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UPS運行模式及蓄電池風險管理
  • 咸陽機場近年發展很快,信息系統的數據量以20%逐年遞增,標志著咸陽機場公司已經朝著數字時代企業逐漸轉型升級。本文通過供配電系統總結出機房的電源、空調、防雷接地系統以及信息系統的重要載體(服務器、存儲磁盤陣列、交換機、光模塊等)四大領域。系統性的分析了信息系統支撐的平臺,并詳細地介紹了這個平臺的具體情況。
  • 咸陽機場公司信息系統飛速發展,信息系統的數據量以20%逐年遞增,標志著咸陽機場公司已經朝著數字時代企業逐漸轉型升級。航站區管理部電力站以精細化管理為手段,以管理清單化、清單事項化、事項規范化、規范體系化為工具,總結出機房的電源、空調、防雷接地系統以及信息系統的重要載體(服務器、存儲磁盤陣列、交換機、光模塊等)四大領域。系統性的分析了信息系統支撐的平臺。在這里,我們要解決的主要問題是機房的一個領域:不間斷電源(UPS)。
      
      如果把機房四大領域比喻成人體器官,電源就是人體的“消化系統”,為整個人體提供可靠的能量支撐。而電源主要包括電源主機以及后備電池等兩個部分。而這兩部分又可拆分成近千個技術指標,航站區管理部電力站以問題為導向,以精細化管理為工具,梳理出以下技術管理經驗分享。
      
      一、電源主機
      
      1.電源供電模式選擇
      
      根據現有機場公司建設設計要求,UPS供電模式參差不齊,對于供電模式選擇均有不同的模式,應用的場景也均有不同,航站區管理部電力站通過精細化管理方式,梳理出以下幾種模式:
      
      1)雙總線單機運行UPS供電系統:2套同步運行的UPS兩路輸出,形成A、B路雙總線供電,并分別連接至兩套相互獨立的負載側配電柜。
      
      2)UPS并聯冗余運行模式:指的是兩臺及以上UPS單機或模塊并聯同步輸出供電。當采用“1+1”并機模式時,任何一部UPS的單機或模塊均應具備承擔100%負載的能力。
      
      3)單線路UPS供電系統:一臺UPS單獨輸出,直接接入負載設備。(可靠性按照順序編號依次降低)。因此,在電源配置時,建議根據負載重要性選擇不同的供電模式以供選擇。
      
      2.電源設備維護周期
      
      UPS內部結構主要以主控、整流器、逆變器、靜態開關、通訊模塊、散熱裝置等零部件為主,這些單元內部有著復雜的邏輯關系以及集成系統。一是因UPS為7×24小時不間斷運行,且部分機房地理位置及外部因素限制(包括溫度、濕度、粉塵及負載率等),導致不同機房的UPS內部元器件壽命稍有差異,但主要因素還是考慮整體使用年限,其中UPS風扇建議更換周期為6年,UPS電容建議更換周期為6~8年,UPS主控板建議更換周期為8年;二是UPS主要核心作用是為下端供電設備設施提供可靠的供電運行保障,即在常規運行中,當外界出現電網波動和電網中斷等情況下,可以保證下端設備設施的連續性運行。因此對UPS試驗主要應分三種方式,包括中斷市電、中斷電池開關和切換靜態旁路等,確保UPS主機的可靠性,防止在重要時間節點上電網波動對下端設備造成影響。
      
      3.電源設備應急處理
      
      當UPS出現異常情況時(包括故障報警、過載、壽命到期、電池失效等等),能夠迅速恢復下端電源,通過了解設備的運行狀態,迅速隔離故障點?,F存部分UPS(容量在20kVA以下(含))未設置手動維修旁路,也就意味著當出現故障時UPS無法短時間退出運行。因此,為了保證故障應急處理的時效性,經電力站專業技術人員研討論證,對此類UPS加裝旁路開關,可確保在緊急狀態下迅速退出設備,保證電源的連續性,經實際測試,此類UPS在故障時恢復時間可由40min縮短至5min。
      
      二、后備儲能裝置(電池)
      
      1.蓄電池選型及更換標準:
      
      1)鋰電池和鉛酸電池的對比分析:蓄電池作為儲能的核心裝置,以內部屬性分類法主要是:鋰電池(典型的以磷酸鐵鋰電池為主)、鉛酸蓄電池(典型的以VLAN電池為主,膠體電池是VLAN電池的升級版本)、鎳氫電池等。以電壓等級分類常見的主要是:2V、12V、24V、48V電池為主(跟內部結構有關)。目前航站區內的電池最常見的以12V的VLAN(閥控式鉛酸蓄電池為主),選擇的優點:其一,VLAN電池的能量密度相對較小,安全性受到外界干擾的影響性相比磷酸鐵鋰電池受到外界的干擾小。其二,滿足現有機房的物理條件,且12V電池串聯選擇提供的后備時間較長。其三,在同等能量密度時,同等充放電循環次數下,鉛酸蓄電池成本優勢更加明顯。
      
      2)電池的更換標準:通過查閱大量資料文獻及標準,包括國家標準(GB)、電力行業標準(DL)、通訊行業標準(YD)等標準,以及注明電池檢測儀表廠家(福祿克、日置)等,其中各種標準說法不一,其原因主要是因為市面上生產電池廠商品牌不一,難以進行統一,其中具有代表性的以電池容量為指標,日置儀表檢測廠商以內阻檢測值的1.5倍為指標,而在實際的生產運行過程當中,蓄電池的負荷能力只是蓄電池檢測過程當中一項指標,其中尤為重要的安全風險問題在各類標準中又未曾提及,而安全風險問題對于航站區內等地點又是堅決不能接受的。
      
      電池的表象及風險演化結果如表1。結合航站區內實際現場原因及情況,對電池觀測及檢查增加了難度,因此主要判斷依據應做相應的標準結合,判斷出故障電池、落后電池及良好電池。其中故障電池是應當進行立即更換的,落后電池是可以通過均衡進行維護的。提出以下幾個建議供選擇:
      
      其一,新電池一致性比較好,更換個別電池雖然會對整組電池有影響,但相對影響較小。舊電池組一致性本身較差,更換個別電池時對整組電池影響相對會大些。
      
      其二,電池設計壽命一般8-12年,根據電池制作工藝以及內部質量而定,在設計壽命期間內如果配有自動均衡維護系統,都可以個別更換故障或落后電池。超過設計壽命的電池組建議及時整組更換。
      
      其三,目前修復電池的技術主要有三種:大電流充放電循環激活,尖峰脈沖除硫激活,補充電解液或蒸餾水。這些技術對蓄電池容量恢復有一定效果,主要用于動力電池或啟動電池的容量修復,但對電池的安全性能方面沒有改善,甚至會影響電池的安全性能,不建議在應急后備電源蓄電池組使用,否則容易發生事故。
      
      電池的管理及維護標準建議:針對現有咸陽機場公司航站區實際情況,總結出電池管理及維護主要包括以下幾個方面:
      
      1)認真了解每一個UPS的電池配組原則,對電池準確進行編號及配色,方便檢測;
      
      2)按照電池安裝說明書使用力矩扳手進行適當緊固螺絲;
      
      3)日常巡檢過程中注意2.1.2中現象;
      
      4)在對電池進行核對性容量放電時注意電池放電壓降,同組電池放電過程當中壓降明顯低于平均值的即可判斷電池故障。
      
      2.電池配件的選擇:
      
      1)電池支撐架(電池箱):依據《蓄電池施工及驗收規范》GB-50172-2012中4.1.3所描
      
      述,“蓄電池放置的基架及間距應符合設計要求;蓄電池放置在基架后,基架不應有變形;基架應接地”,由此可知,蓄電池在放置時以出圖設計為驗收標準。但在實際的使用過程當中,因蓄電池在維護過程中眾多的檢查事項與標準,蓄電池架的安裝至少還須符合可以直接目視到電池等因素,因此更換的電池架配置標準至少應為敞開式,具備觀測功能的電池架。
      
      2)電池開關:
      
      其一,電池開關的選擇,電池屬于直流開關,因此電池開關選型應為DC型開關;
      
      其二,電池開關的選擇,應符合電池組串聯的最高電壓等級,即耐壓等級必須高于N×13.8V(N為每組串聯電池個數);
      
      其三,電池開關選擇3P還是4P?對于直流開關來講,3P開關一般應用為單級開關,4P開關一般應用為正負極開關,中間應當選用匯流排,如果UPS電池正極對地電壓為電池串聯個數,負極具有良好的接地,為對地等電位點,則應選用3級開關,具體方式如圖1所示:
      
      3)電池放電開關:放電開關主要為蓄電池放電時的便捷性、安全性,設置方式與電池開關原則一致。但應考慮放電開關的容量以及絕緣性能,僅須按照電池開關布置,選擇對應的型號。
      
      4)電池連接線及線鼻子選擇:蓄電池連接線及線鼻子作為連接匯流排的核心導體,應具備可靠的導電性能及載流性能,載流能力計算公式為:
      
      Q(UPS容量)÷√3÷380×η(逆變器轉換效率)=V(串聯直流電壓)×組數×I(直流電流)
      
      即電池連接線經選擇應大于計算值I對應值一個級別。
      
      三、信息化應用(檢測系統)
      
      1.UPS在線監測
      
      UPS自問世以來,已從最初的動態式,發展到現在采用全控功率器件產品。UPS在使用過程中運行狀態如圖2所示:
      
      在實際的使用過程當中,當UPS運行狀態改變時的風險遠大于正常運行時的風險,運行狀態的改變指的是圖2中的一種模式到另外一種模式的轉變。因此,按照現行機場電網運行規律,在進行設備試驗時,一般為計劃性工作,時間與風險時可控的,即是故障情況下,人員具有應急措施,立即發現問題;而在電網波動或故障時,UPS的運行狀態從市電狀態到電池工作模式的轉變,時間一般為50~3000ms,因敷設點位問題,如無UPS監控設備,將無法在第一時間判斷UPS是否在此過程當中出現故障。因此UPS監控設備在于核心機房的UPS監控過程中的遙測與遙信功能必不可少。
      
      2.電池在線監測
      
      航站區目前電池總數為3719塊,經過3年時間的歷史數據資料積累,及檢測標準的復雜性與多樣性。人力檢查時對專業技術要求比較高;電池數量基數大,在檢測過程當中的紕漏;部分檢測手段無法達到相應的檢測要求。
      
      因此借鑒于企業平臺化管理的核心思路,通過信息化及數據化的應用,解決人力所不能達到的新高度。電池在線監控系統的核心主要以三大技術參數作為指標,一是電壓及內阻的檢測精度,確定檢測精度應當以DL/T1397.5-2014中檢測方式作為依據。二是具備核心風險點的告警功能。三是具備均衡維護等手段以及完整的信息鏈路傳遞。
      
      綜上所述,UPS運行模式及蓄電池風險管理立足于技術的分析與研判,通過細致到每一個節點的技術問題進行分析,根據需求選取相關的標準在機房的電源管理當中發揮著正向的激勵作用。
      
      作者簡介
      
      方柏,西部機場集團電氣工程師,電氣工程及其自動化講師。
      
      編輯:Harris

     

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