調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)UPS電源可靠性分析

劉曉松

（義烏市供電局，浙江 義烏 322000）

引言

隨著調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的要求也越來越高，自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行不僅取決于系統(tǒng)設(shè)備自身，同時(shí)又依賴于電源系統(tǒng)為其提供可靠電力。當(dāng)前調(diào)度大樓一般采用大型UPS集中供電，這種集中供電方式一旦電源系統(tǒng)出現(xiàn)故障，對(duì)于調(diào)度中心來說無疑將是災(zāi)難性的后果。近年來電力調(diào)度的重大事故幾乎都與UPS電源有關(guān)。因此，電源系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)行過程中必須將其可靠性要求放在首要位置。筆者基于多年來在UPS電源建設(shè)及運(yùn)行維護(hù)方面的切身體會(huì)和經(jīng)驗(yàn)，就UPS電源建設(shè)及應(yīng)用時(shí)應(yīng)關(guān)注問題作出分析，以供大家參考。

1 UPS電源的系統(tǒng)構(gòu)成

UPS電源系統(tǒng)由主設(shè)備以及配套設(shè)備組成，如圖1所示。

圖1 UPS電源系統(tǒng)的構(gòu)成

UPS主設(shè)備包括主電路、控制電路和輔助電路。UPS主電路主要包括整流器、逆變器、靜態(tài)旁路三部分，是UPS為用戶負(fù)載提供高品質(zhì)電源的電能變換、隔離、傳輸系統(tǒng)。UPS的控制電路是控制這些主電路部件正常有序運(yùn)行的中樞系統(tǒng)，主要由檢測(cè)、運(yùn)算到執(zhí)行的一系列控制板組成。輔助電路主要包括內(nèi)部控制電源、內(nèi)部風(fēng)扇等關(guān)鍵的易損壞部件。配套設(shè)備包括儲(chǔ)能蓄電池及輸入、輸出配電系統(tǒng)。

2 影響UPS主設(shè)備可靠性的因素

2.1 UPS主電路

UPS主電路主要包括輸入端的整流器、逆變器、靜態(tài)旁路三部分，是UPS為用戶負(fù)載提供高品質(zhì)電源的電能變換、隔離、傳輸系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 UPS主電路

2.1.1 UPS輸入端，即整流器。UPS整流器的主要功能是將來自電網(wǎng)的普通交流電源整流成直流電源，一方面向后端的逆變器供電，同時(shí)對(duì)蓄電池進(jìn)行充電。由于它直接和外界電網(wǎng)相連接，所以在UPS的輸入端應(yīng)有完善的保護(hù)功能，來抑制和消除來自電網(wǎng)10/700S5KV雷擊電壓沖擊和8/20Μs20KA的雷擊電流沖擊，保證UPS輸入整流器的安全性，這對(duì)于中大功率UPS顯得尤為重要。這要求調(diào)度大樓配電室不僅要配制適當(dāng)?shù)谋芾灼鳎襏PS本身也應(yīng)有防雷部件。此外，應(yīng)在整流器的輸入、輸出同時(shí)配置LC濾波器，以進(jìn)一步消除來自電網(wǎng)的任何電壓、電流浪涌，保證整流器的安全。如圖3所示。

圖3 LC濾波器和輸出電感的位置

影響UPS輸入端可靠性的另一個(gè)關(guān)鍵因素是，UPS輸入端是否配備了優(yōu)良的輸入軟啟動(dòng)特性。所謂軟啟動(dòng)功能是指在整流器重新開啟時(shí)，其輸入功率是緩慢“爬升”到額定功率，而不是突然增加，有的UPS電源這一爬升時(shí)間一般可設(shè)置到60秒以上，必要是應(yīng)同時(shí)設(shè)置“輸入限流技術(shù)”。這一功能不僅保護(hù)了整流器的安全，增加了UPS設(shè)備自身的可靠性，同時(shí)也將大大緩和UPS電源對(duì)供電電網(wǎng)的“沖擊”。

（2）UPS輸出端，即逆變器。逆變器是UPS內(nèi)部最關(guān)鍵的部件之一，它負(fù)責(zé)將來自整流輸出或電池的直流電變換為交流電，向負(fù)載提供與市電無關(guān)的交流凈化電源。它的可靠性與負(fù)載突加突減的電流沖擊密切相關(guān)，同時(shí)也受切換沖擊電流的影響。這就要求在UPS的輸出端應(yīng)配置大電感，以抑制可能的大電流沖擊，如圖3所示。同時(shí)，UPS應(yīng)具有切換時(shí)的電壓自動(dòng)提升功能，使UPS切換時(shí)的逆變器輸出電壓盡可能接近旁路輸入電壓，以減少切換壓差，從而減少?zèng)_擊電流。

(3)UPS靜態(tài)旁路。靜態(tài)旁路是UPS故障時(shí)的應(yīng)急通路，它由三相雙向晶閘管開關(guān)組成。由于旁路是直接將電能不經(jīng)任何變換、直接傳遞給負(fù)載的通路，因此為了保障負(fù)載和旁路自身的安全，旁路應(yīng)配置隔離變壓器，以雙向緩沖來自電網(wǎng)高壓浪涌沖擊和來自負(fù)載的電流突變沖擊。這一旁路變壓器的另一突出優(yōu)點(diǎn)，還在于它徹底消除了長(zhǎng)期困擾用戶的零地電壓?jiǎn)栴}，眾所周之，機(jī)房的零地電壓國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)為小于1V，但是由于電網(wǎng)三相負(fù)載的不對(duì)稱、非線性負(fù)載的廣泛存在，或雷擊感應(yīng)電壓，都使零地電壓經(jīng)常在3V以上，這嚴(yán)重影響了用戶計(jì)算機(jī)負(fù)載的正常工作和安全。要消除這一零地電壓，唯一的途徑就是在UPS的旁路回路配置隔離變壓器，以實(shí)現(xiàn)UPS輸入零地與輸出零地的徹底隔離。

2.2 UPS控制電路

UPS控制電路是整個(gè)UPS的核心部件，它通過傳感器檢測(cè)UPS的輸入輸出參數(shù)，環(huán)境參數(shù)，經(jīng)過內(nèi)部微處理器復(fù)雜的綜合處理，調(diào)控主電路部件的工作。但是由于它所有的元器件均是信號(hào)級(jí)敏感電子部件，而且數(shù)量巨大、電路復(fù)雜、易受電場(chǎng)、磁場(chǎng)、溫度、濕灰塵等的綜合影響，成為UPS內(nèi)部最薄弱、故障率最高的部件，也是影響UPS可靠性的焦點(diǎn)問題。

現(xiàn)代UPS的控制電路均由一系列不同功能的控制板組成，但是不同的UPS差異巨大，歸納起來最主要的有以下三點(diǎn):一是控制板數(shù)量，多的高達(dá)20多塊印刷電路板，少的僅4塊;二是控制板之間的連接方式，有的有成捆的扁平電纜，有的連一根扁平電纜也沒有，完全采用簡(jiǎn)單的網(wǎng)絡(luò)線來連接;三是控制方式，有模擬控制、半數(shù)字半模擬控制、數(shù)字控制之分。

在同樣的控制功能下，控制板的數(shù)量清晰地反應(yīng)了控制系統(tǒng)集成度的高低。集成化是提高電子電路可靠性的革命性變革，集成度越好可靠性越高已是業(yè)界一致的共識(shí);其次控制板之間的連接方式，反應(yīng)了控制系統(tǒng)的繁雜程度，及控制板之間的依存關(guān)系，無疑相互之間的連接線越少，依存關(guān)系越簡(jiǎn)單，出問題的概率也就越少。特別值得一提的是，內(nèi)部控制電路的網(wǎng)絡(luò)化連接極大地提高了可靠性。數(shù)字控制與模擬控制相比其優(yōu)點(diǎn)是顯而易見的，消除了模擬控制所帶來的參數(shù)漂移和不穩(wěn)定性。盡管在目前的UPS市場(chǎng)上已基本淘汰了模擬控制的UPS，但是以半數(shù)字半模擬控制的UPS在市場(chǎng)上不在少數(shù)，其顯著的特征是某些參數(shù)還需要用電位器來設(shè)定，完全不象全數(shù)字式的UPS，所有的參數(shù)與基準(zhǔn)全部通過電腦經(jīng)串口寫入。

2.3 UPS輔助系統(tǒng)

在UPS內(nèi)部最重要的輔助系統(tǒng)是控制電源和散熱風(fēng)扇，因?yàn)榭刂齐娫吹墓收蠈⑹箖?nèi)部控制電路完全失電，而風(fēng)扇是保證內(nèi)部主電路和控制電路部件不至因過溫而關(guān)機(jī)的重要冷卻部件。

(1)UPS內(nèi)部的輔助電源板負(fù)責(zé)向各控制電路板提供低壓直流電源，如果輔助電源出現(xiàn)故障，控制電路將會(huì)停止工作，UPS系統(tǒng)將隨之癱瘓，甚至都不會(huì)轉(zhuǎn)旁路。因此UPS內(nèi)部的輔助電源必須為冗余結(jié)構(gòu)，提供多路并行供電輔助電源，可以分別取自市電輸入、旁路輸入、逆變器輸出。這種冗余設(shè)計(jì)保證了主機(jī)控制電路在任何情況下都能正常工作。

(2)UPS電源是一種電能轉(zhuǎn)換設(shè)備，在轉(zhuǎn)換過程中由于功率器件的開關(guān)損耗，將產(chǎn)生大量的熱量釋出。電子元件的工作穩(wěn)定性及老化速度都是和環(huán)境溫度息息相關(guān)的，所以UPS電源中需要增加風(fēng)扇以便將能量轉(zhuǎn)換中堆積的熱量迅速排出電源本體之外。而一旦電源風(fēng)扇發(fā)生轉(zhuǎn)速降低、停轉(zhuǎn)，那么電源中堆積的熱量將迅速增加，輕的導(dǎo)致電源內(nèi)部溫度升高，使功率器件、控制器件、電阻電容等電子元件的工作穩(wěn)定性降低、老化速度加速，重的將導(dǎo)致整個(gè)UPS系統(tǒng)因過溫而自保護(hù)關(guān)機(jī)，使負(fù)載的供電中斷。因此在風(fēng)扇的設(shè)計(jì)上應(yīng)，即必須有冗余的風(fēng)扇備用，即使有風(fēng)扇故障損壞也采用冗余方式不會(huì)影響到UPS系統(tǒng)的散熱。而且風(fēng)扇屬于易損件，長(zhǎng)期高速運(yùn)轉(zhuǎn)老化磨損是不可避免的，因此風(fēng)扇可帶電更換也是十分重要的。只有風(fēng)扇采用低壓直流供電的UPS才能完全實(shí)現(xiàn)熱插拔功能。

（3）為了提高風(fēng)扇的壽命和整機(jī)的可靠性，進(jìn)風(fēng)口安裝過濾網(wǎng)，使得風(fēng)扇在很少灰塵的環(huán)境下工作，這不僅將延長(zhǎng)風(fēng)扇壽命，也將提高UPS內(nèi)部電子部件的可靠性。

3 影響UPS系統(tǒng)可靠性的主要配套設(shè)備

UPS配套設(shè)備包括蓄電池、輸入輸出配電及切換系統(tǒng)，它們與UPS電源系統(tǒng)的可靠性休戚相關(guān)。

蓄電池是最為重要的配套設(shè)備，蓄電池的可靠性取決于自身的品質(zhì)，同時(shí)也取決于UPS電源中的電池管理系統(tǒng)，電池管理系統(tǒng)的檢測(cè)、充電和自動(dòng)維護(hù)方式往往影響電池壽命的長(zhǎng)短。由于蓄電池的在不同倍率下的放電特性不同，而用戶負(fù)載量又是隨時(shí)間隨機(jī)變化的，所以一般UPS產(chǎn)品在測(cè)試電池容量的誤差率都比較高(20%～30%)，精確測(cè)定蓄電池的狀態(tài)并不容易。目前一種與負(fù)載大小無關(guān)的，基于電池恒功率放電的蓄電池測(cè)試專利技術(shù)解決了這一問題。

這一技術(shù)的關(guān)鍵是測(cè)試蓄電池時(shí)功率，確保蓄電池在測(cè)試時(shí)按設(shè)定的恒功率放電，而這一功率與負(fù)載大小無關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)了電池狀態(tài)的精確測(cè)定。同時(shí)這一測(cè)試采用小容量定量放電僅釋放電池安時(shí)容量，保證了用戶對(duì)電池充(10%)放電次數(shù)過道和放電測(cè)試過程中市電突然停電的擔(dān)憂。然后根據(jù)測(cè)得的蓄電池狀態(tài)，啟動(dòng)電池均充功能，確保蓄電池的使用壽命不會(huì)應(yīng)得不到定期活化而顯著縮短。

4 UPS并機(jī)冗余系統(tǒng)及其可靠性問題

為了進(jìn)一步提高UPS供電的可靠性，電力調(diào)度中心UPS系統(tǒng)應(yīng)構(gòu)成冗余系統(tǒng)。

UPS冗余系統(tǒng)通常可分為串聯(lián)冗余和并聯(lián)冗余二種，串聯(lián)冗余系統(tǒng)中的兩臺(tái)UPS，一臺(tái)帶載，另一臺(tái)處于空載熱備用狀態(tài)，即將空載熱備用狀態(tài)的一臺(tái)串入另一臺(tái)帶載運(yùn)行UPS的旁路中。并聯(lián)UPS冗余系統(tǒng)中的每臺(tái) 處于輸出鎖相同步狀態(tài)，各臺(tái)UPS均分負(fù)載。由于并聯(lián)冗余具有增加帶載能力、提高系統(tǒng)可靠性的特點(diǎn)，所以目前并聯(lián)冗余得到普遍使用。現(xiàn)在調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)中的服務(wù)器都是雙電源輸入的，采用并聯(lián)冗余是最合適不過的了，但是系統(tǒng)中還有交換機(jī)、數(shù)據(jù)采集單元、GPS等設(shè)備，它們是單電源的設(shè)備，所以它們只能用一臺(tái)UPS電源帶載運(yùn)行，這臺(tái)UPS出現(xiàn)故障時(shí)整個(gè)自動(dòng)化系統(tǒng)同樣會(huì)出現(xiàn)癱瘓的現(xiàn)象。但是這些單電源設(shè)備有它自身的優(yōu)點(diǎn)：上電后自動(dòng)運(yùn)行，不需要認(rèn)為干預(yù)，并且啟動(dòng)時(shí)間不長(zhǎng)，因此綜合考慮我們采用了串聯(lián)冗余和并聯(lián)冗余相結(jié)合的方式（每臺(tái)UPS的容量均能承載整個(gè)系統(tǒng)的電能供應(yīng)），接線圖如圖4所示：

圖4 自動(dòng)化系統(tǒng)電源接線圖

由圖可知此接線采用兩個(gè)UPS電源供電，具體工作方式如下：（1）并聯(lián)冗余方式：此工作方式下UPS1的電源開關(guān)1是閉合的，UPS2的電源開關(guān)是斷開的。UPS1電源帶各服務(wù)器的一路電源輸入及單電源設(shè)備，UPS2帶各服務(wù)器的另一路電源輸入，這種接線方式使得兩臺(tái)UPS的負(fù)載基本是平衡的，只是正常工作是UPS1的負(fù)載略大于UPS2。（2）當(dāng)UPS2檢修或故障時(shí)，各服務(wù)器仍有一路電源由UPS1提供，不會(huì)造成服務(wù)器的斷電，其他單電源設(shè)備仍由UPS1負(fù)載。（3）當(dāng)UPS1檢修或故障時(shí)，各服務(wù)器仍由一路電源由UPS2提供，不會(huì)造成服務(wù)器的斷電，其他單電源設(shè)備掉電停運(yùn)，但這時(shí)我們只要將UPS2的電源開關(guān)2合上，UPS2電源就會(huì)通過自動(dòng)切換裝置將單電源設(shè)備切換至UPS2電源負(fù)載，這樣就會(huì)大大縮短系統(tǒng)的故障時(shí)間。由于這種工作方式服務(wù)器的雙電源都有UPS2提供，UPS2的負(fù)載相對(duì)較大，這時(shí)可以將接入U(xiǎn)PS1的電源輸入斷掉，這樣就可以減少UPS2的部分負(fù)載。

4串聯(lián)冗余和并聯(lián)冗余結(jié)合的工作方式：UPS1的電源開關(guān)1閉合后，系統(tǒng)負(fù)荷由兩臺(tái)UPS共同負(fù)載。然后再將UPS2的電源開關(guān)閉合，由于自動(dòng)切換裝置在UPS1沒有掉電的情況下，自動(dòng)裝置不會(huì)切換至UPS2電源。這種工作方式就是在UPS1正常時(shí)UPS1和UPS2并聯(lián)冗余，同時(shí)UPS2為UPS1的串聯(lián)冗余電源。當(dāng)UPS2故障時(shí)，只有各服務(wù)器的一路電源掉電，單電源設(shè)備不會(huì)掉電，系統(tǒng)正常運(yùn)行；當(dāng)UPS1故障時(shí)，自動(dòng)切換裝置動(dòng)作，將負(fù)荷切換至UPS2，UPS2帶全部負(fù)荷。由于切換時(shí)間很短，單電源設(shè)備可能不會(huì)出現(xiàn)停運(yùn)現(xiàn)象，即使有設(shè)備停運(yùn)但是也會(huì)在極短的時(shí)間（一般最常為5分鐘）內(nèi)恢復(fù)運(yùn)行。這樣就大大縮短了系統(tǒng)的故障時(shí)間，保障系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

5 結(jié)束語(yǔ)

調(diào)度自動(dòng)化系統(tǒng)的UPS電源的可靠性問題對(duì)于系統(tǒng)設(shè)備的安全運(yùn)行是至關(guān)重要的。UPS電源的可靠行固然依賴電源本身的設(shè)計(jì)原理、實(shí)現(xiàn)方式、結(jié)構(gòu)及制造工藝等，但是從文章中我們也可以看出合理的運(yùn)行方式也同樣可以提高UPS電源的可靠行。只有這樣才能使得UPS電源的可靠行在系統(tǒng)建設(shè)與運(yùn)行過程中得到現(xiàn)實(shí)體現(xiàn)。

[1]邱關(guān)源主編.電路.北京：高等教育出版社，2006.

[2]李成章主編.UPS電源及電路圖集.北京：電子工業(yè)出版社，2002.

[3]張乃國(guó)主編.UPS供電系統(tǒng)應(yīng)用手冊(cè).北京：電子工業(yè)出版社，2003.