電力自動(dòng)化系統(tǒng)UPS供電方案可靠性

李明科

（蘭州重離子醫(yī)學(xué)產(chǎn)業(yè)投資有限責(zé)任公司 甘肅省蘭州市 730000）

電力自動(dòng)化系統(tǒng)UPS供電方案可靠性

李明科

（蘭州重離子醫(yī)學(xué)產(chǎn)業(yè)投資有限責(zé)任公司 甘肅省蘭州市 730000）

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，我國(guó)的電力自動(dòng)化系統(tǒng)有了較大的發(fā)展。在進(jìn)行電力自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，UPS供電方案的可靠性是確保電力自動(dòng)化系統(tǒng)安全性的基礎(chǔ)。本文主要對(duì)電力自動(dòng)化系統(tǒng)UPS供電方案的可靠性進(jìn)行了相應(yīng)的分析，并且對(duì)不同的供電方案進(jìn)行了闡述，希望能夠給相關(guān)人士一定的參考。

電力自動(dòng)化系統(tǒng)；UPS；供電方案；可靠性

引言

隨著我國(guó)社會(huì)的進(jìn)步以及科技能力的提升，我國(guó)的電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化以及數(shù)字化，以計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為核心的信息技術(shù)逐漸被應(yīng)用到電力系統(tǒng)中，從而形成了電力自動(dòng)化系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的正常運(yùn)行直接關(guān)系到自動(dòng)化系統(tǒng)的安全性和可靠性。而UPS（不間斷電源）作為提供電力的根本，其可靠性運(yùn)行是保證計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)正常運(yùn)行的基礎(chǔ)，所以對(duì)其進(jìn)行可靠性的定量分析，從而找到供電方案的薄弱環(huán)節(jié)，對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化完善，進(jìn)而確保電力自動(dòng)化系統(tǒng)的可靠性。

1 可靠性分析相關(guān)指標(biāo)

UPS屬于電力系統(tǒng)的重要組成部分，其本質(zhì)上還是電子設(shè)備，所以對(duì)其進(jìn)行可靠性分析可以采用電子設(shè)備的可靠性分析技術(shù)進(jìn)行。但是更加側(cè)重的是電力自動(dòng)化系統(tǒng)供電方面的可靠性，可以通過(guò)如下指標(biāo)進(jìn)行UPS供電方案可靠性分析。

（1）失效率λ：所謂的失效率就是指整個(gè)系統(tǒng)無(wú)故障運(yùn)行到時(shí)間t，在t+Δt時(shí)間內(nèi)可能出現(xiàn)故障的概率，其可以用公式表示為：

（2）平均故障時(shí)間TMTTF：指系統(tǒng)處于正常狀態(tài)時(shí)運(yùn)行的平均時(shí)間；

（3）平均修復(fù)時(shí)間TMTTR：指系統(tǒng)故障發(fā)生后修復(fù)的平均時(shí)間；

（4）失效頻率f：所謂的失效頻率就是指系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)發(fā)生故障而造成負(fù)荷失電次數(shù)的期望值，可以用公式表示為：

（5）供電可用率A：就是指整個(gè)系統(tǒng)正常狀態(tài)運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)態(tài)概率，可以用公式表示為：

2 可靠性模型的建立

比較典型的電力系統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 典型電力系統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)模型

此系統(tǒng)主要包括13個(gè)模塊，分別為：市電模塊U、發(fā)電機(jī)模塊G、自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)模塊ATS、靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)模塊STS、輸入母線(xiàn)模塊BI、輸出母線(xiàn)模塊BO、濾波電路模塊FM、整流電路模塊RM、逆變電路模塊IM、風(fēng)冷模塊WM、充電模塊CM、電池模塊BM、監(jiān)控電路模塊MM等等。此種供電系統(tǒng)主要是通過(guò)市電以及發(fā)電機(jī)兩種方式進(jìn)行輸入，利用自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)ATS進(jìn)行選擇輸入到母線(xiàn)BI中。當(dāng)電力系統(tǒng)的UPS發(fā)生某些故障時(shí)，輸出端就可以進(jìn)行自動(dòng)切換到旁路進(jìn)行供電。

3 可靠性指標(biāo)的求解以及敏感性分析

仿真的過(guò)程要充分考慮到系統(tǒng)的相關(guān)因素，主要包括的內(nèi)容為：系統(tǒng)模塊故障、計(jì)劃?rùn)z修、故障檢修以及蓄電池組容量等等，對(duì)于內(nèi)部元件狀態(tài)變化時(shí)間進(jìn)行不斷的抽樣，從而得到整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)變化最小時(shí)間點(diǎn)，進(jìn)而進(jìn)行時(shí)鐘的模擬是系統(tǒng)推進(jìn)到最小時(shí)間點(diǎn)后處理狀態(tài)發(fā)生變化的元件，對(duì)此過(guò)程重復(fù)進(jìn)行直到符合收斂條件為止，最后通過(guò)統(tǒng)計(jì)的方式得到E的估計(jì)值。

3.1 收斂條件以及指標(biāo)的求解

利用模擬法進(jìn)行系統(tǒng)可靠性評(píng)估時(shí)的準(zhǔn)確度是和時(shí)間有直接關(guān)系的，一般來(lái)說(shuō)采用的是方差系數(shù)表示仿真結(jié)果和指標(biāo)的數(shù)學(xué)期望值發(fā)散程度。相關(guān)參數(shù)表示如下：

在此式當(dāng)中，TDNi表示的是仿真過(guò)程中系統(tǒng)的第i次失電時(shí)間；εr表示的是給定的小數(shù)；N表示的是仿真過(guò)程中系統(tǒng)的失電次數(shù)。

通過(guò)模擬的方法得出的UPS系統(tǒng)可靠性指標(biāo)分別為：

3.2 進(jìn)行敏感性的分析

所謂敏感性的分析主要就是指對(duì)整個(gè)系統(tǒng)中不同模塊可靠性參數(shù)變化情況對(duì)于系統(tǒng)可靠性指標(biāo)影響力的研究，敏感性分析是可靠性研究非常重要的內(nèi)容，能夠明確可靠性加強(qiáng)的相關(guān)措施以及進(jìn)行可靠性問(wèn)題的優(yōu)化完善。可以求解不同模塊參數(shù)相對(duì)整個(gè)系統(tǒng)可用率的導(dǎo)數(shù)進(jìn)行靈敏度的分析。假定其他模塊可用率是固定的，那么UPS系統(tǒng)可用率A對(duì)于模塊k的可用率ak的導(dǎo)數(shù)可以用下式表示：

4 UPS供電方案可靠性分析

4.1 系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù)

此文主要是通過(guò)某一220kVA負(fù)荷的供電解決方案作為案例，對(duì)其進(jìn)行可靠性評(píng)估以及敏感性分析。此解決方案的可靠性?xún)?nèi)容可以按照如下指標(biāo)設(shè)定：池組所具有的容量值CB=485A·h、Ic=0.1kA、Id=1kA；柴油發(fā)電機(jī)的檢修周期TGSR=1年、檢修時(shí)間TGSU=8h；蓄電池組的檢修周期TBSR=0.5年、檢修時(shí)間TBSU=8h。

4.2 進(jìn)行結(jié)果的仿真判定

通過(guò)模擬法進(jìn)行系統(tǒng)可靠性評(píng)估時(shí)可以按照流程圖進(jìn)行。通過(guò)仿真計(jì)算可以得到系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)，分別為：TMTTR=11.992h、TMTTF=18.548年、f=0.0539/年、A=99.993％。通過(guò)仿真可以得到的系統(tǒng)故障頻率和仿真時(shí)間之間的關(guān)系。相關(guān)模塊的可用率對(duì)于系統(tǒng)可用率的敏感度可以用表1所得數(shù)據(jù)進(jìn)行表示。

按照上述的仿真結(jié)果可知，在此種解決方案中的已有可靠性參數(shù)中，對(duì)于系統(tǒng)可靠性最有影響的模塊主要為3個(gè)，分別為自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)ATS、輸入母線(xiàn)BI以及輸出母線(xiàn)BO。在UPS內(nèi)部相關(guān)功能模塊中，對(duì)于系統(tǒng)可靠性最有影響力的模塊為蓄電池組模塊。

4.3 加強(qiáng)可靠性的相關(guān)措施

要想增強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性最主要的就是要增加相關(guān)模塊的可靠性，就是指降低這些模塊的故障率，并且提升相關(guān)模塊的修復(fù)率。此文以上述提到的解決方案作為基礎(chǔ)，分別提出了4種不同類(lèi)型的增強(qiáng)型方案。分別為：①提升電池的容量，將電池的容量從0.5kA·h提升到1.5kA·h；②通過(guò)增加220kVA的柴油發(fā)電機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)雙發(fā)電機(jī)的并聯(lián)冗余增強(qiáng)；③通過(guò)形成輸入輸出的雙母線(xiàn)結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到母線(xiàn)的并聯(lián)冗余；④通過(guò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)形成雙UPS并聯(lián)冗余。

對(duì)于不同類(lèi)型的增強(qiáng)性措施進(jìn)行可靠性經(jīng)濟(jì)分析時(shí)，可以通過(guò)可靠性經(jīng)濟(jì)指數(shù)進(jìn)行分析。可靠性經(jīng)濟(jì)系數(shù)按照如下定義：

表1 模塊可靠性靈敏度分析

在此公式中，Δf表示的是降低的故障頻率，ΔE表示的是所增加的投資。對(duì)于4種增強(qiáng)性措施的可靠性以及所具有的經(jīng)濟(jì)性效益分析如表2所示。從表2的分析結(jié)果能夠得到：想要加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性：①要選擇失效頻率低、降低故障頻率低，增加投資少的方案，從表中得知首選第3種方案，通過(guò)形成輸入輸出的雙母線(xiàn)結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到母線(xiàn)的并聯(lián)冗余；②從失效頻率以及經(jīng)濟(jì)性方面考慮可以選擇方案1，提升電池的容量；之后可以考慮方案2以及方案4。

表2 4種增強(qiáng)性措施的可靠性和經(jīng)濟(jì)性分析結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，電力自動(dòng)化系統(tǒng)會(huì)越來(lái)越廣泛的應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域及行業(yè)。UPS作為提供電力的基礎(chǔ)起著不可替代的作用。本文闡述了UPS系統(tǒng)可靠性模型的建立、說(shuō)明了可靠性指標(biāo)以及敏感性分析的相關(guān)內(nèi)容，同時(shí)用案例論述了相關(guān)的理論內(nèi)容，希望這些內(nèi)容對(duì)于電力系統(tǒng)供電方案的設(shè)計(jì)具有相應(yīng)的參考意義。

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2016-7-19