面向高可用性的UPS 調(diào)度自動化策略優(yōu)化

張海輝，楊曉芳

（國網(wǎng)西寧供電公司，青海 西寧 810000）

0 引 言

不 間 斷 電 源（Uninterruptible Power Supply，UPS）作為現(xiàn)代關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中不可或缺的一部分，其穩(wěn)定運行對保障系統(tǒng)正常運行至關(guān)重要。然而，在面對日益增長的負載需求和各種潛在的故障風險時，傳統(tǒng)的UPS 調(diào)度策略存在諸多不足之處。傳統(tǒng)的固定調(diào)度模式無法靈活應(yīng)對不同負載條件下的需求變化，并且在故障發(fā)生時缺乏自動化的應(yīng)對機制，導(dǎo)致系統(tǒng)可用性和效率下降。為提高UPS 的可用性，需要優(yōu)化UPS 調(diào)度自動化策略，以應(yīng)對復(fù)雜的工作環(huán)境和需求變化。

1 UPS 高可用性分析

1.1 UPS 的工作原理與分類

UPS是一種用于保障電力系統(tǒng)供電連續(xù)性的設(shè)備，在關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中發(fā)揮著重要作用。基于能量存儲和轉(zhuǎn)換技術(shù)，UPS 主要分為在線式（雙變換）UPS、離線式（脫機）UPS 及在線交互式（線交互）UPS。在線式UPS 通過不間斷地將交流電轉(zhuǎn)換為直流電，再通過逆變器將直流電轉(zhuǎn)換為交流電，實現(xiàn)對負載的持續(xù)供電，具有高效率和較高的電力保護能力。離線式UPS 在正常情況下直接將市電供給負載，只有在市電中斷時才會啟動逆變器提供電力，雖然效率較低，但價格相對便宜。在線交互式UPS 結(jié)合了在線式UPS和離線式UPS 的優(yōu)點，能夠在市電穩(wěn)定時直接將市電供給負載，在市電中斷時迅速切換為逆變器供電，兼具高效率和低成本的特點。

1.2 高可用性UPS 的技術(shù)指標與評價標準

高可用性UPS 的技術(shù)指標和評價標準是評估UPS 系統(tǒng)在保證電力供應(yīng)連續(xù)性和可靠性方面的關(guān)鍵參數(shù)，其中技術(shù)指標主要包括以下幾個方面。第一，輸出功率容量，衡量UPS 系統(tǒng)能夠持續(xù)提供的電力負荷大小，通常以千瓦（kW）為單位進行評估；第二，過載能力，評估UPS 系統(tǒng)在短時間內(nèi)承受的超負荷能力，通常以瞬時過載倍數(shù)來衡量；第三，轉(zhuǎn)換效率，指UPS 系統(tǒng)將輸入電能轉(zhuǎn)換為輸出電能的效率，高轉(zhuǎn)換效率意味著系統(tǒng)在轉(zhuǎn)換能量時損耗較少；第四，輸出波形質(zhì)量，衡量UPS 系統(tǒng)輸出電壓的波形穩(wěn)定性和紋波情況，應(yīng)接近純正弦波形；第五，蓄電池容量和充電時間，評估UPS 系統(tǒng)在斷電情況下蓄電池的支持時間和充電時間，確保系統(tǒng)在斷電后能夠持續(xù)提供電力，并及時恢復(fù)充電狀態(tài)[1]。

評價標準主要包括UPS 系統(tǒng)的可靠性、可維護性及可管理性。可靠性評價考慮UPS 系統(tǒng)的故障率、平均故障間隔時間（Mean Time Between Failure，MTBF）、平均修復(fù)時間（Mean Time To Repair，MTTR）等指標，系統(tǒng)應(yīng)具有低故障率和快速的故障修復(fù)能力；可維護性評價關(guān)注UPS 系統(tǒng)的維護難度和維護成本，系統(tǒng)應(yīng)易于維護且維護成本低廉；可管理性評價包括UPS 系統(tǒng)的遠程監(jiān)控、自診斷和自修復(fù)能力，系統(tǒng)應(yīng)具有便捷的遠程監(jiān)控和自動化管理功能，以實現(xiàn)對UPS 系統(tǒng)的實時監(jiān)測和遠程操作。

1.3 UPS 在關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中的應(yīng)用與挑戰(zhàn)

UPS 在關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施中起著至關(guān)重要的作用，主要涵蓋數(shù)據(jù)中心、醫(yī)療設(shè)施、金融機構(gòu)及通信基站等應(yīng)用領(lǐng)域。隨著現(xiàn)代社會對電力供應(yīng)穩(wěn)定性和可靠性要求的不斷提高，UPS 系統(tǒng)面臨著一系列挑戰(zhàn)。例如，關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施對電力的持續(xù)供應(yīng)要求極高，任何停電都可能導(dǎo)致重大損失甚至發(fā)生安全事故，因此UPS系統(tǒng)需要具備高可靠性和高容量，以應(yīng)對突發(fā)斷電等狀況。基礎(chǔ)設(shè)施往往有著嚴格的電力要求，對UPS系統(tǒng)的輸出波形質(zhì)量、轉(zhuǎn)換效率、過載能力等指標的要求更高。由于基礎(chǔ)設(shè)施通常需要7×24 h全天候運行，UPS 系統(tǒng)需要具備良好的可維護性和可管理性，以便及時進行故障檢測、修復(fù)及遠程監(jiān)控，確保系統(tǒng)持續(xù)、穩(wěn)定運行。

2 UPS 調(diào)度自動化策略設(shè)計

2.1 UPS 調(diào)度自動化策略的總體框架

UPS 調(diào)度自動化策略的總體框架是一個基于實時數(shù)據(jù)采集和分析的智能化系統(tǒng)，主要包括以下內(nèi)容。第一，通過傳感器等設(shè)備實時采集電力系統(tǒng)的各項參數(shù)數(shù)據(jù)，如電流、電壓、負載等信息；第二，利用數(shù)據(jù)處理和分析算法處理采集的數(shù)據(jù)，包括負載預(yù)測、故障診斷等，以獲取系統(tǒng)當前和未來的工作狀態(tài)；第三，根據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果和預(yù)先設(shè)定的調(diào)度策略，制定相應(yīng)的電源調(diào)度方案，包括電源啟停、切換等操作；第四，考慮系統(tǒng)的可靠性和安全性，設(shè)計相應(yīng)的冗余電源切換策略和多UPS 協(xié)同工作策略；第五，通過自動化控制系統(tǒng)實施電源調(diào)度方案，并持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，及時進行調(diào)整和優(yōu)化[2]。UPS 調(diào)度自動化策略流程如圖1 所示。

圖1 UPS 調(diào)度自動化策略流程

2.2 基于負載預(yù)測的電源調(diào)度策略

基于負載預(yù)測的電源調(diào)度策略旨在通過對負載情況的預(yù)測，合理調(diào)整UPS 的運行狀態(tài)，以滿足系統(tǒng)的電力需求，并最大限度地提高系統(tǒng)的能效和可靠性。該策略的核心在于利用歷史數(shù)據(jù)和預(yù)測算法預(yù)測未來負載，從而提前調(diào)整UPS 的工作模式。常見的負載預(yù)測方法是基于時間序列分析，如自回歸移動平均（Auto Regressive Integrated Moving Average，ARIMA）模型，數(shù)學表達式為

式中：Yt為時間為t時刻的負載量；c為常數(shù)；φp為模型的參數(shù)；εt為誤差項。通過該模型，可以預(yù)測未來一段時間內(nèi)的負載。

基于負載預(yù)測的電源調(diào)度策略主要包括以下步驟：首先，收集并分析歷史負載數(shù)據(jù)，建立負載預(yù)測模型；其次，根據(jù)預(yù)測結(jié)果，確定未來時間段內(nèi)的負載變化趨勢；再次，根據(jù)負載變化趨勢和電源性能，制定相應(yīng)的電源調(diào)度方案，包括啟停、切換等操作；最后，監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)，根據(jù)實際情況調(diào)整預(yù)測模型和電源調(diào)度策略，以保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高可用性。

2.3 基于故障預(yù)測的冗余電源切換策略

基于故障預(yù)測的冗余電源切換策略旨在通過實時監(jiān)測和故障預(yù)測系統(tǒng)中各個組件的狀態(tài)，及時識別可能發(fā)生故障的部件，并在故障發(fā)生前采取相應(yīng)的措施進行冗余電源切換，以確保系統(tǒng)的持續(xù)供電和高可用性。冗余電源切換策略的關(guān)鍵在于建立有效的故障預(yù)測模型和冗余切換邏輯，使系統(tǒng)能夠在故障發(fā)生前做出響應(yīng)，防止故障對系統(tǒng)產(chǎn)生影響。常見的故障預(yù)測模型是基于機器學習的方法，如支持向量機（Support Vector Machines，SVM）模型，數(shù)學表達式為

式中：f(x)為預(yù)測輸出；xi為輸入特征；yi為類別標簽；K(xi,x)為核函數(shù)；αi和b為模型參數(shù)；n為樣本的數(shù)量。通過該模型，可以預(yù)測各個組件的狀態(tài)，從而識別可能發(fā)生故障的部件[3]。

2.4 多UPS 協(xié)同工作策略

多UPS 協(xié)同工作策略旨在通過協(xié)調(diào)多個UPS 之間的工作，實現(xiàn)系統(tǒng)的負載均衡和冗余備份，以提高系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。首先，通過實時監(jiān)測系統(tǒng)的負載情況和各個UPS 的工作狀態(tài)，動態(tài)調(diào)整各個UPS 的輸出功率，以實現(xiàn)負載均衡，避免單個UPS負載過重或過輕；其次，設(shè)計有效的冗余備份機制，使得系統(tǒng)中的多個UPS 能夠相互備份，當某個UPS發(fā)生故障時，其他UPS 能夠自動接管其負載，保證系統(tǒng)的持續(xù)供電；再次，制定優(yōu)先級調(diào)度策略，根據(jù)UPS 的性能、狀態(tài)及負載情況，確定優(yōu)先級，確保關(guān)鍵設(shè)備和應(yīng)用始終得到穩(wěn)定的供電；最后，建立協(xié)同工作的通信機制，實現(xiàn)UPS 之間的實時通信和數(shù)據(jù)共享，確保各個UPS 之間能夠協(xié)同工作，提高系統(tǒng)整體的可靠性和穩(wěn)定性。

3 UPS 調(diào)度自動化策略優(yōu)化

3.1 優(yōu)化目標與約束條件

UPS 調(diào)度自動化策略的優(yōu)化目標在于提高系統(tǒng)的可靠性、效率及穩(wěn)定性，同時降低能源消耗和成本。約束條件主要包括系統(tǒng)的電力需求、負載變化情況、電網(wǎng)供電特性、UPS 性能參數(shù)以及安全性與可靠性要求等。優(yōu)化目標與約束條件之間存在相互制約的關(guān)系，需要在滿足約束條件的前提下，最大限度地實現(xiàn)優(yōu)化目標。例如，在保證系統(tǒng)安全可靠的前提下，通過合理調(diào)度UPS 的工作模式和輸出功率，使得系統(tǒng)在不同負載情況下都能保持穩(wěn)定的供電狀態(tài)，同時盡可能減少能源浪費和成本支出。

3.2 基于智能算法的調(diào)度策略優(yōu)化

基于智能算法的調(diào)度策略優(yōu)化利用機器學習、深度學習等技術(shù)，通過分析和學習實時采集的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)UPS 調(diào)度的優(yōu)化。利用歷史數(shù)據(jù)和實時監(jiān)測數(shù)據(jù)進行訓練，建立預(yù)測模型，預(yù)測未來電力需求和負載變化趨勢。結(jié)合優(yōu)化目標和約束條件，采用智能算法如遺傳算法、粒子群優(yōu)化等，搜索和優(yōu)化電源調(diào)度方案，以最大限度地提高系統(tǒng)的性能和效率[4]。根據(jù)優(yōu)化結(jié)果，實施相應(yīng)的電源調(diào)度方案，并持續(xù)監(jiān)控和調(diào)整，以適應(yīng)動態(tài)變化的工作環(huán)境和負載需求。

3.3 基于實時數(shù)據(jù)分析的動態(tài)調(diào)整機制

基于實時數(shù)據(jù)分析的動態(tài)調(diào)整機制指根據(jù)實時監(jiān)測到的電力系統(tǒng)數(shù)據(jù)，及時調(diào)整和優(yōu)化UPS 調(diào)度策略。基于實時數(shù)據(jù)分析的動態(tài)調(diào)整機制流程如圖2所示，主要包括實時采集各項電力系統(tǒng)參數(shù)，如電壓、電流及負載等；通過數(shù)據(jù)處理和分析算法，實時分析采集的數(shù)據(jù)，以獲取當前系統(tǒng)工作狀態(tài)和性能指標；根據(jù)分析結(jié)果，及時動態(tài)調(diào)整電源調(diào)度策略，包括電源啟停、負載分配等操作，以滿足當前負載需求并優(yōu)化系統(tǒng)性能；持續(xù)監(jiān)控系統(tǒng)運行狀態(tài)和性能指標，并根據(jù)實時數(shù)據(jù)的反饋，不斷調(diào)整和優(yōu)化調(diào)度策略，以應(yīng)對電力系統(tǒng)工作環(huán)境的動態(tài)變化[5]。

圖2 基于實時數(shù)據(jù)分析的動態(tài)調(diào)整機制流程

3.4 策略優(yōu)化效果評估

策略優(yōu)化效果見表1。

表1 策略優(yōu)化效果

根據(jù)表1 中的數(shù)據(jù)，可以評估UPS 調(diào)度自動化策略的優(yōu)化效果。觀察不同日期的負載水平變化，可以看出系統(tǒng)在適應(yīng)負載變化方面表現(xiàn)出一定的靈活性，通過調(diào)整電源的啟停次數(shù)和調(diào)度策略的優(yōu)化次數(shù)，有效應(yīng)對負載的波動。例如，當負載水平較高時，系統(tǒng)將更頻繁地進行電源啟停和策略優(yōu)化，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行；而在負載水平較低時，減少啟停和優(yōu)化的次數(shù)，以節(jié)省能源并提高效率。這種動態(tài)調(diào)整和優(yōu)化策略的實施，有助于提高UPS 系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性及效率，從而保障關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)供電和運行。

4 結(jié) 論

在面向高可用性的UPS 調(diào)度自動化策略優(yōu)化的研究中，通過分析UPS 的高可用性，設(shè)計了一套綜合的調(diào)度自動化策略。這些策略涵蓋了基于負載預(yù)測、故障預(yù)測以及多UPS 協(xié)同工作等方面，有效提高了UPS 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，能更好地應(yīng)對關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施的供電需求。