Standardy UPS w energetyce i przemyśle procesowym

/ BLOG, Projektowanie układów elektrycznych, Układy zasilania gwarantowanego / By

Standardy UPS w energetyce i przemyśle procesowym

Analiza wymagań technicznych dla systemów zasilania bezprzerwowego na podstawie specyfikacji PSE, Grupy LOTOS i ORLEN

1. Wprowadzenie

Systemy zasilania bezprzerwowego (UPS) stanowią krytyczny element infrastruktury w energetyce i przemyśle procesowym. Zapewniają ciągłość zasilania dla automatyki, systemów sterowania i odbiorów krytycznych, chroniąc przed skutkami przerw w dostawie energii.

W niniejszym artykule przedstawiamy kompleksową analizę wymagań technicznych dla UPS-ów, opartą na specyfikacjach trzech czołowych podmiotów z branży energetycznej i przemysłowej:

  • PSE S.A. – operator systemu przesyłowego energii elektrycznej
  • Grupa LOTOS S.A. – przemysł rafineryjny i petrochemiczny
  • ORLEN S.A. – koncern paliwowo-energetyczny

Wszystkie przeanalizowane dokumenty dotyczą UPS-ów dla zasilania automatyki, systemów sterowania, telekomunikacji i odbiorów krytycznych, stanowiąc tym samym doskonały punkt odniesienia dla wymagań przemysłowych najwyższej klasy.

Dane bazują na dostępnych w sieci Internet specyfikacjach technicznych

2. PSE S.A. – wymagania dla energetyki przesyłowej

Zakres zastosowania

Specyfikacja PSE odnosi się do systemów zasilania bezprzerwowego 230/400 V AC, 50 Hz w stacjach elektroenergetycznych 750, 400, 220 i 110 kV, z możliwością zastosowania również w elektrowniach, centrach nadrzędnych i centrach danych.

Wymagane czasy podtrzymania:

  • 8 godzin – urządzenia telekomunikacyjne
  • 5 godzin – pozostałe urządzenia w stacjach elektroenergetycznych
  • 15 minut – inne obiekty (centra nadzoru)

Topologia i architektura

PSE definiuje precyzyjne wymagania architektoniczne:

  • Falownik transformatorowy – wymagany transformator separujący DC/AC
  • Podwójna konwersja (online)
  • Możliwość pracy równoległej w układzie redundantnym
  • Centralny static transfer switch (bypass) o mocy jednej jednostki UPS
  • Praca z bateriami zewnętrznymi 48 V DC i 220 V DC
  • Wejściowy filtr RFI i spełnienie norm EMC (PN-EN 62040-2)

Kluczowe parametry elektryczne

Jakość napięcia wyjściowego:

  • Zmiana napięcia przy skoku obciążenia 10–90%: ≤5% Uₙ
  • Nierównomierne obciążenie faz – zmiana napięcia: ±3% Uₙ
  • Przesunięcie fazowe: ±1% (obciążenie zrównoważone), ±2% (niezrównoważone)
  • Kształt napięcia: czysta sinusoida
  • THDu ≤3% przy obciążeniu liniowym
  • Czas regulacji napięcia: ≤20 ms
  • Częstotliwość wyjściowa: 50 Hz ±1%

Przeciążalność i bypass:

  • Przeciążalność falownika: 125% przez 10 min, 150% przez 60 s
  • Czas przełączenia bypassu: ≤5 ms (przy synchronizmie), ≤20 ms (bez synchronizmu)
  • Przeciążalność bypassu: 1000% przez 20 ms
  • THDi ≤10% dla obciążenia znamionowego

Wymagania środowiskowe

  • Klasy klimatyczne według PN ETSI EN 300 019
  • Poziom hałasu: ≤60 dB (do 15 kVA), ≤70 dB (>15 kVA)
  • Zgodność z systemem jakości ISO 9001

3. Grupa LOTOS – standard dla przemysłu rafineryjnego

Filozofia zasilania systemów KiA

Specyfikacja LOTOS dotyczy systemu dystrybucji zasilania z UPS dla urządzeń kontrolno-pomiarowych (KiA). Podstawowe założenie brzmi:

„Jako zasadę ogólną należy przyjąć wymóg zasilania każdego odbiornika z bezprzerwowego źródła energii elektrycznej (UPS)”

Priorytetem jest redundancja zasileń, typowo w postaci dwóch UPS-ów z niezależnymi torami doprowadzenia energii.

Topologia i architektura

LOTOS wymaga zastosowania:

  • Dwa jednakowe UPS-y, każdy zdolny przejąć 100% obciążenia przy maksymalnie 80% swojej mocy znamionowej
  • Normalny tryb pracy: online (podwójna konwersja)
  • Czas autonomii: 60 minut
  • Prostownik półprzewodnikowy z separacją galwaniczną
  • Bezobsługowa bateria kwasowa
  • Tranzystorowy inwerter sinusoidalny
  • Statyczny bypass (static switch) plus ręczny bypass serwisowy
  • Ograniczniki przepięć na wejściach/wyjściach
  • Rozbudowany panel sterowania i autodiagnostyka

Wymagania konstrukcyjne

  • Metalowe obudowy o stopniu ochrony IP40
  • Dobrze zorganizowany przedział kablowy
  • Oznakowane oprzewodowanie
  • Zasilanie pierwotne: 400 V ±10%, 50 Hz ±5%
  • Wyjście: 230 V AC lub 400/230 V AC

Integracja z systemami sterowania

LOTOS mocno akcentuje:

  • Integrację z DCS (Distributed Control System)
  • Redundancję rozdziału (rozdzielnie, szafy dystrybucji, kable redundantne)
  • Kompatybilność z normami PN-EN / PN-IEC (instalacje nN, ochrona przeciwporażeniowa, EMC)

4. ORLEN S.A. – nowoczesne standardy dla automatyki procesowej

Koncepcja systemu

Standard ORLEN opisuje kompleksowy system zasilania silników i automatyki napięciem gwarantowanym. Rekomendowany jest:

  • Układ dwóch UPS-ów pracujących na wspólną szynę napięcia gwarantowanego
  • Przełączanie realizowane przez SZR lub Static Switch (STS)
  • Zasilanie systemów: DCS / ESD / PLC / KiA / LSK

Kluczowe parametry techniczne

Tryb pracy i sprawność:

  • Tryb: ciągła praca, podwójna konwersja (True online)
  • Sprawność: >85% przy 100% obciążenia

Napięcie i częstotliwość:

  • Wejście: 1×230 V lub 3×400/230 V
    • Tolerancja napięcia: –15%…+15%
    • Częstotliwość: 50 Hz
    • Tolerancja częstotliwości: 0,5–8% fₙ
  • Wyjście: 230 V lub 400/230 V, 50 Hz

Jakość energii:

  • Stabilność napięcia wyjściowego:
    • Statyczna: ±1%
    • Dynamiczna: ±5%
  • Stabilność częstotliwości przy pracy z baterii: ±0,1%
  • THDi <10%
  • THDu <3%
  • Współczynnik mocy wyjściowej: >0,95
  • Współczynnik szczytu (crest factor): 5:1

Przeciążalność i ciągłość zasilania:

  • Przeciążalność falownika:
    • 125% przez 10 minut
    • 500% przez 5 sekund
  • Maksymalna przerwa beznapięciowa: 10 ms

System bateryjny

  • Napięcie baterii: 220 V DC
  • Preferowane baterie zewnętrzne na stelażu
  • Krótkie przewody, rozłączniki bezpiecznikowe
  • Czas autonomii – dobierany do aplikacji (z uwzględnieniem krytycznego czasu przerwy dla procesu)

Wymagania konstrukcyjne

ORLEN stawia szczególny nacisk na:

  • Transformator separujący na wyjściu UPS oraz w torze obejściowym STS
  • Wewnętrzne zabezpieczenia przed zwarciami i przeciążeniami
  • Rozbudowaną ochronę przeciwprzepięciową (ograniczniki z wymiennymi wkładkami, sygnalizacja optyczna)
  • Monitoring baterii i diagnostykę UPS
  • Zdalny nadzór przez sieć informatyczną (system SCADA)

Integracja komunikacyjna

  • Obsługa protokołów: IEC 61850, IEC 60870-5-103, Modbus RTU
  • Historia alarmów z datą i czasem
  • Dedykowane sygnały awarii prostownika/baterii

Warunki środowiskowe

  • UPS-y instalowane w klimatyzowanych pomieszczeniach
  • Redundancja klimatyzacji
  • Maksymalna temperatura: +25°C
  • Czujniki temperatury i wilgotności z transmisją do systemu SCADA

Wspólne trendy i kluczowe wymagania

Analiza specyfikacji PSE, LOTOS i ORLEN pozwala zidentyfikować wspólny mianownik wymagań dla systemów UPS najwyższej klasy:

5. Wspólny mianownik – wymagania „must have”

  1. Topologia: podwójna konwersja (online, VFI)
    Wszystkie trzy firmy bezwzględnie wymagają UPS-ów w trybie online z podwójną konwersją.
  2. Redundancja architektury
    Dwa UPS-y w układzie 1+1 / N+1, z niezależnymi torami zasilania, wspólną szyną i bypass-em / STS.
  3. Transformator separujący
    Wymóg transformatora separującego falownik od DC i/lub w torze obejściowym (PSE, ORLEN) lub prostownika z separacją (LOTOS).
  4. Jakość energii
    • THDi ≤10%
    • THDu ≤3%
    • Stabilność napięcia statyczna ±1%, dynamiczna ±5%
    • Szybka regulacja – PSE: ≤20 ms, ORLEN: max przerwa 10 ms
  5. Przeciążalność i zwarciodporność
    PSE: 125%/10 min, 150%/60 s, bypass 1000%/20 ms
    ORLEN: 125%/10 min, 500%/5 s
  6. Czas autonomii
    • Energetyka (PSE): 5–8 godzin dla systemów stacyjnych
    • Przemysł procesowy (LOTOS, ORLEN): 60 minut lub według krytycznego czasu procesu
  7. EMC i zgodność z normami
    Powszechne odwołanie do PN-EN 62040-1, -2, -3 oraz norm instalacyjnych i EMC.
  8. Warunki środowiskowe
    Klimatyzowane pomieszczenia, poziomy hałasu ≤60–70 dB.

6. Porównanie wymagań – tabela zestawieniowa

Parametr PSE (energetyka) LOTOS (rafineria) ORLEN (automatyka)
Topologia Online, trafowy, 1+1 Online, 2×UPS True online, 2×UPS + STS
THDi ≤10% Wg norm <10%
THDu ≤3% Wg norm <3%
Stabilność U 5% przy skoku 10–90% – ±1% (stat.) / ±5% (dyn.)
Przeciążalność 125%/10 min
150%/60 s		 – 125%/10 min
500%/5 s
Napięcie baterii 48 V / 220 V DC Wg projektu 220 V DC
Czas autonomii 5–8 h (SE)
15 min (inne)		 60 min Wg aplikacji
Środowisko Klasy ETSI Pomieszczenia techniczne Klimatyzowane, T ≤25°C
Integracja Sygnalizacja do SCADA DCS, redundancja rozdziału DCS, SCADA, IEC 61850/Modbus

7. Różnice akcentów: energetyka vs przemysł procesowy

Energetyka (PSE)

Silnie akcentuje:

  • Długie czasy podtrzymania (5–8 godzin)
  • Kompatybilność ze stacyjnymi systemami DC 48/220 V
  • Klasy klimatyczne według ETSI
  • Szczegółowe limity hałasu

Przemysł procesowy (LOTOS, ORLEN)

Większy nacisk na:

  • Integrację z DCS / ESD / PLC
  • Redundancję dystrybucji (szafy, kable)
  • Szczegółową ochronę przepięciową
  • Diagnostykę, monitoring baterii, zdalny nadzór
  • Rejestr zdarzeń, komunikację IEC 61850 / Modbus
  • Krótsze czasy autonomii (60 min), ale dostosowane do krytycznego czasu procesu

Podsumowanie

Analiza wymagań technicznych PSE, Grupy LOTOS i ORLEN pokazuje, że standardy dla systemów UPS w sektorze energetycznym i przemysłowym są bardzo zbieżne w zakresie podstawowych parametrów jakościowych i niezawodnościowych.

Kluczowe wnioski:

  • Topologia online z podwójną konwersją jest standardem bezwzględnym
  • Redundancja (2×UPS) jest wymagana dla systemów krytycznych
  • Parametry jakości energii (THDi ≤10%, THDu ≤3%) są spójne we wszystkich specyfikacjach
  • Różnice dotyczą głównie czasu autonomii (energetyka: 5-8h, przemysł: 60 min) i szczegółów integracji z systemami sterowania

Te wymagania stanowią doskonały punkt odniesienia dla przygotowywania specyfikacji technicznych UPS-ów w projektach przemysłowych i energetycznych, gwarantując najwyższą jakość i niezawodność systemów zasilania.