智能离线式维修电源系统的研究与设计*

郭志强，戴宏跃，闫思玲，廖 慧

（1.北京地铁运营有限公司供电分公司，北京 100044；2.广州科技贸易职业学院智能制造学院，广州 511442;3.广东创电科技有限公司，广东佛山 528299）

0 引言

随着我国城市化步伐的加快，城市交通变得越来越拥堵，为缓解城市的交通压力，全国各大城市都在大力发展地铁轨道交通[1]。作为地铁电力稳定供应的安全保障，不间断电源（简称UPS）的稳定可靠运行显得至关重要，由于地铁轨道交通特殊的运行环境，对UPS的稳定运行提出了挑战。首先是机房的温度高，信号设备绝大多数属于高发热量的电子类设备；机房的热量向外排放困难，造成热量积聚。另一方面，轨道交通运行环境灰尘大，相关设备灰尘堆积情况严重，灰尘颗粒复杂，灰尘中含金属颗粒、导电粉尘含量非常高，沾黏性强。第三，轨道交通运行环境中震动大，容易对UPS的结构产生影响。

高温容易造成UPS电源电子元器件的老化速度加快，导致元器件突发性故障的可能性增大[2]；灰尘容易造成UPS的绝缘间隙变小，导致绝缘性能下降而引发爬电或短路，同时灰尘也会造成电子元器件散热不通畅，影响元器件的寿命；震动容易导致UPS内部部件的松动甚至脱落，影响UPS正常与运行。

由此可见，轨道交通的恶劣运行环境，对UPS电源的可靠性与易维护性提出了更高的要求，必须重点考虑其运行环境，除了在设计方案上提出更高的要求外，重点要考虑UPS电源的维护维修便捷、高效。

另一方面，轨道交通低压供电系统复杂，其中的通信、信号、综合监控、防灾报警、设备监控、AFC等系统的供电通常为一级负荷[3]，均需要由UPS供电。在实际应用中，尚存在不少问题：因设备结构复杂令维修部门难以实施日常维护保养工作；因设备的智能化监控水平低，令维修部门难以提前发现质量隐患；因设备的维修专业技能要求高，令设备维修工作只能依赖厂家。轨道交通运营时间长，可利用检修时间短等客观因素的存在，使维修变的更加困难，需要重点关注如何提高设备的智能化监控水平、维修效率与质量，保障地铁相关设施的供电安全，但是当前的轨道交通UPS电源设备的结构、智能化水平、维修方式等都存在很大的局限性，不利于维修工作的开展，具体如下。

（1）UPS电源结构设计复杂

既有UPS电源的内部电气连接纵横交错，主要功能性部件（功率元器件、线路板等）拆装步骤繁琐复杂，对维护维修工作造成极大的障碍。

（2）智能化监控水平较低

既有UPS智能化方面仅能实现故障信息监测，技术相对落后，无法实现主要功能部件的性能参数监测，维修部门难以了解主要功能部件的健康状态，设备故障前了解不到任何征兆，发生故障后也难以短时间内修复。

（3）维修方式局限性大

既有UPS电源维护维修存在很大局限性：只能晚上停运后现场进行维修，且对维修人员专业水平要求较高。与轨道交通快速、安全维修要求不适应，日常维护维修严重依赖厂家支持，且作业风险很大。

基于上述原因，针对地铁轨道交通的运行环境，本文特提出一种智能离线式维修电源系统，通过智能化、模块化设计，基于大数据的分析，实现UPS电源的离线维修、自主维修，提高维修效率。

1 系统设计原理与组成

智能离线式维修电源系统基于系统实时采集UPS电源系统的相关数据作为依据，根据这些数据，自动判断系统的健康状况，及时进行判断与分析，实现电源系统的智能监测与预警，基于此，本文提出的智能离线式维修电源系统总体设计框架，如图1所示，包括数据采集、数据分析处理、信息显示等模块，其中数据采集内容包括UPS电源主机数据、环境数据、电池数据等。主机数据包括主机的电流、电压、频率等输入数据，整流器的电流、电压、频率等输入输出数据以及工作温度数据，逆变器的电流、电压、频率输入输出数据以及工作温度数据，UPS静态开关的电流、电压、频率输入输出数据以及工作温度数据。环境数据主要包括UPS工作的环境温度、湿度等影响UPS工作的相关数据。电池数据主要包括电池的电流、电压、温度等相关数据。

图1 智能离线式维修电源系统的总体设计框架

2 系统重要模块设计

从图1所示的智能离线式维修电源系统的总体设计框架可以看出，系统主要设计内容包括数据的采集、数据的分析与处理。因此要实现的关键技术内容：数据采集点设计；数据采集电路设计；对采集数据的分析处理，实现对系统健康状态的判断等内容。

2.1 数据采集

2.1.1 数据采集点设计

（1）电源主机数据采集点设计

图2所示为UPS的基本原理框图，智能离线式维修电源系统UPS主机的关键数据采集点设置如图中圆圈数字标识。其中点是对输入信息的采集点；点①是对整流器输入信息的采集；点②是整流器输出信息的采集点；点③是电池信息的采集点；点④是逆变器输入信号的采集点；点⑤为逆变器输出信号的采集点；点⑥与点⑦是静态开关输入数据的采集点；点⑦同时也是旁路信息的采集点；点⑧是静态开关输出信号的采集点。

图2 UPS数据采集点

（2）UPS环境采集点设计

UPS环境数据的采集点主要设计在UPS工作附近，包括主机、蓄电池附近，主要是采集UPS电源工作的环境数据，包括温度、湿度等信息，如果这些数据不满足UPS电源工作的要求，及时向系统报警，提示采取相应的措施，以保护UPS电源设备的安全。

（3）蓄电池数据采集点设计

蓄电池数据的采集点如图3所示，分布在每节电池上，采集模块连接在电池的两端，电池监测模块与采集模块通过无线传输信息，实时监测每节电池的电压、电流和温度，还能测算出电池的内阻、容量等。无线传输能避免有线传输存在的电池系统短路隐患。

图3 蓄电池数据采集

2.1.2 数据采集电路设计

图2所示为智能离线式维修电源系统主机关键数据的采集点，具体的采集技术通过图4所示的采集电路对每个采集点的三相电压∕电流的瞬时值进行连续采样，通过对连续采样的瞬时值进行计算，可得到每个位置的电压∕电流、相序及相位角，从而实现相位的判断，并能得到相应的电压、电流幅值等信息。图中，J0~J5为六路采样输入，通过74HC4051D的9、10、11引脚进行选择具体哪一路。

图4 采样电路原理

具体电路板的采样点设置主要包括整流控制板、电源板，逆变控制板、电源板，而电解电容的数据采样点分别设置在电容的输入、输出引脚上，变压器的温度测试点设置在变压器铁心附近，散热器与风扇的相关数据可以直接读取其附带的温度传感器的信息。开关则可以读取开关干接点信号，获取开关闭合次数。

电池数据的采集通过专门的采集模块实现，对每个单体电池的电压、温度、内阻进行测量获取相关采用数据，然后以无线的方式上传至电池集中检测模块，电池检测模块则与网络相连，通过电脑的专用应用程序或者手机专用App对每节电池数据进行监控。

本文重点介绍整流模块与逆变模块板级采集点的设置，具体设置如下。

（1）整流模块采集点设置

整流模块采集点包括整流控制板采集点与整流电源板采集点的设置。

整流控制板设置5个数据采集点：输入三相电压参考点，检测参考点，判断输入三相电压采样值是否正常；控制板电源参考点，检测参考点，判断控制板的工作电源是否正常；主控芯片参考点，主控芯片正常工作时，会间隔1 s转换一下信号，当信号一直不变时，可以判断主控芯片出现了问题；输出直流电压参考点，检测参考点，能判断输出直流电压的采样值是否正常；输出直流电流参考点，检测参考点，能判断输出直流电流的采样值是否正常。

整流电源板设置2个数据采集点：输入三相电压参考点，检测参考点，判断输入三相电压采样值是否正常；输出电压参考点，检测参考点，判断输出电压是否正常。

（2）逆变模块采集点设置

同样地，逆变模块采集点包括逆变控制板采集点与逆变电源板采集点的设置。

逆变控制板设置6个数据采集点：输入直流电压参考点，检测参考点，判断输入的直流电压是否正常；主控芯片参考点，主控芯片正常工作时，会间隔1 s转换一下信号，当信号一直不变时，可以判断主控芯片出现了问题；输出电压参考点，检测参考点，能判断输出电压是否正常；控制板电源参考点，检测参考点，判断控制板的工作电源是否正常；并机通信线是否连接的参考点，检测参考点，能判断并机线是否正常；载频测试点，发出信号，检测此测试点，能判断逆变输出的载频是否正常。

逆变电源板设置2个数据采集点：输入三相电压参考点，检测参考点，判断输入三相电压采样值是否正常；输出电压参考点，检测参考点，判断输出电压是否正常。

2.2 系统健康状态的判断

根据前面采集到的相关数据，并对这些采集数据进行分析处理，实现对UPS电源系统的健康状况进行判断。组成UPS电源的器件基本上可以分为电阻、电容、二极管、功率器件（IGBT或者MOS管）、电感和变压器、电流传感器、IC、光耦、继电器等。电阻、贴片电容和瓷片电容的使用寿命一般都可以达到20年以上，电感和变压器在设计时，只要不超过其材料温度，理论上认为是可以长期工作而不失效的；小功率的二极管，三极管基本可以工作10万h以上；继电器的机械寿命一般在100万次以上，电气寿命大于1万次；风扇和保险丝属于易损元器件，对逆变器寿命不会造成影响，发生故障只需及时更换就可以。

温度对IGBT与电解电容的影响很大，属于UPS寿命的短板，根据木桶理论，UPS中IGBT与电解电容的寿命，决定了整个UPS的寿命，因此需要重点关注。

2.2.1 IGBT健康状态判断

（1）温度对IGBT健康的影响

影响IGBT健康状况的因素很多，其中温度对IGBT的影响很大[4]。因为IGBT模块的结构通常是用不同材料封装在一起的多层结构，由于不同材料的受热膨胀系数的不同，这些材料会受到不同程度的应力。这种应力将首先破坏模块结构中的连接部分，比如结构中的焊层、引线和端子焊点等处，进而使整个IGBT模块失效[5]。IGBT工作中，其通态损耗和开关损耗会引起器件结温的上升，而且随着输出功率不同，IGBT的损耗功率也不一样，随着IGBT工作时功率的变化，器件温度也随之变化，不断地经历温度循环变化的过程，这些都会严重影响IGBT的健康。当前，预测IGBT的健康状况的方法有很多，一般通过加速老化实验获取IGBT工作过程中功率循环试验的数据来建立IGBT模块循环寿命的数学模型[6]，模型的种类也很多，包括Coffin-Manson模型、Lesit模型、Norris-Landzberg模型和Bayerer模型等[7]。其中，Norris-Landzberg模型和Bayerer模型则是基于多变量的寿命预测模型，除结温波动外，基于多变量的寿命预测模型需要考虑的变量更多，情况更复杂[8]。而Coffin-Manson模型、Lesit模型是基于结温的寿命预测模型，其中又以Coffin-Manson模型应用最为广泛[9]，本文采用Coffin-Manson模型来预测IGBT的健康状况。

（2）电压对IGBT健康的影响

IGBT的驱动电压，也会影响IGBT的健康状况，对于IGBT栅极的驱动电压，不仅要保证不能超过击穿电压还要保证有足够的驱动电压，如果栅极驱动电压不足，则IGBT会工作在主动区域，长时间如此，IGBT将产生大量的热损耗，导致损坏，在关断的时候也要保证有足够的负压，负压即能保证尽量完全关断IGBT，也能尽量加快关断速度，还能保证在截止状态下防止IGBT集电极—发射极间出现的dv∕dt噪声引起开关误开通[10]。本文通过实时监测IGBT的工作电压、电流、温度等关键数据，据此来判断IGBT的健康状况。

2.2.2 电解电容健康状况的判断

电解电容寿命在105℃情况下一般在2 000～3 000 h，寿命长的也只有5 000～6 000 h，但是随着每升高10℃寿命则折半[11]，电解电容在UPS中起着不可或缺的作用，它的使用寿命和工作状况与UPS的健康息息相关。所以在UPS电源里面，UPS的最大的短板在电解电容健康方面。

阿列纽斯方程是用来描述化学物质反应速率随温度变化关系的经验公式[12]。电解电容内部是由金属铝等和电解液等化学物质组成的，所以电解电容的寿命与阿列纽斯方程密切相关，阿列纽斯方程公式如下：

式中：k化学反应速率；R为摩尔气体常量；T为热力学温度；Ea为表观活化能；A为频率因子。

根据阿列纽斯方程可知，温度升高，化学反应速率（寿命消耗）增大，一般来说，环境温度每升高10℃，化学反应速率（K值）将增大2～10倍，即电容工作温度每升高10℃，电容寿命减小1倍，电容工作温度每下降10℃，其寿命增加1倍，所以，环境温度是影响电解电容寿命的重要因素。

根据阿列纽斯方程结论可知，电解电容器使用寿命与温度之间的计算公式如下：

式中：L为环境温度为T1时铝电解电容器的使用寿命，H；L0为额定寿命，H；T0为额定最高使用温度，℃；T1为环境温度，℃。

本方案实时采集电容的电压、电流、温度等相关信息，根据预先设定的电解电容寿命，和衰减曲线，使用预设的算法，计算电解电容的剩余寿命，判断电解电容的健康，进而可以判断UPS的健康状况。

2.3 系统自主决策与处理

系统对采集到的相关数据进行智能分析处理，对各种具体情况进行自主决策与处置，实现电源的智能化操作。

如图2所示，点是对输入电压、电流信号进行采集，采集到的数据作为输入情况的判断依据，如果市电输入中断或者输入电压过低、过高，系统及时进行预警，提示输入异常情况，提示对输出进行检修。因为有电池供电补偿，电源仍能输出稳定的电能；点采集到的数据作为整流器输入情况的判断依据，随时可以了解整流器的输入情况；点采集整流器输出电压、电流等相关数据，整流器输出应该是平稳的直流电流，根据点所采集到的数据,系统自动对这些数据进行分析处理、判断整流器的工作质量，如果整流器输出信号异常，及时进行预警、并提示相应的处理措施。点采集到的数据，系统自动分析电池组的输入、输出情况，判断电池组的健康状况，如果数据异常，及时进行预警并提示相应的处理措施；点采集逆变器的输入情况，作为了解逆变器输入情况的依据，如发现异常，及时进行预警、并提示相应的处理措施，点采集逆变器的输出情况，系统自动分析采集到的输出数据，以此判断逆变器的工作状况，如有异常，及时进行相应的预警，并提示相应的处理措施；点与点是静态开关输入数据的采集点，了解静态开关的输入情况，点采集旁路信息，对旁路的输入进行监控，发现异常，及时预警，并提示相应的处置措施；点是整个智能离线式维修电源系统输出情况的信息采集点，以此判断整个系统的工作情况，如有异常，及时进行预警并提示相应的处理措施。

上述信息主要是从电压、电流方面进行预警，当某监测点的电流、电压在允许的范围内，认为电源系统工作正常，系统健康。当某监测点的电流、电压出现严重偏差，超出允许的最大范围，认为异常，发出声光报警，并将故障信息传送到控制中心。同时，显示监控屏提示具体哪路电源出现了故障，进行相应的处理。

以IGBT和电解电容为例，由于IGBT与电解电容对温度敏感，受温度影响最大，关系到整个系统的健康状况，因此，系统重点关注IGBT与电解电容的问题，当前IGBT内部PN结的最高耐温一般为150℃，超过这个温度IGBT会损坏，因此必须要对IGBT的温度进行严格的控制，除了添加散热片及采取主动散热措施以外，还要进行过热关断保护，即温度超过警戒值便停止电源的工作。由于150℃是IGBT内部的温度，因此警戒温度的阀值要充分考虑到热传导的损失来留出合适的裕量。根据设计经验，通常把预警温度设定在75℃，超过设计设定值，就进行预警。电解电容的标识最高工作温度一般是105℃，超过这个温度，严重影响电解电容的寿命，进而影响UPS的寿命。根据设计经验，通常把预警温度设定在75℃，超过设计设定值，就进行预警。

UPS电源设置预警计时系统，预警信息发出一周后，如维修部门未在规定时间内对预警内容进行有效处置，为了避免UPS电源质量继续下降而发生故障，UPS电源将自主决策进入保护模式，系统供电由逆变状态转入自动旁路状态，UPS电源的主要部件停止工作。

3 实验分析

图5所示为本项目研制的智能离线式维修电源系统外观图，系统正在试验运行中。运行中该电源接最大工作负载，模拟UPS电源碰到各种极限情况：大范围调节UPS电源的输入电压、电流等输入信息；大范围调节整流器、逆变器的电压、电流等输入信息、提升其环境温度至极限工作条件；大范围调节电池的电流、电压、温度等信息，并让其运行一周时间，观察其工作的稳定性，并统计系统输出的相关信息。表1所示为一些典型的运行告警统计数据，这些数据为UPS电源系统的维护维修提供了可靠的参考依据。

图5 运行中的智能离线式维修电源系统

表1 系统运行告警统计数据（部分数据）

4 结束语

本文详细分析了城市地铁轨道交通的特殊的运行环境，针对复杂的UPS电源系统不便于维修的内部结构，当前低下的监控水平，以及轨道交通中运行的UPS电源系统的维修方式的局限性，特设计了智能离线式维修电源系统统技术方案，基于本设计方案研制出相应的样机，在模拟地铁的各种严苛环境下，样机都能按照预期提供相应的警示信息，并能基于方案的模型计算出相应的寿命损失，为UPS的维护维修提供重要的参考依据，相较普通的UPS电源系统，完全靠经验与各种检测来进行维护维修，基于本方案的UPS电源系统，影响UPS健康因素有据可查，维修维护效率大大提高。