電力自動化系統UPS供電方案可靠性

黃世美 / 中國民航海南空管分局

電力自動化系統UPS供電方案可靠性

黃世美 / 中國民航海南空管分局

近年來，電力自動化系統逐步得到廣泛應用。電力UPS電源作為其關鍵組成，自身的可靠性對電力自動化系統的可靠安全運行具有重要影響。本文就UPS供電可靠性展開討論，分析了可靠性相關指標，并給出了提高可靠性的相關方案，對同行具有一定的借鑒意義。

電力自動化系統；UPS電源；可靠性

改革開放以來，在我國的經濟和科技取飛速發展的基礎上，計算機、網絡等核心設備的正常運行直接關系到電力自動化系統的可靠、安全和無故障運行。UPS（Uninterruptible Power System，不間斷電源）作為一種儲能裝置，能夠提供不間斷的電力，是計算機、網絡系統可靠運行的基礎。故UPS的可靠性對計算機網絡系統具有決定性作用。因此，本文將對UPS供電方案的可靠性進行探索，通過定量分析尋找UPS供電方案的薄弱環節，以便對其進行優化改進，確保電力自動化系統能夠可靠地運行。

一、電力UPS供電系統

電力UPS一般與電力直流操作電源系統一起組成專用不間斷電源，實現220V或110V直流電逆變為220V或380V的50Hz的正弦波輸出，為微機、調度通信系統、載波、事故照明、監控系統等不能停電的設備提供不間斷供電。

電力UPS系統作為電力自動化系統的核心組成，主要包括UPS主機柜、旁路穩壓柜和輸出饋線柜等三部分，當對UPS的功率需求較小時，可以將這三部分組成合成一部分。UPS主機柜包含了變壓器、整流器、逆變器、旁路開關等；旁路穩壓柜實現隔離功能，包括旁路隔離變壓器、旁路穩壓器和手動/旁路維修開關等；饋線柜也稱為配線柜，由回路分配單元、控制開關及信號指示等組成；

當電力自動化系統正常運行時，電力UPS電源儲能裝置將開始充電，并通過穩壓器實現穩壓功能，以便電力自動化系統所需要的電壓更加穩定。當電力自動化系統供電出現故障時，電力UPS將作為后備供電提供者為電力自動化系統提供穩定的電能，使得電力自動化系統能夠繼續正常工作，避免了停電事故的發生。

二、可靠性分析指標

UPS電源作為電力自動化系統的組成，其硬件組成仍為電子元器件，所以本質上是電子設備。因此，對UPS電源的可靠性分析可以參照電子設備或配電網的可靠性指標。本文根據UPS電源的特點選用的可靠性指標包括以下5個。

1.平均無故障時間（Mean Time Between Failures，MTBF），指的是電力自動化系統在規定的工作條件下和預定的工作時間內持續正確運行的時間。

2.平均修復時間（Mean Time To Repair，MTTR），指的是系統發生故障后恢復正常工作所需要的時間。

3.失效頻率，指的是系統長期運行中單位時間內出現故障而引起負荷失電次數的期望值，一般取值為平均無故障時間與平均修復時間之和的倒數。

4.供電可用率或者可用性，指的是系統處于正常工作狀態的穩態概率，一般取值為平均無故障時間與平均無故障時間同平均修復時間之和的比值。

5.失效率，指的是指整個系統無故障運行到某個時間t后，在后續Δt時間內可能出現故障的概率，一般取Δt與概率之積的倒數的極限值。

確定了指標之后，需要確定如何進行指標的求解。目前，求解定量指標的基本方法主要有兩種，一種是解析法，另外一種是模擬法。這兩種方法還處于研究和討論階段，未進行廣泛應用。由于電力UPS供電系統工作過程與馬爾可夫模型不是嚴格匹配，所以使用解析法在一定程度上無法得到精確的可靠性指標。因此，本文最終選用模擬法來求解電力UPS的可靠性指標。

三、UPS供電方案可靠性分析

對UPS供電方案可靠性分析需要對具體的供電系統進行分析，為此，本文對一個典型的UPS緊急供電方案進行實際的分析。該電力UPS供電系統由13個模塊組成，分別為市電模塊U、發電機模塊G、輸入母線模塊BI、輸出母線模塊BO、自動轉換開關模塊ATS、靜態轉換開關模塊STS、蓄電池組模塊BM、監控電路模塊MM、充電模塊CM、濾波電路模塊FM、整流電路模塊RM、逆變電路模塊IM等。輸入部分分為兩路，一路是市電模塊，另一路是發電機模塊。

3.1 蓄電池組可靠性

蓄電池組模塊BM是UPS供電系統的核心模塊之一，工作時包括正常狀態、放電狀態、失電狀態、故障狀態和檢修狀態等5個狀態。正常狀態又包括充電狀態或者浮充狀態。通過分析發現蓄電池組的平均無故障工作時間和故障平均修復時間服從指數分布。因此，我們采用逆變法獲取蓄電池組平均無故障工作時間和故障平均修復時間的抽樣值。然后根據蓄電池組的工作特性得到蓄電池組的電池實時容量與充放電時間的關系。蓄電池組由放電狀態到失電狀態的時間就是蓄電池組的實時容量除以恒定放電電流。

3.2 發電機可靠性

發電機是UPS的輸入，對UPS進行充能。發電機的狀態包括3個，正常狀態、故障狀態和檢修狀態，其平均無故障時間和平均修復時間也滿足指數分布。故仍采用逆變法進行分析。經分析可知平均無故障時間等于發電機故障率的倒數與指數之積的負數，平均修復時間等于發電機修復率的倒數與指數之積的負數。檢修時間為一常數。另外，其它模塊的可靠性類似，不再贅述。

3.3 可靠性指標求解和分析

根據上述的可靠性分析，整個供電系統的狀態就由上述13個模塊的狀態決定。因此，利用模擬法進行系統可靠性評估時，要考慮系統的蓄電池組容量、故障檢修、模塊故障等，不斷對這些模塊的狀態變化進行時間抽樣，找到系統狀態改變的最小時刻，然后模擬時鐘將時間推進到最小時刻，獲取對狀態變化產生影響的元件。

根據上述分析，對于本文討論的UPS供電系統，其蓄電池組容量大小為485A·h、恒定充電電流為0.1kA、恒定放電電流為1kA，發電機的檢修周期為1年，檢修時間為8小時，蓄電池組的檢修周期為半年、檢修時間也是8小時。在這些條件的基礎上，通過模擬仿真可以計算得到UPS供電系統的可靠性指標取值。因此，對于本供電方案，對系統可靠性影響最大的模塊主要有輸入母線模塊BI、輸出母線模塊BO和自動轉換開關模塊ATS，對UPS自身影響最大的模塊則為蓄電池組模塊BM。

故要加強供電系統的可靠性，可以選擇輸入輸出雙母線并聯冗余結構、提升電池的容量、雙UPS并聯冗余結構或者發電機雙機并聯冗余結構等來實現。其中雙母線并聯冗余結構是優先方案。

四、結束語

綜上，UPS電源的可靠性對電力自動化系統是極其重要的。本文給出了求解UPS系統的可靠性指標的方法，并針對具體實例進行討論和分析，給出了一些提高可靠性的方案，具有一定的應用價值。

[1]張明達.UPS 電源在電力自動化系統中的運用[J].黑龍江科技信息,2016(28): 103.

[2]王鋼,丁茂生,李曉華,等.電力自動化系統 UPS 供電方案可靠性[J].電力系統自動化,2005,29(3): 40-44.