電力自動化系統中UPS 供電方案的可靠性分析

宋 健

（吉林省國建工程咨詢有限公司，吉林 長春 130062）

0 引 言

隨著計算機、網絡通信及信息技術的快速發展，電力系統的二次設備已經步入數字化與網絡化新時代，形成了眾多自動化控制系統，其核心依賴于計算機網絡系統的穩定運行。計算機網絡系統故障直接威脅一次電力系統的穩定性，增加了整個電力系統發生停電的可能性。基于此，不間斷電源（Uninterrupted Power Supply，UPS）作為確保計算機網絡系統連續穩定運行的關鍵支撐，其可靠性的定量評價變得尤為重要。

1 供電方式分類

目前實施的UPS 供電方案大致可分為3 種（如表1 所示），這些模式根據特定的應用需求，形成更有效、更完善的供電控制方案，從而確保供電的連續性和合理性[1]。

表1 UPS 供電方案

1.1.1 單機在線

單機在線模式是一種常見的供電方式，具有操作簡便、硬件配置成本低以及在滿負荷工作條件下效率高等優點。在此模式下，UPS 在正常工作狀態時，系統以蓄電池充電并同時向負載供電。這種供電方式的可用性高于市電，但存在一定的局限性[2]。若母線或UPS本身發生故障，則將導致電力系統停止運行，影響其可靠性。

1.1.2 雙機備用

雙機備用模式在UPS 中部署2 套設備，以共同負責負載供電，增強電力自動化系統的可靠性[3]。正常狀態下，母線與雙UPS 共同供電；母線故障時，UPS 獨立供電；單UPS 故障時，另一套接替供電，保障供電連續性。此模式適用于要求高可靠性的大型系統，雖然提高了冗余和可用性，但成本高、結構復雜，增加了維護需求。

1.1.3 多機并聯

多機并聯模式通過并行連接多個UPS 單元，增強大型機構電力供應的可靠性[4]。盡管其結構復雜且成本和維護需求較高，但可以通過初級并聯、高級并聯及分布式并聯等配置，針對不同應用場景提供定制化解決方案。其中，UPS 分布式關聯運行模式如圖1 所示，適用于需要多獨立供電路徑的雙電源負載，提供從服務入口起的冗余路徑，優化同步維護，從而提升系統可靠性。然而，該模式依賴大量開關，尤其是靜態轉換開關（Static Transfer Switch，STS），增加了配置復雜度。

圖1 UPS 分布式關聯運行模式

2 UPS 的可靠性因素

2.1 UPS 裝置電源

直流屏作為UPS 的核心動力源，在電力自動化系統中起著至關重要的作用，為UPS 的連續穩定運作提供關鍵支撐[5]。UPS 裝置依賴直流屏來獲得電能，且直流屏的能量存儲容量直接影響UPS 能夠提供備用電源的持續時間，如具有較大存儲容量的直流屏能夠在電源中斷的情況下，延長自動化系統的不間斷供電能力。

2.2 系統結構

目前，廣泛應用的UPS 裝置通常配備水泵、風機及控制系統等硬件組件，通過優化其結構設計，使得UPS 供電方案具備更高的功率和更好的穩定性。這種改進不僅解決了傳統UPS 供電方案中存在的功率低和故障率高等問題，還增強了電力自動化系統的可靠性和持續性，從而提升整個系統的性能表現。

2.3 繼電保護

UPS 的核心部件之一為主機逆變器，其在電源方案的實施過程中發揮著至關重要的作用。逆變器主要負責對微弱電流的有效削減，進而為電力網絡提供穩健的電源支持。特別是面對電力網絡電壓不穩定的情形（無論電壓過高還是過低），逆變器的繼電保護機制能夠有效調節系統內部的電壓平衡，防止潛在故障的發生。此功能不僅增強了系統的穩定性，還確保了電力供應的連續性和安全性。

3 電力自動化系統UPS 裝置的可靠性分析

隨著我國科技的快速進步，對于UPS 設備的需求不僅僅停留在基本功能上，而是朝向自動化和智能化的方向發展[6]。電力行業面臨著與技術進步同步發展的挑戰，必須具備前瞻性的發展觀念，綜合考慮UPS 設計的關鍵點，并深入分析其可靠性，以確保電力供應的不間斷、可靠性及穩定性。

首先，UPS 與直流屏協同工作構成了專用的UPS解決方案，其中直流屏負責對蓄電池組進行充電并向直流負載供電。在多個模塊電路的配合下，UPS 能夠確保在充足的電能供應下，內部裝置持續穩定運行。直流屏作為確保蓄電池組持續供電的關鍵部件，對于延長UPS 設備的應用壽命和保證其正常運行功能具有重要影響。

其次，蓄電池組是UPS 關鍵模塊，其性能分析顯示，蓄電池的故障修復時間與無故障工作時間服從指數分布，工作狀態涵蓋故障、正常及失電等情況。通過詳細收集蓄電池組工作參數和統計故障修復時間，揭示充放電周期與實時容量的關系，實現對蓄電池不同狀態下性能的精確評估。通過實時容量與恒定放電電流比值的對比，有效識別蓄電池組工作狀況。

再次，為確保UPS 的高效運行，必須深入了解發電機對UPS 的供電機制及其重要性[7]。采用逆變分析方法，統計分析發電機的無故障運行時間，以此來評估發電機的故障發生頻率，并探究發電機故障率與修復效率之間的數學關系。通過這種關系，可以使用數學模型來判斷檢修周期的合理性，并通過發電機性能評估，確保其在UPS 內的正常運作。在UPS 設備的多個工作模塊中，通過這種分析方法能夠有效監控各模塊的運行狀況，基于模塊穩定性的綜合分析，及時識別和定位系統內部的潛在問題，從而集中管理和修復故障風險點，保障UPS 的整體穩定性和可靠性。

最后，設計UPS 供電方案是一個復雜且關鍵的過程，要求從多維度進行細致分析。必須充分理解UPS 裝置的功能特性，并對供電系統進行全面的狀態監測。UPS 內部由多個關鍵模塊組成，包括濾波器、整流器、充電器、逆變器、自動切換開關、監控系統及蓄電池組等。在設計供電方案時，綜合評估和預測這些模塊的運行狀態至關重要，包括分析各模塊的工作參數，考慮蓄電池組的故障診斷與修復，以及其他模塊的故障處理和調整工作。

4 電力自動化系統UPS 供電方案可靠性策略

4.1 注重UPS 日常維修和定期檢修

在電力自動化系統中，UPS 是關鍵設備，能夠保障供電的連續性和穩定性[8]。為維持UPS 設備的高效運行，必須對其進行定期的維護和檢修。這包括測算元器件的工作時間，根據使用壽命制定檢修計劃，以減少故障發生頻率并延長設備使用壽命。通過這種方式，可以間接提升企業的經濟效益。在UPS 的應用過程中，運維工作對于掌握其運行狀況至關重要。設備運行一段時間后，內部會積累灰塵，若不及時清理，可能導致元件故障。因此，定期的清潔和檢修是必要的。此外，制定檢修方案，并按照流程逐步排查設備內部元件，可以有效提升故障檢修速度，確保系統的可靠性和穩定性。通過這種科學系統的排查流程，可以有效提升UPS 設備的運行效率和可靠性，保障電力自動化系統的穩定運行。

4.2 有效運用雙機并聯冗余方案，促使系統可靠性提升

雙機并聯冗余的UPS 供電方案旨在通過使用2 臺UPS 和母線來共同支撐系統的負載運行，提高UPS 供電的可靠性[9]。在此設置中，當系統中的任意一臺UPS 出現故障時，另一臺UPS 將接管電力系統的負載運行。若2 臺UPS 同時故障，母線將自動承擔起負載供電的責任。此外，不定期檢測UPS 裝置，以實時監控其運行狀況。通過配備雙機備用供電，有效防止任何單一元件的故障對負載運行產生影響，從而顯著提高系統的運行可靠性，并確保模塊發生故障時，冗余容量能夠維持在線負載運行。

4.3 設計多機并聯的供電方案，保障系統可靠性

多機并聯技術在大型機構中被廣泛應用，以確保內部電力系統的持續供電。該技術通過將多個UPS以并聯方式連接，實現負載的共享供電，從而增強供電的穩定性[10]。此外，多機并聯的供電模式在日常維護中顯示出便利性，在出現故障時，可以快速替換故障設備以保持不間斷供電，從而進行故障修復。多機并聯供電還支持雙電源負載或多條獨立電路，有助于降低后期負載轉換時的能量損耗，并簡化系統配置，從而提高整體運行的可靠性。

5 結 論

在實施電力自動化系統的UPS 供電方案時，應從實際情況出發，確保系統能夠持續、穩定供電。因此，要詳細分析UPS在電力自動化環境下的工作性能，以保障其能夠提供穩定、可靠的電力支持。此外，深入探討雙機并聯和多機并聯UPS 的應用效果，以評估其在實際應用中的表現。在方案實施后期，應加強對系統性能的監測和分析，以便在發現運行問題時，能夠及時優化和調整結構，從而進一步增強UPS 的運行可靠性。