基于故障樹法的UPS系統可靠性分析

劉振宇，李 晶，惠青文，張 慧

（1.北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100045；2.上海澤高電子工程技術股份有限公司，上海 201900；3.西安市軌道交通集團有限公司，陜西 西安 710018）

1 UPS可靠性分析現狀

由于電網存在諧波、電壓浪涌、電壓脈沖、持續過壓或者欠壓以及斷電等問題，直接接入市電容易導致電子設備無法正常工作，甚至損壞，造成經濟損失。UPS通過濾波、整流、逆變等電力電子過程，能夠提供穩定、純凈的電能，同時UPS內部包括獨立的蓄電池，可以保證不間斷的電能供應，目前已廣泛應用于銀行、鐵路、機場等地的計算機系統、網絡系統以及數據系統等對電源質量要求較高的電子系統[1]。

國內外多位學者討論了預測UPS系統可靠性的方法。文獻[2]提出了可靠性框圖（RBD）方法來模擬UPS系統的可用性和可靠性參數。在該方法中，每個塊代表系統中的單個主要組件，并且使用每個組件的故障率來估計整個系統的可靠性。然而，該方法沒有考慮組件故障的原因，這將使系統設計者或制造商難以執行系統的故障識別和修改。畢錦棟等基于六性協同工作平臺的馬爾可夫過程模塊對UPS系統的可靠性指標進行了認證和分析，該方法可快速地求解UPS系統的可靠性指標[3]。崔江海針對UPS供電存在的問題，分析了UPS電源分散配置、集中配置、靜態開關與UPS組合供電3種不同供電方式方案及其可靠性，指出了UPS安裝、使用需要注意的問題[4]。宋學東針對如何確定UPS的可靠性指標（MTBF和MTTR）進行了論證和分析，介紹了UPS在逆變器模式下和逆變器加旁路模式下MTBF的計算方法，說明了在計算UPS時應考慮的問題[5]。

本文提出了故障樹分析（FTA）技術來分析UPS系統的可靠性。故障樹分析法是一種自上而下的方法，系統發生故障的概率是根據系統中各組件中故障的事件的故障率來計算的[6]。本文分析了4種拓撲結構下UPS系統（UPS加旁路方案、UPS串聯冗余方案、UPS并機冗余方案、UPS并機雙母線方案）的故障率、平均無故障工作時間等可靠性指標。

2 可靠性分析方法

2.1 可靠性定義

可靠性指標是系統或單元在特定條件下實現其功能的能力[7]。一般來說，模塊是可靠性分析中最基本的單元，在研究過程中不需要再對其內部結構進一步分析，將其視為一個整體，直接考慮其參數即可。

單元的失效率一般用λ表示，如果某個單元在t時刻正常工作，當t趨于0時，該單元在△t內失效的概率為（t，t+△t]，λ（t）還可以表示在t時刻某類單元在單位時間內出現故障的占比[8]。

在工程應用中，對λ的定義為式（1）：

式中N為樣品總數；n為試驗時間內出現故障的樣品數量；△t為試驗時間。

在UPS系統的可靠性評估中，假定不間斷電源系統是可修復的，不間斷電源系統的可靠性參數故障率外λ還包括平均故障間隔時間MTBF。在制造商的說明中，UPS系統的可靠性通常用其平均故障間隔時間來MTBF指定，見式（2）。

2.2 故障樹分析法（FTA）

FTA法是一種通過分析系統內模塊的可靠性來計算系統故障概率的方法。通過計算系統內模塊失效的概率，分析導致模塊失效的原因，提出改進的辦法，提高整個系統的可靠性，FTA法一共分為7個步驟。

步驟1：根據系統的功能圖，明確系統的工作方式，繪制系統的可靠性框圖。

步驟2：定義單元和模塊的故障模式，分析并列出單元故障的原因及影響。

步驟3：定義頂事件，構造故障樹，識別所有可能引起該事件發生的單元或單元的組合，構造故障樹。本文將“UPS無法正常輸出”定義為頂事件。

步驟4：將可靠性框圖轉化為故障樹模型。

步驟5：確定系統中各單元的故障發生概率，本文假設各單元的失效分布均服從指數分布，于是故障率可以表示為如下公式。

在本文的研究中，令時間t為一年（即8 760 h）。

步驟6：確定系統中基本事件的故障數據，通過步驟4推導的模型，確定頂事件發生的概率。

步驟7：確定系統的可靠性指標。

3 UPS系統

不間斷電源UPS（Uninterrupted Power Supply）可以通過濾波、整流、逆變等過程，為用電設備提供高質量的電能，同時UPS系統中的蓄電池還可以在市電斷電的情況下提供后備保障，作為一種電力后備和電力凈化系統，不間斷電源系統已廣泛應用于銀行、醫院、機場、鐵路、政府等重要的場所。目前，各行業機房所用的UPS主要包括在線式UPS（Online UPS）電源和后備式UPS（Offline UPS）電源。

在線式不間斷電源（Online UPS）主要由整流單元、逆變單元、隔離變壓器、蓄電池、靜態轉換開關（Static Transfer Switch，STS）等組成[9]，在線式不間斷電源原理圖如圖1所示。

圖1 在線式不間斷電源原理圖

當市電電壓正常時，輸入的電流首先在整流單元處理后變為直流電源，經過處理后的電流一路由逆變單元轉化為交流電源，最后輸出到負載。此外，直流電源還需要通過充電電路為蓄電池進行充電。當市電異常時，整流模塊停止工作，UPS會接通蓄電池供電開關，此時蓄電池作為UPS的輸入，蓄電池輸出的直流電源經過逆變模塊轉化為交流電，為設備進行供電。當逆變器、輸出變壓器等設備出現故障后，自動轉換開關（STS）會切換旁路供電，此時市電經過穩壓器直接供給用電設備。

常用的在線式不間斷電源主要包括3種方案：

（1）UPS串聯方案。這種配置方案內含有兩臺UPS，分別為主UPS和備UPS。這種配置方式可以看做單UPS加旁路方案的升級版，串聯冗余配置方案下，選一臺UPS作為主機，另一臺作為備機，備機的輸出接入主機的旁路。當外界電源輸入參數沒有超出UPS工作范圍的情況下，主UPS的主路工作，為負載進行供電；當市電輸入超限或者整流模塊故障時，主UPS的蓄電池放電，通過逆變器為整個系統供電。當主UPS蓄電池電能消耗完畢或者逆變器或隔離變壓器故障時，STS靜態轉換開關切換至旁路由備UPS進行供電。當主備UPS都故障時，由備UPS的旁路進行供電。

串聯冗余配置方案實施起來比較容易，不強制要求兩UPS型號相同，只要規格參數相同即可進行配置，極大地提升了UPS系統的可靠性。由于UPS串聯冗余系統較單UPS加旁路方案，UPS系統的可靠性大幅提高，UPS掉電轉旁路的概率也隨之下降，所以這種配置方案下，旁路穩壓器也可不設，UPS串聯冗余系統結構圖如圖2所示。

圖2 UPS串聯冗余系統結構圖

但是這種冗余方式缺點也很明顯，由于市電正常時，備UPS一直處于備用狀態，而主UPS長期負載率較高，形成了兩個極端。同時備UPS的蓄電池很長時間內得不到使用，無法進行供電，且一直進行浮充，會極大地影響電池的壽命。若將主、備UPS在固定時間后進行輪換，即可避免此類問題出現。但是輪換過程中，備UPS的負載率從零瞬間變為高負載，可能會損壞UPS內部單元[10]。

（2）UPS并聯方案。UPS并機冗余方案是將兩臺型號和容量完全相同的UPS并聯在一起，采用分散旁路（每臺UPS各設置一條旁路）方案設計，兩臺UPS輸出接入并機模塊，并機模塊可以保證兩臺UPS輸出的電壓電流頻率、相位和幅值都一致。每臺UPS均有獨立為所有負載供電的能力。正常供電情況下，并機模塊將負載總功率均分給兩臺UPS，市電經過UPS主路的整流逆變等一系列變換輸出純凈穩定的正弦波，此時旁路為備用狀態，每臺UPS的輸出功率為負載總功率的50%。在UPS1主路無輸入或者整流模塊故障的情況下，蓄電池和逆變模塊提供輸入。在UPS1主路逆變模塊或者隔離變壓器故障，主路無法提供輸入時，STS靜態轉換開關將主路斷開進行維修，自動轉換至旁路，旁路仍提供50%的負載功率。在UPS1主路旁路都故障的情況下，UPS1自動退出系統進行維修，由UPS2獨自承擔整個系統的供電，此時UPS2的供電方式與單UPS加旁路方案相同。同UPS串聯冗余方案一樣，該配置方案下，旁路穩壓器也可不設。UPS并機冗余系統結構圖[11]如圖3所示。

圖3 UPS并機冗余系統結構圖

（3）UPS并聯雙母線方案。這種冗余方案下，信號電源系統需要采用兩套獨立的UPS系統，分別為A系和B系，每套系統的UPS可獨立承擔起所有負載的供電任務，而且A系和B系采用單獨的母線結構，兩套系統不會相互影響，UPS并機雙總線冗余系統結構圖[12]如圖4所示。

圖4 UPS并機雙總線冗余系統結構圖

4 UPS系統故障樹模型

根據UPS系統結構圖在故障樹分析軟件Arbre Analyste中建立UPS的故障樹模型如圖5所示。

圖5 UPS系統的故障樹模型

根據故障樹模型計算不同配置下UPS系統的可靠性參數見表1。

表1 不同配置下UPS系統的可靠性參數

對于在線式UPS，共研究了4種方案下UPS系統的可靠性參數。方案1是加旁路的在線式UPS，該方案下的故障率為0.180，MTBF為48 700。方案2是UPS串聯冗余方案，方案2故障率較方案1的故障率略微降低，可見在主UPS的旁路再加入一臺UPS對故障率的降低并影響有限。方案3并機冗余UPS，這種情況下系統的故障概率較方案1降低了0.013，可顯著提高系統的可靠性。方案4是方案3的升級版，增加了母線，故障率進一步降低，可靠性有所提升。

5 結束語

本文使用故障樹分析法來估計不同配置方式下UPS的可靠性參數，如故障率，故障間隔時間和系統可靠性。分析了可能導致UPS故障的各底事件的類型及其故障率，最后利用故障樹提供的路徑計算出UPS的各項可靠性參數。并對所得結果進行比較和討論。通過比較系統的可靠性參數，可以發現UPS并聯方案和雙母線方案可顯著提升系統的可靠性。因此，在重要設施的UPS系統如軌道交通、航空、核電等行業中，建議配置冗余UPS和冗余母線，進一步提高供電的可靠性。