核电厂仪控系统UPS并机系统可靠性分析

张崇达

（中核集团三门核电有限公司，浙江 三门 317112）

0 引言

国内目前有数十座运行和在建核电厂，自福岛核事故发生后，当局对核电厂运行的监管要求越来越高。二代半及三代核电厂对数字化仪控系统具有较高的依赖度，一旦仪控系统出现故障，就很可能导致安全性事故的发生，轻则停机停堆，重则损坏机组设备甚至造成人员伤亡。而保证核电仪控系统的安全可靠，首先要保证供电电源的可靠性，所以仪控系统电源的稳定性就显得尤为重要[1]。鉴于此，确保核电厂控制系统的稳定性，首先要提高和保障控制系统电源的稳定性和可靠性。

在现阶段，UPS的性能指标已可以完全满足仪器仪表、服务器、交换机等负载设备的要求，人们更关注的其实是UPS系统的可靠性。供电系统可靠性在概念上包含了设备的可靠性、可管理性和可维护性，可靠性高、便于管理、故障后可快速修复等。下文将通过建立任务可靠性模型的方式对几种并机方式的可靠性进行分析。

从实际出发，消除UPS单机可靠性瓶颈的最佳方式是采用适当的UPS并机方案。现阶段常见的UPS并机方式主要有3种：热备份供电、N+X冗余并机供电，以及双总线供电方案。由于热备份供电存在明显的“主从”特性等缺陷，使用场合较少，本文暂不讨论。下面将通过建立任务可靠性模型的方式对另两种并机方式的可靠性进行分析。

1 主流UPS并机方式

1.1 冗余并机供电（N+X并机）

冗余并机是将两台或多台UPS电源的逆变器模块并联后再输出电能的供电体系，要求每台UPS的逆变器模块由相应的并机主板控制，同时确保每台UPS均分负载电流。

以“1+1”并机冗余供电为例，其拓扑结构如图1。

图1 1+1冗余并机Fig.1 1+1 Parallel operation

冗余并机具有以下特点：

1）冗余并机数量不宜超过3台，并机数量过多一是会导致并网系统中的各UPS长期轻载运行，影响蓄电池的使用寿命；二是并机数大于2台，环流情况趋于复杂，设备之间会互相干扰，同时增加安全隐患；三是采购、搬运、安装成本过高，与大容量单体UPS相比将失去优势；另外，随着并机数目的增加，其综合可靠性将逐渐降低，这一点将在后文具体说明。

2）对锁相、同步、控制策略、均流技术都有很高的要求。第二代分散逻辑控制技术已经基本成熟，可以使两台UPS的输出电压相位差在±5%以内，基本不会影响负荷寿命；更为精确化的第三代无线逆变器并联技术，现在只有少数一线厂商掌握，且尚未成熟，使用方可酌情选用相应的并机策略和产品[2]。

3）“N+X”冗余并机具有超强的过载能力，“1+1”并机系统至少具备50%的单机过载能力，且系统抗过载能力会随N值的增大而进一步增加。这一点是热备用并机所无法比拟的。

1.2 双总线并机方案

双总线UPS供电系统是指由两套独立的“N＋X”UPS冗余并机系统为核心，构成双总线输入/输出的冗余式UPS供电系统。“双总线”是由“N＋X”型UPS冗余供电系统＋输出配电柜＋负载自动切换开关（STS）所组成的UPS系统，一般还需配置负载同步控制器（LBS）。“双总线”由两路互为备用的进线提供总电源，每路电源分别串联有一个“自动切换开关”（ATS）。此外，“两套“N＋X”型并机系统的输出分别连接到两个“负载自动切换开关”（STS）的输入端上，再将负载连接到STS的输出端上。

双总线UPS供电系统消除了可能出现在各种配电线路中由于各种设备、器件、线缆等因素而存在的单点瓶颈故障隐患。因此，当其中一套“N+X”系统不可用时，另一套系统将承担起供电可靠性保障的任务，即使维修过程中出现系统输出中断，也不会引起负载失电[3]。

2 并机可靠性计算

供电系统可靠性在概念上包含了设备的可靠性、可管理性和可维护性。其具体可量化为系统可靠性（Asys）、平均故障间隔时间（MTBF）及系统平均维修时间（MTTR）。下文将通过建立任务可靠性模型的方式对几种并机方式的可靠性进行分析：

以下全部可靠性计算基于如下假设：

1） 各个子系统的故障是相互独立的，即出现故障的子系统不影响其它系统的继续运行。

2）各子系统的可靠性数据由UPS厂家提供，即MTBF1（平均故障间隔时间）、A1（可靠性）均为常量。

3）待分析的UPS并机系统不考虑蓄电池组的可靠性。

根据可靠性理论，系统可靠性A(t)定义为平均无故障时间MTBF与使用总时间的比，使用总时间为MTBF与平均故障恢复时间MTTR的和。其最终表达式为：

由式（1）可以看出，提高系统的可靠性最直观的措施是提高平均故障间隔时间和降低系统故障修复时间。

2.1 冗余并机（N+X并机）

所谓N+X并机即系统在运行状态下，至少要保证N台UPS可用方能满足负荷需求，系统至多允许并机网络中的X台UPS损坏。

下文将利用可靠性模型及概率论知识对N+1并机的可靠性进行论证。

如图2，该系统由N+X个可靠度相同的单元组成逻辑并联结构，冗余度为X，即系统在仅有N个单元正常工作的前提下就可满足要求。每个单元的可靠性为A1，平均故障间隔时间为MTBF1，平均维修时间MTTR1，则整个系统的可靠性、平均故障间隔时间、平均维修时间分别表示为：

图2 冗余并机（N+X）可靠性模型Fig.2 “N+X” reliability model

表1 N+X并机可靠性数据Table 1 “N+X” reliability data

以“4+1”并机为例，对其可靠性的计算过程进行列举。

计算此并机系统的可靠性即计算系统至多有1台UPS故障的概率，该事件A可以分解为两个子事件A1和A2。

◇ A1：5台UPS中有1台故障。

◇ A2：5台UPS全部正常工作。

◇ Asys=A1+A2=C54×0.99994×(1-0.9999)+C55×0.99995=

◇ Asys=0.9999999

对于系统平均维修时间MTTR，可按如下估算：当多台同容量、同规格的UPS冗余并机运行时，各台UPS的可靠性与单台运行时基本相同。但由于系统是冗余的，即系统允许部分（最多X台）UPS宕机而仍能保证供电，故实际上系统发生瘫痪维修的概率非常小。可以认为各子系统的MTBF值并没有变，只不过由于子系统故障后可以脱机修复，即冗余系统的MTTR大幅缩小了[4]。整个系统MTTRsys与子系统的平均维修时间MTTR1、系统的综合可靠性Asys、子系统可靠性A1均有直接联系，即子系统的可靠性越高，其平均维修时间在整个系统的平均维修时间所占比例就越小，因此对于N+X冗余并机系统有：

由式（3）推得，系统平均故障间隔时间为：

根据Benning、Astrid等厂商提供的数据，下列计算所需的UPS单机性能基本参数如下：

根据计算结果，各类并机的可靠性均满足一般仪控设备“6个9”的要求，但“N+1”冗余并机随着N值的增大，可靠性逐渐降低。可以预见的是：若N继续增大，则终有一点并机系统的可靠性会低于UPS单机的可靠性（0.9999）。故在负荷量一定的条件下，N+1并机宜首选用“1+1”并机的方式；若负荷量较大，也要尽可能选择并机台总数少、单机容量大的并机方式。

另外，“N+2”的可靠性整体上达到“8个9”，优于“N+1”“6个9”。但其可靠性与“N”值并不满足线性关系，而是在N=3这一点上出现了一个最大值。即若条件允许，选择3+2的并机方式可以达到“N+2”最高的可靠性要求。但即使对于N+2中可靠性较低的情况，如“7+2”，其可靠性也要比“7+1”并机高两个数量级[5]。

2.2 双总线并联

对于双总线结构来说，其可靠性模型相对于N+1冗余并机增加了ATS（自动转换开关）、STS（静态切换开关）等串联部分，其主要功能是实现总线之间的负荷切换，其可靠性模型如图3。

图3 双总线并联可靠性模型Fig.3 Dual bus UPS network reliability model

根据上文分析，双总线系统一般用于负荷较大的情况，故现以7+1//7+1为例讨论其综合可靠性。

根据两列总线的并联关系，易得

表2进一步列举了双总线并机可靠性随N值的变化趋势，并分别考虑了ATS/STS的可靠性分别为“6个9”和“4个9”时的情况。

表2 双总线并机可靠性Table 2 Dual bus UPS reliability data

由表2可知，“7+1”UPS直接冗余并联的可靠性为“6个9”。对应的双总线系统在增加2对ATS/STS后，在造价大幅增加的前提下，可靠性增加了“5个9”（考虑ATS/STS可靠性为“6个9”），产出/投入比极高；若考虑ATS/STS的可靠性为“4个9”，则双总线系统的可靠性与N+1并机基本持平（7个9），甚至略有下降。由此可见，ATS/STS的可靠性增加“2个9”，双总线综合可靠性增加了“4个9”，其“投入”与“产出”是以指数趋势增长的。通过其可靠性模型的结构也不难得出这一结论：ATS/STS作为双总线可靠性模型的串联部分，属于提升系统可靠性的“单点瓶颈”，其重要性不言而喻。

STS以SCR为核心技术，现阶段SCR是一种技术相当成熟的产品，其可靠性相对于UPS的功率变换模块要高出2个数量级左右（参考GJB/Z299B-98《电子设备可靠性预计手册》）。国产优质SCR的故障率为10-6/h，进口知名品牌的故障率更是可达到10-7/h。ATS作为传统的转换开关，为机械结构，以接触器为切换执行部件，其综合可靠性较STS更高。故ATS/STS的可靠性为“6个9”较符合实际，此时双总线系统的可靠性理论上可以达到“11个9”。

在负荷容量较大，同时可靠性要求较高时，采用冗余并机“N+X”即使选择单体容量较大的UPS，其N值也往往很大（N>7），而N+1冗余并机随着N值的增大可靠性会逐渐降低，这势必将导致Asys<“6个9”的标准。在这种情况下，双总线方案就可满足容量和可靠性的双重要求[5]。

2.3 经济性对比

表3对双总线和一般冗余并机的投资问题进行了对比，采用冗余式双总线400kV·A “2＋1”UPS供电系统的单位功率投资与采用250kV·A“1＋1”冗余并机UPS系统的单位功率投资大体相当，所不同的是采用冗余式双总线方案UPS供电系统的初期投资会较大，但与其提供的高可靠性相比，是相匹配的。

表3 经济性对比分析Table 3 Economy comparison

3 总结

由上述分析，现将两种方式的并机方式总结如下，见表4。

表4 两种方式的并机方式优缺点总结Table 4 Summary of advantages and disadvantages of the two parallel operation modes

现阶段，由于技术成熟、成本较低，“N+1”冗余并机的可靠性已可满足大多数服务器及交换机设备“6个9”的基本要求；在N>7，即系统容量较大（250kVA～400kVA）的情况下，可以采用“N+2”并机方式（3+2并机优先）用以补足可靠性的缺口，同时避免双总线并机过高的投资。对于容量和可靠性均有极端要求的场合，双总线系统的优势将体现出来：在大容量的同时，可保证“10个9”以上的系统可靠性，且单位功率投资与“N+1”相较也不具劣势。

UPS配电系统的配置成本同时也与蓄电池的选型和维护密切相关，蓄电池的选型需要综合以下因素进行综合判断：单体蓄电池可靠性、容量、电压等级、维护方式、重量、安装方式、端子类别等，本文不再赘述。值得注意的是，对于仪控系统所涉及的服务器、交换机等负载，由于负载的发热量较大，在进行厂房及电源设计阶段，需要额外考虑负载所属厂房的空调及通风设备的供电需要由蓄电池作为备用，以防止在常规电源失效的情况下，仪控类负载失去冷媒而造成设备过热损坏甚至火灾。