電力自動化系統中UPS供電方案的可靠性分析

王彥光

（神華包頭煤化工有限責任公司，內蒙古 包頭 014000）

0 引 言

近幾年來，隨著市場經濟的不斷發展，人們的生產生活用電量也在不斷增大。為了提升供電質量，相關部門需要積極制定更加貼合實際應用規范管理標準的供電策略，整合具體參數要求和規范，要對電力系統可靠性予以一定的優化，在一定程度上減少經濟損失和人身安全事故的發生。

1 UPS概述

1.1 定 義

UPS指的是不間斷電源，在電力行業全面進步的時代背景下，其應用范圍也在不斷擴大。若是從實際應用的角度來出發，UPS能在提供不間斷電源設備的基礎上發揮其儲能作用，并且對電力體系予以凈化和穩定處理。尤其是在家庭用電方面，UPS能更好地維持電壓穩定，減少臨時性停電或者是電壓不穩造成的不良影響。另外，在UPS應用管理的過程中，還需要充分考量應用環境及行業標準，打造可靠性較好的運行平臺，維持其綜合應用效果[1]。

1.2 供電方式分類

UPS在實際應用中要結合對應的控制模式建立完整的電源處理方案，從而維持電力供給管理工作的效率，保證對應控制效果的最優化。目前，較為常見的UPS供電體系主要分為單機在線供電模式、雙機備用供電模式以及多機并聯供電模式3個基礎類別，按照不同的應用處理方式能建立更加有效且完整的控制方案，維持供電應用的合理性，具體情況如下。

1.2.1 單機在線供電模式

該模式是指UPS電源系統和母線均處于工作狀態的情況下，系統主要是以蓄電池的方式完成充電處理工作，并且由并行負載完成供電工作。值得一提的是，這種方式盡管操作便捷且運行維護都較為簡單，無需配置較高的硬件，在滿負荷運行狀態下效率也較好，但是如果在實際操作中UPS電源結構出現自身故障的問題，那么就會造成臨時性斷電，影響整個電力系統的運行水平，造成較為嚴重的后果。因此，供電可靠性較低。

1.2.2 雙機備用供電模式

該模式在實際供電應用處理的過程中，UPS供電體系要配置兩臺基礎UPS電源，且對應的母線和UPS電源共同工作的過程中要形成系統負載運行協同處理狀態，獨立的運行模式和單機在線供電系統一致。在系統中，母線結構出現異常運行狀態后，系統將直接利用UPS電源完成負載供電處理工作，當其中一臺UPS電源無法運行時，另一臺則直接開始對應工作，能有效避免供電中斷造成的經濟損失。一般而言，雙機備用供電模式會被應用在電量消耗較大的應用環境中，不僅具備較高的可靠性，而且相應的冗余量較大，實際可操作性和應用價值都要優于單機運行在線處理模式，并且能依據電力實際需求的變化進行升級擴展。然而，這種方式最大的弊端就在于經濟損耗較大，加之方案較為復雜，容易出現資源浪費的現象，后期還要配置對應的人力物力來完成跟蹤維護[2]。

1.2.3 多機并聯供電模式

在原有基礎上進行項目的升級和設備的優化配置，這種方式更加適合應用在大型機構內部電力系統UPS供電模式中，能建立多個UPS電源并聯處理模式，從而提升供電運行的可靠性。盡管多機并聯供電模式的結構較為多樣化，但是其運行功能效果卻是最優，可劃分為初級多機并聯供電模式、高級多機并聯供電模式以及分布式多機并聯供電模式。目前應用最為廣泛的是分布式多機并聯供電模式，具體結構如圖1所示。

圖1 分布式多機并聯供電模式示意圖

2 電力自動化系統中UPS供電方案的可靠性

在分析相應系統運行要求的基礎上，要確保可靠性滿足實際標準，從而打造更加有效平衡的UPS供電方案，配合定量分析和定性分析，維持電力自動化系統的應用效率。

2.1 可靠性影響因素

要想保證電力自動化系統供電方案應用的合理性，就要分析可靠性影響因素。其中直流屏信息、設備自身結構信息、主機逆變器信息以及搶修結果等都非常關鍵，要匹配對應的分析方案，從而提高UPS供電工作的實效性水平。

2.1.1 直流屏

對于UPS電源而言，直流屏是關鍵的動力輸出模塊，也是整個系統運行工作中影響應用質量的重點，為了保證UPS裝置能平穩操作，就要維持直流屏的應用效果。另外，直流屏還會為UPS提供相應的電能，因為其存儲量較大，因此對應的UPS設備供電時間就會隨之延長，而若是遭遇電源中斷供電，則能維持自動化供電處理。

2.1.2 設備的自身結構

在UPS應用的過程中，UPS配置的結構也是影響其可靠性的關鍵。UPS一般包括水泵元件、風機元件以及控制系統元件等，更加優化的系統處理模塊就能提升UPS的功率運行效率，減少傳統UPS功率較低造成的運行不暢。也就是說，UPS自身結構的優劣直接影響了設備運行優勢效果及操作可持續性，是制約UPS裝置綜合可靠性的關鍵。

2.1.3 主機逆變器

在UPS設備應用過程中，其對應的繼電保護裝備也非常關鍵，一般是在運行中實現了弱電的消減和處理，維持電力系統供電的合理性、可靠性以及穩定性。另外，在電力系統運行中出現電壓穩定性不足的情況，主機逆變器就能發揮其保護功能，建立平衡態，減少故障發生幾率。因此，主機逆變器也是影響UPS可靠性的重要因素[3]。

2.1.4 搶修及時性

在電力自動化系統應用工序中，故障問題會對UPS供電效果產生影響，甚至會造成整個電力供應的中斷，因此為了有效提升問題的處理效率，就要提升搶修的及時性，配合合理且高效的事故照明功能模塊，從而避免故障問題的蔓延，也為后續供電效果的優化提供保障。

2.2 可靠性參數指標

因為UPS是電力系統應用運行的關鍵，因此要憑借指標評估模式對其設備可靠性予以全面分析，按照參數指標建立對應的評估內容。

綜上所述，在實際分析工作中要結合相應參數綜合評估UPS的平穩效果，側重電力系統供電效果的分析，一定程度上打造可靠性較好的運行環境。

2.3 最小割集分析

對于電力系統而言，割集是對應電子設備元件的集合形態，因為電子設備若是出現了元件的失效，必然會對整個系統運行效果產生影響，造成故障問題，因此要在評估最小割集的基礎上，了解失效影響概率，從而全面評估系統可靠性。

先利用fcsi=λi獲取一階割集，然后利用fcsi=λiλj(ri+rj)和fcsi=rirj(ri+rj)獲取二階割集。其中，λ表示失效率，r表示修復的平均時間，了解兩者關系就能明確最小割集的已知參數，并分析其可靠性[5]。

綜上所述，在評估對應割集數值的基礎上，配合應用處理方案，建立更加完整的分析機制，從而維持電力自動化系統中UPS供電應用的可靠性，保證處理效率最優化。

2.4 電力自動化系統中UPS供電方案應用的注意事項

為了保證電力自動化系統運行整體的合理性，在匹配UPS供電方案時要將安全性和穩定性作為關鍵，建立使用機制和保護機制，發揮不間斷電源的基本作用，避免整體管理效果受限，維持供電方案應用綜合水平。

因為UPS本身是較高精度的電子設備，所以后備式電源的常規化供電處理狀態要維持科學運行模式，確保開關輸出及支路輸出等都在負載參數要求范圍內，維持直流電應用處理的綜合效果。若是要進行充回電路的處理，就要匹配適宜的蓄電池組，一旦存在停電或是斷電問題，蓄電池就要借助逆變器完成電源的處理，保證交流電源應用的綜合效果。另外，匹配適宜的濾波器，完成負載的傳遞和整合處理，最大程度上提高電力自動化系統應用運行的基本效果。

UPS設備對于周圍環境的應用要求較高，為了保證供電方案運行的穩定性，就要匹配適宜的工作環境，尤其是環境的溫度和濕度。一般而言，溫度要控制在18～27 ℃之間，濕度要控制在45%～65%，并維持機房內的整潔度，不能出現滲水漏水等現象，提高設備可靠性應用管理的基本效果。

為了保證供電處理應用的合理性，要監管設備的電源參數，按照負載參數要求和規范設定實際參數，積極采納常見的設備處理建議，避免隨意改動對其應用效果造成的不良影響。最關鍵的是要保證UPS電源輸入電壓和輸出電壓等基礎參數的穩定性。若是遭遇應用特殊情況，就要確定參數更改的必要性和環境要求，聯系廠家指派專業人員完成調整處理，以提高電力系統UPS應用可靠性，維護綜合處理的實際效果。

要想從根本上提高UPS的應用效率，相關技術部門要落實合理的定期巡檢方案，并集中監督和管理涉及的相應部件運行狀態，及時糾正和處理可能存在的安全隱患，保證更換的及時性。一般而言，依據UPS供電方案的基本需求，每隔6個月就要進行蓄電池的檢修，并且完成相應的充電測試和放電測試，檢查電源運行的水平和效果，若是出現異常則進行糾偏或更換。在運行方案落實的過程中針對隱患問題及時制定合理的處理機制，從而提高UPS供電的可靠性和質量水平。

目前，很多廠家的UPS/EPS產品都已匹配磷酸鐵鋰電池，并配有成熟可靠的電池管理系統（Battery Management System，BMS），保證其每個電池單元的合理性和均衡性，以延長電池使用壽命。此外，鋰電池在循環使用壽命長和安全性能好等方面的優點也提高了UPS供電的可靠性。

3 案 例

在充分分析電力系統UPS供電可靠性影響因素和指標參數的基礎上，結合實際情況落實相應的管理和控制工作，維持參數應用的綜合效果，并且著重升級供電方案的運行效率，打造完整且規范的應用體系，從而實現綜合升級。本文以某供電系統作為研究對象，供電系統為220 kVA，屬于一級負荷，為了匹配經濟效益、管理效益以及安全效益最優的處理方案，結合可靠性參數進行不同供電方案的配置。

3.1 初始方案

依據實際情況，為了進一步提高經濟效益和應用管理水平，需要整合具體方案，維持應用控制的基本標準。因此，要從單機在線供電模式、雙機備用供電模式以及多機并聯供電模式3種基礎模式的角度分析參數數據，從而綜合評估實際應用要求，確保可靠性指標的最優化，整合處理模式和應用效果，并且能為后續實時性工作提供依據，提升供電方案決策的合理性，創造經濟效益和環保效益并行的方案模式。

單機在線供電模式對應的設備配置包括1臺柴油發電機（300 kVA）和1臺UPS電源（300 kVA）。在線故障樹基礎模型為兩UPS電源失效和輸入母線單元失效，另外輸入母線單元的失效時間在6.4 h以上，視為系統整體失效。

雙機備用供電模式對應的設備配置包括1臺柴油發電機（300 kVA）和兩臺UPS電源（300 kVA）[6]。在線故障樹基礎模型為UPS電源失效、旁路（STS、MM）失效以及輸入母線單元失效，另外輸入母線單元的失效時間在4.4 h以上，視為系統整體失效。

多機并聯供電模式對應的設備配置包括1臺柴油發電機（300 kVA）和4臺UPS電源（75 kVA）。在線故障樹基礎模型如圖2所示。

圖2 多機并聯供電模式故障樹模型示意圖

3.2 具體分析

結合3種不同供電模式中UPS故障樹的相應內容，依據數據信息，利用最小割集的分析方式進行定量分析可知，單機在線供電模式TMTTR為8 s，失效率為99.7%，雙機備用供電模式TMTTR為6 s，失效率為99.9%，多機并聯供電模式TMTTR為7 s，失效率為99.8%[7-10]。

結合結果可知，在此案例中選取雙機備用供電模式會更加有效，能在維持可靠性指標的同時，確保供電方案決策的最優化[8]。

4 結 論

電力自動化系統應用UPS供電時，需要結合多元因素和實時性需求落實最優方案，并且建構完整的電源應用發展機制，從而維持電力自動化系統發展的時效性，將有效、可靠、科學以及安全作為供電方案選擇和整合管控的關鍵因素，充分發揮UPS的作用和價值，從而實現經濟效益和社會效益的雙贏。