电力自动化系统UPS供电方案可靠性

2017-12-23黄世美中国民航海南空管分局

大陆桥视野 2017年22期

关键词：蓄电池电源可靠性

黄世美 / 中国民航海南空管分局

电力自动化系统UPS供电方案可靠性

黄世美 / 中国民航海南空管分局

近年来，电力自动化系统逐步得到广泛应用。电力UPS电源作为其关键组成，自身的可靠性对电力自动化系统的可靠安全运行具有重要影响。本文就UPS供电可靠性展开讨论，分析了可靠性相关指标，并给出了提高可靠性的相关方案，对同行具有一定的借鉴意义。

电力自动化系统；UPS电源；可靠性

改革开放以来，在我国的经济和科技取飞速发展的基础上，计算机、网络等核心设备的正常运行直接关系到电力自动化系统的可靠、安全和无故障运行。UPS（Uninterruptible Power System，不间断电源）作为一种储能装置，能够提供不间断的电力，是计算机、网络系统可靠运行的基础。故UPS的可靠性对计算机网络系统具有决定性作用。因此，本文将对UPS供电方案的可靠性进行探索，通过定量分析寻找UPS供电方案的薄弱环节，以便对其进行优化改进，确保电力自动化系统能够可靠地运行。

一、电力UPS供电系统

电力UPS一般与电力直流操作电源系统一起组成专用不间断电源，实现220V或110V直流电逆变为220V或380V的50Hz的正弦波输出，为微机、调度通信系统、载波、事故照明、监控系统等不能停电的设备提供不间断供电。

电力UPS系统作为电力自动化系统的核心组成，主要包括UPS主机柜、旁路稳压柜和输出馈线柜等三部分，当对UPS的功率需求较小时，可以将这三部分组成合成一部分。UPS主机柜包含了变压器、整流器、逆变器、旁路开关等；旁路稳压柜实现隔离功能，包括旁路隔离变压器、旁路稳压器和手动/旁路维修开关等；馈线柜也称为配线柜，由回路分配单元、控制开关及信号指示等组成；

当电力自动化系统正常运行时，电力UPS电源储能装置将开始充电，并通过稳压器实现稳压功能，以便电力自动化系统所需要的电压更加稳定。当电力自动化系统供电出现故障时，电力UPS将作为后备供电提供者为电力自动化系统提供稳定的电能，使得电力自动化系统能够继续正常工作，避免了停电事故的发生。

二、可靠性分析指标

UPS电源作为电力自动化系统的组成，其硬件组成仍为电子元器件，所以本质上是电子设备。因此，对UPS电源的可靠性分析可以参照电子设备或配电网的可靠性指标。本文根据UPS电源的特点选用的可靠性指标包括以下5个。

1.平均无故障时间（Mean Time Between Failures，MTBF），指的是电力自动化系统在规定的工作条件下和预定的工作时间内持续正确运行的时间。

2.平均修复时间（Mean Time To Repair，MTTR），指的是系统发生故障后恢复正常工作所需要的时间。

3.失效频率，指的是系统长期运行中单位时间内出现故障而引起负荷失电次数的期望值，一般取值为平均无故障时间与平均修复时间之和的倒数。

4.供电可用率或者可用性，指的是系统处于正常工作状态的稳态概率，一般取值为平均无故障时间与平均无故障时间同平均修复时间之和的比值。

5.失效率，指的是指整个系统无故障运行到某个时间t后，在后续Δt时间内可能出现故障的概率，一般取Δt与概率之积的倒数的极限值。

确定了指标之后，需要确定如何进行指标的求解。目前，求解定量指标的基本方法主要有两种，一种是解析法，另外一种是模拟法。这两种方法还处于研究和讨论阶段，未进行广泛应用。由于电力UPS供电系统工作过程与马尔可夫模型不是严格匹配，所以使用解析法在一定程度上无法得到精确的可靠性指标。因此，本文最终选用模拟法来求解电力UPS的可靠性指标。

三、UPS供电方案可靠性分析

对UPS供电方案可靠性分析需要对具体的供电系统进行分析，为此，本文对一个典型的UPS紧急供电方案进行实际的分析。该电力UPS供电系统由13个模块组成，分别为市电模块U、发电机模块G、输入母线模块BI、输出母线模块BO、自动转换开关模块ATS、静态转换开关模块STS、蓄电池组模块BM、监控电路模块MM、充电模块CM、滤波电路模块FM、整流电路模块RM、逆变电路模块IM等。输入部分分为两路，一路是市电模块，另一路是发电机模块。

3.1 蓄电池组可靠性

蓄电池组模块BM是UPS供电系统的核心模块之一，工作时包括正常状态、放电状态、失电状态、故障状态和检修状态等5个状态。正常状态又包括充电状态或者浮充状态。通过分析发现蓄电池组的平均无故障工作时间和故障平均修复时间服从指数分布。因此，我们采用逆变法获取蓄电池组平均无故障工作时间和故障平均修复时间的抽样值。然后根据蓄电池组的工作特性得到蓄电池组的电池实时容量与充放电时间的关系。蓄电池组由放电状态到失电状态的时间就是蓄电池组的实时容量除以恒定放电电流。

3.2 发电机可靠性

发电机是UPS的输入，对UPS进行充能。发电机的状态包括3个，正常状态、故障状态和检修状态，其平均无故障时间和平均修复时间也满足指数分布。故仍采用逆变法进行分析。经分析可知平均无故障时间等于发电机故障率的倒数与指数之积的负数，平均修复时间等于发电机修复率的倒数与指数之积的负数。检修时间为一常数。另外，其它模块的可靠性类似，不再赘述。

3.3 可靠性指标求解和分析

根据上述的可靠性分析，整个供电系统的状态就由上述13个模块的状态决定。因此，利用模拟法进行系统可靠性评估时，要考虑系统的蓄电池组容量、故障检修、模块故障等，不断对这些模块的状态变化进行时间抽样，找到系统状态改变的最小时刻，然后模拟时钟将时间推进到最小时刻，获取对状态变化产生影响的元件。

根据上述分析，对于本文讨论的UPS供电系统，其蓄电池组容量大小为485A·h、恒定充电电流为0.1kA、恒定放电电流为1kA，发电机的检修周期为1年，检修时间为8小时，蓄电池组的检修周期为半年、检修时间也是8小时。在这些条件的基础上，通过模拟仿真可以计算得到UPS供电系统的可靠性指标取值。因此，对于本供电方案，对系统可靠性影响最大的模块主要有输入母线模块BI、输出母线模块BO和自动转换开关模块ATS，对UPS自身影响最大的模块则为蓄电池组模块BM。

故要加强供电系统的可靠性，可以选择输入输出双母线并联冗余结构、提升电池的容量、双UPS并联冗余结构或者发电机双机并联冗余结构等来实现。其中双母线并联冗余结构是优先方案。