優(yōu)勢。由于直流系統(tǒng)的優(yōu)點，使用也很廣泛，典型應(yīng)用領(lǐng)域有： 電力行業(yè)直流輸配電、軌道交通和電力機車供電及其信號系統(tǒng)、光電發(fā)電和風(fēng)力發(fā)電的原始發(fā)電系統(tǒng)、通信行業(yè)等。

石油化工行業(yè)也有直流電的應(yīng)用，由于石油化工工廠電力供配電系統(tǒng)的信號設(shè)備、繼電保護、自動裝置、事故照明等很多用電設(shè)備都是采用直流電，供電采用一種直流供電設(shè)備——直流屏提供直流電源。

直流屏是一種整流電源設(shè)備，將交流電整流成為220 V或110 V直流電，并采用蓄電池直接并聯(lián)在直流供電線路中作為后備電源，實現(xiàn)直流不間斷供電，在外部供電中斷的情況下由后備電源(蓄電池)繼續(xù)供電[5]。直流屏只有整流設(shè)備，沒有UPS的直流—交流逆變部分，減少了故障率較高的設(shè)備部分，所以直流屏的可靠性、可用性都比UPS設(shè)備好，維護和檢修也比較方便和容易。

如果能采用直流屏供電，就能取代UPS設(shè)備，但這與交流用電設(shè)備的供電形成矛盾。雖然儀表內(nèi)部用電是直流電，但外部供電都是采用交流供電的，若采用直流外部供電就必須解決用220 V(DC) 代替220 V(AC)供電的問題。

4 直流電源供電的分析

由于儀表內(nèi)部用電均為半導(dǎo)體分立元件或集成電路用電，所以是半導(dǎo)體器件級別的專用低壓直流用電。根據(jù)電路器件的用電規(guī)格，需要±3.3 V，±5 V，±6 V，±12 V，24 V等專用低壓直流電壓[6]，有的還有其他電壓等級，但都是從電氣供配電系統(tǒng)的220 V(AC)變換成所需要的專用低壓直流電壓。

儀表有現(xiàn)場檢測儀表和控制室信號處理儀表之分，現(xiàn)場儀表用電有兩種電壓規(guī)格： 一種是220 V(AC) 直接供電的單體儀表；另一種是24 V(DC)供電的儀表，是通過控制室的直流電源裝置或控制系統(tǒng)提供電源的，大多數(shù)儀表的供電是該方式。

電源變換有兩種變壓方式： 一種是將220 V(AC)通過直流電源裝置變成24 V(DC)作為通用直流供電，再由用電儀表內(nèi)部變成需要的低壓直流電壓，常用于24 V(DC)供電的變送器、測量儀表、某些品牌的分散控制系統(tǒng)、可編程控制器、數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)(SCADA)等；第二種是由用電儀表將220 V(AC)直接變換成內(nèi)部所需要的低壓直流電壓，常見于某些品牌的分散控制系統(tǒng)、可編程控制器、220 V(AC)直接供電的單體儀表[7]，如： 某些分析儀、雷達液位計、電磁流量計等。

所以，采用直流屏代替UPS為儀表系統(tǒng)供電只需要解決220 V(AC)電源端采用220 V(DC)電源的問題即可，后端的24 V(DC)等的專用低壓直流用電是完全一樣的。

電壓變換有兩種技術(shù)： 一種是傳統(tǒng)的變壓器電源技術(shù)，直接將220 V(AC)變壓、整流、穩(wěn)壓、濾波成需要的低壓直流電壓，優(yōu)點是可靠性高，缺點是體積大、質(zhì)量大、發(fā)熱量高、對供電電壓的適應(yīng)性差；另一種是開關(guān)電源，先一次整流后采用晶體管開關(guān)一次降壓并變成高頻交流，用隔離變壓器二次變壓，再經(jīng)過二次整流、穩(wěn)壓、濾波成需要的低壓直流電壓，優(yōu)點是效率高、體積小、質(zhì)量小、發(fā)熱量低、對供電電壓的適應(yīng)性強。其實開關(guān)電源并不是沒有變壓器，只是采用高頻變壓器進行變壓并實現(xiàn)電磁隔離，這也是開關(guān)電源優(yōu)點明顯的原因。開關(guān)電源還有一點與傳統(tǒng)的變壓器電源裝置不同的是既可以輸入交流電，也可以輸入直流電。

現(xiàn)在這兩種電源技術(shù)都已經(jīng)很成熟了。由于開關(guān)電源的優(yōu)點比較明顯，絕大多數(shù)儀表電源電路都采用開關(guān)電源技術(shù)，除了少數(shù)特殊應(yīng)用以外，已經(jīng)很少見到傳統(tǒng)的變壓器電源了。

儀表系統(tǒng)還有一種設(shè)備就是計算機設(shè)備，有各類臺式機、服務(wù)器、交換機、打印機等，除一些交換機有24 V(DC)供電外，都是直接采用220 V(AC)供電的。

查閱設(shè)備樣本可知，多數(shù)品牌直流電源裝置的常用儀表電源都有輸入電壓為單相100～240 V(AC)兼容110～250 V(DC)的規(guī)格[8]，也就是說，儀表現(xiàn)在用的直流電源裝置既可以用交流電，也可以用直流電，電壓適用范圍包括110 V和220 V兩個電壓等級。以某品牌的產(chǎn)品為例，電壓輸入范圍為： 85～264 V(AC)或80～370 V(DC)。220 V(AC)直接供電的單體儀表的供電規(guī)格多數(shù)也可以采用交直流兩種供電方式。

計算機和服務(wù)器等設(shè)備的供電已經(jīng)全部采用開關(guān)型直流電源裝置，有ATX和SSI兩種電源標(biāo)準(zhǔn)[9]。ATX標(biāo)準(zhǔn)使用較為普遍，主要用于臺式機、工作站和低端服務(wù)器；SSI標(biāo)準(zhǔn)適用于各種檔次的服務(wù)器。

ATX和SSI兩種開關(guān)電源均適用于交流供電和直流供電，雖然有的計算機標(biāo)牌上只標(biāo)明220 V(AC) ，50～60 Hz，但ATX和SSI兩種開關(guān)電源的標(biāo)準(zhǔn)就是交直流兩用的，實際測試也證明了這一點。

通過分析常用直流電源裝置、ATX和SSI開關(guān)電源的電路可知，各種常用開關(guān)電源的設(shè)計原理和電路大同小異(電路圖略)?，F(xiàn)在的儀表及控制系統(tǒng)絕大多數(shù)采用可以交直流兩用的電源設(shè)計，基本上具備采用直流屏供電的條件。

5 控制系統(tǒng)直流高壓供電的方案

等同于交流供電的一級負(fù)荷中的特別重要負(fù)荷，采用UPS供電的方案，直流屏的交流供電也采用一級負(fù)荷，并采用蓄電池作為應(yīng)急電源。由電氣提供兩路直流220 V供電線路，到儀表直流配電柜，不再使用UPS。直流電源裝置、計算機設(shè)備、分散控制系統(tǒng)、各種可編程控制器等所有能夠采用直流高壓供電的儀表設(shè)備均直接從直流配電柜用電。

鑒于可能會有少量儀表不能直接使用直流220 V電源，仍然需要配備一對小容量的UPS(一般石化裝置不會超過總用電量的5%)。

不能使用直流220 V的可以離線的設(shè)備(如： 打印機)等采用市電。

火災(zāi)報警及聯(lián)動系統(tǒng)仍然采用原來的專用電源系統(tǒng)。

雖然直流屏也有24 V(DC)的供電規(guī)格，但由于24 V電壓較低，相應(yīng)的電流較大，不能用于十幾米以上距離較大容量的送配電，并且計算機設(shè)備不能使用24 V(DC)的電源，所以不能采用這種供電規(guī)格的方案。

6 直流高壓供電的注意事項

在采用直流高壓供配電之前，應(yīng)認(rèn)真檢查每一種儀表的用電規(guī)格，區(qū)分可以直流220 V供電的和不能使用直流220 V供電的儀表。

認(rèn)真檢查各種型號計算機及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的用電規(guī)格，將機柜內(nèi)的風(fēng)扇和照明用電等所有220 V(AC) 用電的設(shè)備分離，采用市電供電。如果是20年前的控制系統(tǒng)，不能確定能否使用直流高壓供電，則不能采用直流屏供電。如果是新購設(shè)備，在系統(tǒng)訂貨時就應(yīng)當(dāng)明確采用直流220 V供電，以提供確定性方便。

確認(rèn)每一型號的直流電源裝置是可以使用直流220 V供電的，新購置的設(shè)備，在系統(tǒng)訂貨時就應(yīng)當(dāng)明確采用直流220 V供電，以提供確定性方便。

由于直流配電設(shè)備與交流的不一樣，所以，所有用于直流220 V的斷路器、配電器、熔斷器、配電開關(guān)、空氣開關(guān)等設(shè)備和部件應(yīng)全部采用直流220 V的規(guī)格[10]。直流24 V的配電設(shè)備不變。

7 結(jié)束語

采用直流高壓供電設(shè)備——直流屏提供直流高壓電源代替UPS為儀表及控制系統(tǒng)供電是一種新型的供電方式，簡化了供電設(shè)備，沒有了直流—交流逆變部件，提高了電源質(zhì)量及儀表供電的可靠性和可用性，便于維護和檢修，使儀表供電設(shè)備對供電系統(tǒng)更寬容。開關(guān)電源技術(shù)的成熟和普及為儀表供電提供了技術(shù)條件，現(xiàn)在的直流電源裝置、計算機內(nèi)電源裝置、控制系統(tǒng)電源模塊全部采用寬電壓范圍、交直流兼容的開關(guān)電源技術(shù)使大多數(shù)采用220 V交流供電的控制系統(tǒng)可以直接采用220 V直流供電，為直流高壓供電系統(tǒng)提供了基礎(chǔ)條件。

中石化旗下某企業(yè)的供電試點裝置采用直流屏直接為儀表及控制系統(tǒng)供電，取消了UPS，已經(jīng)運行了一年多，取得了很好的效果。

從供電技術(shù)上、電源技術(shù)上、電源設(shè)備規(guī)格上、儀表供電實踐等方面，都充分證明了石油化工裝置采用直流屏為儀表及控制系統(tǒng)供電方案的優(yōu)越性能，是值得推廣應(yīng)用的一種新型的儀表供電方式。