调度自动化系统UPS电源可靠性分析

2011-05-28刘晓松

中国新技术新产品 2011年13期

刘晓松

（义乌市供电局，浙江义乌 322000）

引言

随着调度自动化系统的要求也越来越高，自动化系统设备的安全稳定运行不仅取决于系统设备自身，同时又依赖于电源系统为其提供可靠电力。当前调度大楼一般采用大型UPS集中供电，这种集中供电方式一旦电源系统出现故障，对于调度中心来说无疑将是灾难性的后果。近年来电力调度的重大事故几乎都与UPS电源有关。因此，电源系统建设与运行过程中必须将其可靠性要求放在首要位置。笔者基于多年来在UPS电源建设及运行维护方面的切身体会和经验，就UPS电源建设及应用时应关注问题作出分析，以供大家参考。

1 UPS电源的系统构成

UPS电源系统由主设备以及配套设备组成，如图1所示。

图1 UPS电源系统的构成

UPS主设备包括主电路、控制电路和辅助电路。UPS主电路主要包括整流器、逆变器、静态旁路三部分，是UPS为用户负载提供高品质电源的电能变换、隔离、传输系统。UPS的控制电路是控制这些主电路部件正常有序运行的中枢系统，主要由检测、运算到执行的一系列控制板组成。辅助电路主要包括内部控制电源、内部风扇等关键的易损坏部件。配套设备包括储能蓄电池及输入、输出配电系统。

2 影响UPS主设备可靠性的因素

2.1 UPS主电路

UPS主电路主要包括输入端的整流器、逆变器、静态旁路三部分，是UPS为用户负载提供高品质电源的电能变换、隔离、传输系统，如图2所示。

图2 UPS主电路

2.1.1 UPS输入端，即整流器。UPS整流器的主要功能是将来自电网的普通交流电源整流成直流电源，一方面向后端的逆变器供电，同时对蓄电池进行充电。由于它直接和外界电网相连接，所以在UPS的输入端应有完善的保护功能，来抑制和消除来自电网10/700S5KV雷击电压冲击和8/20Μs20KA的雷击电流冲击，保证UPS输入整流器的安全性，这对于中大功率UPS显得尤为重要。这要求调度大楼配电室不仅要配制适当的避雷器，而且UPS本身也应有防雷部件。此外，应在整流器的输入、输出同时配置LC滤波器，以进一步消除来自电网的任何电压、电流浪涌，保证整流器的安全。如图3所示。

图3 LC滤波器和输出电感的位置

影响UPS输入端可靠性的另一个关键因素是，UPS输入端是否配备了优良的输入软启动特性。所谓软启动功能是指在整流器重新开启时，其输入功率是缓慢“爬升”到额定功率，而不是突然增加，有的UPS电源这一爬升时间一般可设置到60秒以上，必要是应同时设置“输入限流技术”。这一功能不仅保护了整流器的安全，增加了UPS设备自身的可靠性，同时也将大大缓和UPS电源对供电电网的“冲击”。

（2）UPS输出端，即逆变器。逆变器是UPS内部最关键的部件之一，它负责将来自整流输出或电池的直流电变换为交流电，向负载提供与市电无关的交流净化电源。它的可靠性与负载突加突减的电流冲击密切相关，同时也受切换冲击电流的影响。这就要求在UPS的输出端应配置大电感，以抑制可能的大电流冲击，如图3所示。同时，UPS应具有切换时的电压自动提升功能，使UPS切换时的逆变器输出电压尽可能接近旁路输入电压，以减少切换压差，从而减少冲击电流。

(3)UPS静态旁路。静态旁路是UPS故障时的应急通路，它由三相双向晶闸管开关组成。由于旁路是直接将电能不经任何变换、直接传递给负载的通路，因此为了保障负载和旁路自身的安全，旁路应配置隔离变压器，以双向缓冲来自电网高压浪涌冲击和来自负载的电流突变冲击。这一旁路变压器的另一突出优点，还在于它彻底消除了长期困扰用户的零地电压问题，众所周之，机房的零地电压国家标准为小于1V，但是由于电网三相负载的不对称、非线性负载的广泛存在，或雷击感应电压，都使零地电压经常在3V以上，这严重影响了用户计算机负载的正常工作和安全。要消除这一零地电压，唯一的途径就是在UPS的旁路回路配置隔离变压器，以实现UPS输入零地与输出零地的彻底隔离。

2.2 UPS控制电路

UPS控制电路是整个UPS的核心部件，它通过传感器检测UPS的输入输出参数，环境参数，经过内部微处理器复杂的综合处理，调控主电路部件的工作。但是由于它所有的元器件均是信号级敏感电子部件，而且数量巨大、电路复杂、易受电场、磁场、温度、湿灰尘等的综合影响，成为UPS内部最薄弱、故障率最高的部件，也是影响UPS可靠性的焦点问题。

现代UPS的控制电路均由一系列不同功能的控制板组成，但是不同的UPS差异巨大，归纳起来最主要的有以下三点:一是控制板数量，多的高达20多块印刷电路板，少的仅4块;二是控制板之间的连接方式，有的有成捆的扁平电缆，有的连一根扁平电缆也没有，完全采用简单的网络线来连接;三是控制方式，有模拟控制、半数字半模拟控制、数字控制之分。

在同样的控制功能下，控制板的数量清晰地反应了控制系统集成度的高低。集成化是提高电子电路可靠性的革命性变革，集成度越好可靠性越高已是业界一致的共识;其次控制板之间的连接方式，反应了控制系统的繁杂程度，及控制板之间的依存关系，无疑相互之间的连接线越少，依存关系越简单，出问题的概率也就越少。特别值得一提的是，内部控制电路的网络化连接极大地提高了可靠性。数字控制与模拟控制相比其优点是显而易见的，消除了模拟控制所带来的参数漂移和不稳定性。尽管在目前的UPS市场上已基本淘汰了模拟控制的UPS，但是以半数字半模拟控制的UPS在市场上不在少数，其显著的特征是某些参数还需要用电位器来设定，完全不象全数字式的UPS，所有的参数与基准全部通过电脑经串口写入。

2.3 UPS辅助系统

在UPS内部最重要的辅助系统是控制电源和散热风扇，因为控制电源的故障将使内部控制电路完全失电，而风扇是保证内部主电路和控制电路部件不至因过温而关机的重要冷却部件。

(1)UPS内部的辅助电源板负责向各控制电路板提供低压直流电源，如果辅助电源出现故障，控制电路将会停止工作，UPS系统将随之瘫痪，甚至都不会转旁路。因此UPS内部的辅助电源必须为冗余结构，提供多路并行供电辅助电源，可以分别取自市电输入、旁路输入、逆变器输出。这种冗余设计保证了主机控制电路在任何情况下都能正常工作。

(2)UPS电源是一种电能转换设备，在转换过程中由于功率器件的开关损耗，将产生大量的热量释出。电子元件的工作稳定性及老化速度都是和环境温度息息相关的，所以UPS电源中需要增加风扇以便将能量转换中堆积的热量迅速排出电源本体之外。而一旦电源风扇发生转速降低、停转，那么电源中堆积的热量将迅速增加，轻的导致电源内部温度升高，使功率器件、控制器件、电阻电容等电子元件的工作稳定性降低、老化速度加速，重的将导致整个UPS系统因过温而自保护关机，使负载的供电中断。因此在风扇的设计上应，即必须有冗余的风扇备用，即使有风扇故障损坏也采用冗余方式不会影响到UPS系统的散热。而且风扇属于易损件，长期高速运转老化磨损是不可避免的，因此风扇可带电更换也是十分重要的。只有风扇采用低压直流供电的UPS才能完全实现热插拔功能。

（3）为了提高风扇的寿命和整机的可靠性，进风口安装过滤网，使得风扇在很少灰尘的环境下工作，这不仅将延长风扇寿命，也将提高UPS内部电子部件的可靠性。

3 影响UPS系统可靠性的主要配套设备

UPS配套设备包括蓄电池、输入输出配电及切换系统，它们与UPS电源系统的可靠性休戚相关。

蓄电池是最为重要的配套设备，蓄电池的可靠性取决于自身的品质，同时也取决于UPS电源中的电池管理系统，电池管理系统的检测、充电和自动维护方式往往影响电池寿命的长短。由于蓄电池的在不同倍率下的放电特性不同，而用户负载量又是随时间随机变化的，所以一般UPS产品在测试电池容量的误差率都比较高(20%～30%)，精确测定蓄电池的状态并不容易。目前一种与负载大小无关的，基于电池恒功率放电的蓄电池测试专利技术解决了这一问题。

这一技术的关键是测试蓄电池时功率，确保蓄电池在测试时按设定的恒功率放电，而这一功率与负载大小无关，从而实现了电池状态的精确测定。同时这一测试采用小容量定量放电仅释放电池安时容量，保证了用户对电池充(10%)放电次数过道和放电测试过程中市电突然停电的担忧。然后根据测得的蓄电池状态，启动电池均充功能，确保蓄电池的使用寿命不会应得不到定期活化而显著缩短。

4 UPS并机冗余系统及其可靠性问题

为了进一步提高UPS供电的可靠性，电力调度中心UPS系统应构成冗余系统。

UPS冗余系统通常可分为串联冗余和并联冗余二种，串联冗余系统中的两台UPS，一台带载，另一台处于空载热备用状态，即将空载热备用状态的一台串入另一台带载运行UPS的旁路中。并联UPS冗余系统中的每台处于输出锁相同步状态，各台UPS均分负载。由于并联冗余具有增加带载能力、提高系统可靠性的特点，所以目前并联冗余得到普遍使用。现在调度自动化系统中的服务器都是双电源输入的，采用并联冗余是最合适不过的了，但是系统中还有交换机、数据采集单元、GPS等设备，它们是单电源的设备，所以它们只能用一台UPS电源带载运行，这台UPS出现故障时整个自动化系统同样会出现瘫痪的现象。但是这些单电源设备有它自身的优点：上电后自动运行，不需要认为干预，并且启动时间不长，因此综合考虑我们采用了串联冗余和并联冗余相结合的方式（每台UPS的容量均能承载整个系统的电能供应），接线图如图4所示：

图4 自动化系统电源接线图

由图可知此接线采用两个UPS电源供电，具体工作方式如下：（1）并联冗余方式：此工作方式下UPS1的电源开关1是闭合的，UPS2的电源开关是断开的。UPS1电源带各服务器的一路电源输入及单电源设备，UPS2带各服务器的另一路电源输入，这种接线方式使得两台UPS的负载基本是平衡的，只是正常工作是UPS1的负载略大于UPS2。（2）当UPS2检修或故障时，各服务器仍有一路电源由UPS1提供，不会造成服务器的断电，其他单电源设备仍由UPS1负载。（3）当UPS1检修或故障时，各服务器仍由一路电源由UPS2提供，不会造成服务器的断电，其他单电源设备掉电停运，但这时我们只要将UPS2的电源开关2合上，UPS2电源就会通过自动切换装置将单电源设备切换至UPS2电源负载，这样就会大大缩短系统的故障时间。由于这种工作方式服务器的双电源都有UPS2提供，UPS2的负载相对较大，这时可以将接入UPS1的电源输入断掉，这样就可以减少UPS2的部分负载。

4串联冗余和并联冗余结合的工作方式：UPS1的电源开关1闭合后，系统负荷由两台UPS共同负载。然后再将UPS2的电源开关闭合，由于自动切换装置在UPS1没有掉电的情况下，自动装置不会切换至UPS2电源。这种工作方式就是在UPS1正常时UPS1和UPS2并联冗余，同时UPS2为UPS1的串联冗余电源。当UPS2故障时，只有各服务器的一路电源掉电，单电源设备不会掉电，系统正常运行；当UPS1故障时，自动切换装置动作，将负荷切换至UPS2，UPS2带全部负荷。由于切换时间很短，单电源设备可能不会出现停运现象，即使有设备停运但是也会在极短的时间（一般最常为5分钟）内恢复运行。这样就大大缩短了系统的故障时间，保障系统的稳定运行。