智能離線式維修電源系統的研究與設計*

郭志強，戴宏躍，閆思玲，廖 慧

（1.北京地鐵運營有限公司供電分公司，北京 100044；2.廣州科技貿易職業學院智能制造學院，廣州 511442;3.廣東創電科技有限公司，廣東佛山 528299）

0 引言

隨著我國城市化步伐的加快，城市交通變得越來越擁堵，為緩解城市的交通壓力，全國各大城市都在大力發展地鐵軌道交通[1]。作為地鐵電力穩定供應的安全保障，不間斷電源（簡稱UPS）的穩定可靠運行顯得至關重要，由于地鐵軌道交通特殊的運行環境，對UPS的穩定運行提出了挑戰。首先是機房的溫度高，信號設備絕大多數屬于高發熱量的電子類設備；機房的熱量向外排放困難，造成熱量積聚。另一方面，軌道交通運行環境灰塵大，相關設備灰塵堆積情況嚴重，灰塵顆粒復雜，灰塵中含金屬顆粒、導電粉塵含量非常高，沾黏性強。第三，軌道交通運行環境中震動大，容易對UPS的結構產生影響。

高溫容易造成UPS電源電子元器件的老化速度加快，導致元器件突發性故障的可能性增大[2]；灰塵容易造成UPS的絕緣間隙變小，導致絕緣性能下降而引發爬電或短路，同時灰塵也會造成電子元器件散熱不通暢，影響元器件的壽命；震動容易導致UPS內部部件的松動甚至脫落，影響UPS正常與運行。

由此可見，軌道交通的惡劣運行環境，對UPS電源的可靠性與易維護性提出了更高的要求，必須重點考慮其運行環境，除了在設計方案上提出更高的要求外，重點要考慮UPS電源的維護維修便捷、高效。

另一方面，軌道交通低壓供電系統復雜，其中的通信、信號、綜合監控、防災報警、設備監控、AFC等系統的供電通常為一級負荷[3]，均需要由UPS供電。在實際應用中，尚存在不少問題：因設備結構復雜令維修部門難以實施日常維護保養工作；因設備的智能化監控水平低，令維修部門難以提前發現質量隱患；因設備的維修專業技能要求高，令設備維修工作只能依賴廠家。軌道交通運營時間長，可利用檢修時間短等客觀因素的存在，使維修變的更加困難，需要重點關注如何提高設備的智能化監控水平、維修效率與質量，保障地鐵相關設施的供電安全，但是當前的軌道交通UPS電源設備的結構、智能化水平、維修方式等都存在很大的局限性，不利于維修工作的開展，具體如下。

（1）UPS電源結構設計復雜

既有UPS電源的內部電氣連接縱橫交錯，主要功能性部件（功率元器件、線路板等）拆裝步驟繁瑣復雜，對維護維修工作造成極大的障礙。

（2）智能化監控水平較低

既有UPS智能化方面僅能實現故障信息監測，技術相對落后，無法實現主要功能部件的性能參數監測，維修部門難以了解主要功能部件的健康狀態，設備故障前了解不到任何征兆，發生故障后也難以短時間內修復。

（3）維修方式局限性大

既有UPS電源維護維修存在很大局限性：只能晚上停運后現場進行維修，且對維修人員專業水平要求較高。與軌道交通快速、安全維修要求不適應，日常維護維修嚴重依賴廠家支持，且作業風險很大。

基于上述原因，針對地鐵軌道交通的運行環境，本文特提出一種智能離線式維修電源系統，通過智能化、模塊化設計，基于大數據的分析，實現UPS電源的離線維修、自主維修，提高維修效率。

1 系統設計原理與組成

智能離線式維修電源系統基于系統實時采集UPS電源系統的相關數據作為依據，根據這些數據，自動判斷系統的健康狀況，及時進行判斷與分析，實現電源系統的智能監測與預警，基于此，本文提出的智能離線式維修電源系統總體設計框架，如圖1所示，包括數據采集、數據分析處理、信息顯示等模塊，其中數據采集內容包括UPS電源主機數據、環境數據、電池數據等。主機數據包括主機的電流、電壓、頻率等輸入數據，整流器的電流、電壓、頻率等輸入輸出數據以及工作溫度數據，逆變器的電流、電壓、頻率輸入輸出數據以及工作溫度數據，UPS靜態開關的電流、電壓、頻率輸入輸出數據以及工作溫度數據。環境數據主要包括UPS工作的環境溫度、濕度等影響UPS工作的相關數據。電池數據主要包括電池的電流、電壓、溫度等相關數據。

圖1 智能離線式維修電源系統的總體設計框架

2 系統重要模塊設計

從圖1所示的智能離線式維修電源系統的總體設計框架可以看出，系統主要設計內容包括數據的采集、數據的分析與處理。因此要實現的關鍵技術內容：數據采集點設計；數據采集電路設計；對采集數據的分析處理，實現對系統健康狀態的判斷等內容。

2.1 數據采集

2.1.1 數據采集點設計

（1）電源主機數據采集點設計

圖2所示為UPS的基本原理框圖，智能離線式維修電源系統UPS主機的關鍵數據采集點設置如圖中圓圈數字標識。其中點是對輸入信息的采集點；點①是對整流器輸入信息的采集；點②是整流器輸出信息的采集點；點③是電池信息的采集點；點④是逆變器輸入信號的采集點；點⑤為逆變器輸出信號的采集點；點⑥與點⑦是靜態開關輸入數據的采集點；點⑦同時也是旁路信息的采集點；點⑧是靜態開關輸出信號的采集點。

圖2 UPS數據采集點

（2）UPS環境采集點設計

UPS環境數據的采集點主要設計在UPS工作附近，包括主機、蓄電池附近，主要是采集UPS電源工作的環境數據，包括溫度、濕度等信息，如果這些數據不滿足UPS電源工作的要求，及時向系統報警，提示采取相應的措施，以保護UPS電源設備的安全。

（3）蓄電池數據采集點設計

蓄電池數據的采集點如圖3所示，分布在每節電池上，采集模塊連接在電池的兩端，電池監測模塊與采集模塊通過無線傳輸信息，實時監測每節電池的電壓、電流和溫度，還能測算出電池的內阻、容量等。無線傳輸能避免有線傳輸存在的電池系統短路隱患。

圖3 蓄電池數據采集

2.1.2 數據采集電路設計

圖2所示為智能離線式維修電源系統主機關鍵數據的采集點，具體的采集技術通過圖4所示的采集電路對每個采集點的三相電壓∕電流的瞬時值進行連續采樣，通過對連續采樣的瞬時值進行計算，可得到每個位置的電壓∕電流、相序及相位角，從而實現相位的判斷，并能得到相應的電壓、電流幅值等信息。圖中，J0~J5為六路采樣輸入，通過74HC4051D的9、10、11引腳進行選擇具體哪一路。

圖4 采樣電路原理

具體電路板的采樣點設置主要包括整流控制板、電源板，逆變控制板、電源板，而電解電容的數據采樣點分別設置在電容的輸入、輸出引腳上，變壓器的溫度測試點設置在變壓器鐵心附近，散熱器與風扇的相關數據可以直接讀取其附帶的溫度傳感器的信息。開關則可以讀取開關干接點信號，獲取開關閉合次數。

電池數據的采集通過專門的采集模塊實現，對每個單體電池的電壓、溫度、內阻進行測量獲取相關采用數據，然后以無線的方式上傳至電池集中檢測模塊，電池檢測模塊則與網絡相連，通過電腦的專用應用程序或者手機專用App對每節電池數據進行監控。

本文重點介紹整流模塊與逆變模塊板級采集點的設置，具體設置如下。

（1）整流模塊采集點設置

整流模塊采集點包括整流控制板采集點與整流電源板采集點的設置。

整流控制板設置5個數據采集點：輸入三相電壓參考點，檢測參考點，判斷輸入三相電壓采樣值是否正常；控制板電源參考點，檢測參考點，判斷控制板的工作電源是否正常；主控芯片參考點，主控芯片正常工作時，會間隔1 s轉換一下信號，當信號一直不變時，可以判斷主控芯片出現了問題；輸出直流電壓參考點，檢測參考點，能判斷輸出直流電壓的采樣值是否正常；輸出直流電流參考點，檢測參考點，能判斷輸出直流電流的采樣值是否正常。

整流電源板設置2個數據采集點：輸入三相電壓參考點，檢測參考點，判斷輸入三相電壓采樣值是否正常；輸出電壓參考點，檢測參考點，判斷輸出電壓是否正常。

（2）逆變模塊采集點設置

同樣地，逆變模塊采集點包括逆變控制板采集點與逆變電源板采集點的設置。

逆變控制板設置6個數據采集點：輸入直流電壓參考點，檢測參考點，判斷輸入的直流電壓是否正常；主控芯片參考點，主控芯片正常工作時，會間隔1 s轉換一下信號，當信號一直不變時，可以判斷主控芯片出現了問題；輸出電壓參考點，檢測參考點，能判斷輸出電壓是否正常；控制板電源參考點，檢測參考點，判斷控制板的工作電源是否正常；并機通信線是否連接的參考點，檢測參考點，能判斷并機線是否正常；載頻測試點，發出信號，檢測此測試點，能判斷逆變輸出的載頻是否正常。

逆變電源板設置2個數據采集點：輸入三相電壓參考點，檢測參考點，判斷輸入三相電壓采樣值是否正常；輸出電壓參考點，檢測參考點，判斷輸出電壓是否正常。

2.2 系統健康狀態的判斷

根據前面采集到的相關數據，并對這些采集數據進行分析處理，實現對UPS電源系統的健康狀況進行判斷。組成UPS電源的器件基本上可以分為電阻、電容、二極管、功率器件（IGBT或者MOS管）、電感和變壓器、電流傳感器、IC、光耦、繼電器等。電阻、貼片電容和瓷片電容的使用壽命一般都可以達到20年以上，電感和變壓器在設計時，只要不超過其材料溫度，理論上認為是可以長期工作而不失效的；小功率的二極管，三極管基本可以工作10萬h以上；繼電器的機械壽命一般在100萬次以上，電氣壽命大于1萬次；風扇和保險絲屬于易損元器件，對逆變器壽命不會造成影響，發生故障只需及時更換就可以。

溫度對IGBT與電解電容的影響很大，屬于UPS壽命的短板，根據木桶理論，UPS中IGBT與電解電容的壽命，決定了整個UPS的壽命，因此需要重點關注。

2.2.1 IGBT健康狀態判斷

（1）溫度對IGBT健康的影響

影響IGBT健康狀況的因素很多，其中溫度對IGBT的影響很大[4]。因為IGBT模塊的結構通常是用不同材料封裝在一起的多層結構，由于不同材料的受熱膨脹系數的不同，這些材料會受到不同程度的應力。這種應力將首先破壞模塊結構中的連接部分，比如結構中的焊層、引線和端子焊點等處，進而使整個IGBT模塊失效[5]。IGBT工作中，其通態損耗和開關損耗會引起器件結溫的上升，而且隨著輸出功率不同，IGBT的損耗功率也不一樣，隨著IGBT工作時功率的變化，器件溫度也隨之變化，不斷地經歷溫度循環變化的過程，這些都會嚴重影響IGBT的健康。當前，預測IGBT的健康狀況的方法有很多，一般通過加速老化實驗獲取IGBT工作過程中功率循環試驗的數據來建立IGBT模塊循環壽命的數學模型[6]，模型的種類也很多，包括Coffin-Manson模型、Lesit模型、Norris-Landzberg模型和Bayerer模型等[7]。其中，Norris-Landzberg模型和Bayerer模型則是基于多變量的壽命預測模型，除結溫波動外，基于多變量的壽命預測模型需要考慮的變量更多，情況更復雜[8]。而Coffin-Manson模型、Lesit模型是基于結溫的壽命預測模型，其中又以Coffin-Manson模型應用最為廣泛[9]，本文采用Coffin-Manson模型來預測IGBT的健康狀況。

（2）電壓對IGBT健康的影響

IGBT的驅動電壓，也會影響IGBT的健康狀況，對于IGBT柵極的驅動電壓，不僅要保證不能超過擊穿電壓還要保證有足夠的驅動電壓，如果柵極驅動電壓不足，則IGBT會工作在主動區域，長時間如此，IGBT將產生大量的熱損耗，導致損壞，在關斷的時候也要保證有足夠的負壓，負壓即能保證盡量完全關斷IGBT，也能盡量加快關斷速度，還能保證在截止狀態下防止IGBT集電極—發射極間出現的dv∕dt噪聲引起開關誤開通[10]。本文通過實時監測IGBT的工作電壓、電流、溫度等關鍵數據，據此來判斷IGBT的健康狀況。

2.2.2 電解電容健康狀況的判斷

電解電容壽命在105℃情況下一般在2 000～3 000 h，壽命長的也只有5 000～6 000 h，但是隨著每升高10℃壽命則折半[11]，電解電容在UPS中起著不可或缺的作用，它的使用壽命和工作狀況與UPS的健康息息相關。所以在UPS電源里面，UPS的最大的短板在電解電容健康方面。

阿列紐斯方程是用來描述化學物質反應速率隨溫度變化關系的經驗公式[12]。電解電容內部是由金屬鋁等和電解液等化學物質組成的，所以電解電容的壽命與阿列紐斯方程密切相關，阿列紐斯方程公式如下：

式中：k化學反應速率；R為摩爾氣體常量；T為熱力學溫度；Ea為表觀活化能；A為頻率因子。

根據阿列紐斯方程可知，溫度升高，化學反應速率（壽命消耗）增大，一般來說，環境溫度每升高10℃，化學反應速率（K值）將增大2～10倍，即電容工作溫度每升高10℃，電容壽命減小1倍，電容工作溫度每下降10℃，其壽命增加1倍，所以，環境溫度是影響電解電容壽命的重要因素。

根據阿列紐斯方程結論可知，電解電容器使用壽命與溫度之間的計算公式如下：

式中：L為環境溫度為T1時鋁電解電容器的使用壽命，H；L0為額定壽命，H；T0為額定最高使用溫度，℃；T1為環境溫度，℃。

本方案實時采集電容的電壓、電流、溫度等相關信息，根據預先設定的電解電容壽命，和衰減曲線，使用預設的算法，計算電解電容的剩余壽命，判斷電解電容的健康，進而可以判斷UPS的健康狀況。

2.3 系統自主決策與處理

系統對采集到的相關數據進行智能分析處理，對各種具體情況進行自主決策與處置，實現電源的智能化操作。

如圖2所示，點是對輸入電壓、電流信號進行采集，采集到的數據作為輸入情況的判斷依據，如果市電輸入中斷或者輸入電壓過低、過高，系統及時進行預警，提示輸入異常情況，提示對輸出進行檢修。因為有電池供電補償，電源仍能輸出穩定的電能；點采集到的數據作為整流器輸入情況的判斷依據，隨時可以了解整流器的輸入情況；點采集整流器輸出電壓、電流等相關數據，整流器輸出應該是平穩的直流電流，根據點所采集到的數據,系統自動對這些數據進行分析處理、判斷整流器的工作質量，如果整流器輸出信號異常，及時進行預警、并提示相應的處理措施。點采集到的數據，系統自動分析電池組的輸入、輸出情況，判斷電池組的健康狀況，如果數據異常，及時進行預警并提示相應的處理措施；點采集逆變器的輸入情況，作為了解逆變器輸入情況的依據，如發現異常，及時進行預警、并提示相應的處理措施，點采集逆變器的輸出情況，系統自動分析采集到的輸出數據，以此判斷逆變器的工作狀況，如有異常，及時進行相應的預警，并提示相應的處理措施；點與點是靜態開關輸入數據的采集點，了解靜態開關的輸入情況，點采集旁路信息，對旁路的輸入進行監控，發現異常，及時預警，并提示相應的處置措施；點是整個智能離線式維修電源系統輸出情況的信息采集點，以此判斷整個系統的工作情況，如有異常，及時進行預警并提示相應的處理措施。

上述信息主要是從電壓、電流方面進行預警，當某監測點的電流、電壓在允許的范圍內，認為電源系統工作正常，系統健康。當某監測點的電流、電壓出現嚴重偏差，超出允許的最大范圍，認為異常，發出聲光報警，并將故障信息傳送到控制中心。同時，顯示監控屏提示具體哪路電源出現了故障，進行相應的處理。

以IGBT和電解電容為例，由于IGBT與電解電容對溫度敏感，受溫度影響最大，關系到整個系統的健康狀況，因此，系統重點關注IGBT與電解電容的問題，當前IGBT內部PN結的最高耐溫一般為150℃，超過這個溫度IGBT會損壞，因此必須要對IGBT的溫度進行嚴格的控制，除了添加散熱片及采取主動散熱措施以外，還要進行過熱關斷保護，即溫度超過警戒值便停止電源的工作。由于150℃是IGBT內部的溫度，因此警戒溫度的閥值要充分考慮到熱傳導的損失來留出合適的裕量。根據設計經驗，通常把預警溫度設定在75℃，超過設計設定值，就進行預警。電解電容的標識最高工作溫度一般是105℃，超過這個溫度，嚴重影響電解電容的壽命，進而影響UPS的壽命。根據設計經驗，通常把預警溫度設定在75℃，超過設計設定值，就進行預警。

UPS電源設置預警計時系統，預警信息發出一周后，如維修部門未在規定時間內對預警內容進行有效處置，為了避免UPS電源質量繼續下降而發生故障，UPS電源將自主決策進入保護模式，系統供電由逆變狀態轉入自動旁路狀態，UPS電源的主要部件停止工作。

3 實驗分析

圖5所示為本項目研制的智能離線式維修電源系統外觀圖，系統正在試驗運行中。運行中該電源接最大工作負載，模擬UPS電源碰到各種極限情況：大范圍調節UPS電源的輸入電壓、電流等輸入信息；大范圍調節整流器、逆變器的電壓、電流等輸入信息、提升其環境溫度至極限工作條件；大范圍調節電池的電流、電壓、溫度等信息，并讓其運行一周時間，觀察其工作的穩定性，并統計系統輸出的相關信息。表1所示為一些典型的運行告警統計數據，這些數據為UPS電源系統的維護維修提供了可靠的參考依據。

圖5 運行中的智能離線式維修電源系統

表1 系統運行告警統計數據（部分數據）

4 結束語

本文詳細分析了城市地鐵軌道交通的特殊的運行環境，針對復雜的UPS電源系統不便于維修的內部結構，當前低下的監控水平，以及軌道交通中運行的UPS電源系統的維修方式的局限性，特設計了智能離線式維修電源系統統技術方案，基于本設計方案研制出相應的樣機，在模擬地鐵的各種嚴苛環境下，樣機都能按照預期提供相應的警示信息，并能基于方案的模型計算出相應的壽命損失，為UPS的維護維修提供重要的參考依據，相較普通的UPS電源系統，完全靠經驗與各種檢測來進行維護維修，基于本方案的UPS電源系統，影響UPS健康因素有據可查，維修維護效率大大提高。