电力自动化系统中UPS 供电方案的可靠性分析

宋 健

（吉林省国建工程咨询有限公司，吉林 长春 130062）

0 引 言

随着计算机、网络通信及信息技术的快速发展，电力系统的二次设备已经步入数字化与网络化新时代，形成了众多自动化控制系统，其核心依赖于计算机网络系统的稳定运行。计算机网络系统故障直接威胁一次电力系统的稳定性，增加了整个电力系统发生停电的可能性。基于此，不间断电源（Uninterrupted Power Supply，UPS）作为确保计算机网络系统连续稳定运行的关键支撑，其可靠性的定量评价变得尤为重要。

1 供电方式分类

目前实施的UPS 供电方案大致可分为3 种（如表1 所示），这些模式根据特定的应用需求，形成更有效、更完善的供电控制方案，从而确保供电的连续性和合理性[1]。

表1 UPS 供电方案

1.1.1 单机在线

单机在线模式是一种常见的供电方式，具有操作简便、硬件配置成本低以及在满负荷工作条件下效率高等优点。在此模式下，UPS 在正常工作状态时，系统以蓄电池充电并同时向负载供电。这种供电方式的可用性高于市电，但存在一定的局限性[2]。若母线或UPS本身发生故障，则将导致电力系统停止运行，影响其可靠性。

1.1.2 双机备用

双机备用模式在UPS 中部署2 套设备，以共同负责负载供电，增强电力自动化系统的可靠性[3]。正常状态下，母线与双UPS 共同供电；母线故障时，UPS 独立供电；单UPS 故障时，另一套接替供电，保障供电连续性。此模式适用于要求高可靠性的大型系统，虽然提高了冗余和可用性，但成本高、结构复杂，增加了维护需求。

1.1.3 多机并联

多机并联模式通过并行连接多个UPS 单元，增强大型机构电力供应的可靠性[4]。尽管其结构复杂且成本和维护需求较高，但可以通过初级并联、高级并联及分布式并联等配置，针对不同应用场景提供定制化解决方案。其中，UPS 分布式关联运行模式如图1 所示，适用于需要多独立供电路径的双电源负载，提供从服务入口起的冗余路径，优化同步维护，从而提升系统可靠性。然而，该模式依赖大量开关，尤其是静态转换开关（Static Transfer Switch，STS），增加了配置复杂度。

图1 UPS 分布式关联运行模式

2 UPS 的可靠性因素

2.1 UPS 装置电源

直流屏作为UPS 的核心动力源，在电力自动化系统中起着至关重要的作用，为UPS 的连续稳定运作提供关键支撑[5]。UPS 装置依赖直流屏来获得电能，且直流屏的能量存储容量直接影响UPS 能够提供备用电源的持续时间，如具有较大存储容量的直流屏能够在电源中断的情况下，延长自动化系统的不间断供电能力。

2.2 系统结构

目前，广泛应用的UPS 装置通常配备水泵、风机及控制系统等硬件组件，通过优化其结构设计，使得UPS 供电方案具备更高的功率和更好的稳定性。这种改进不仅解决了传统UPS 供电方案中存在的功率低和故障率高等问题，还增强了电力自动化系统的可靠性和持续性，从而提升整个系统的性能表现。

2.3 继电保护

UPS 的核心部件之一为主机逆变器，其在电源方案的实施过程中发挥着至关重要的作用。逆变器主要负责对微弱电流的有效削减，进而为电力网络提供稳健的电源支持。特别是面对电力网络电压不稳定的情形（无论电压过高还是过低），逆变器的继电保护机制能够有效调节系统内部的电压平衡，防止潜在故障的发生。此功能不仅增强了系统的稳定性，还确保了电力供应的连续性和安全性。

3 电力自动化系统UPS 装置的可靠性分析

随着我国科技的快速进步，对于UPS 设备的需求不仅仅停留在基本功能上，而是朝向自动化和智能化的方向发展[6]。电力行业面临着与技术进步同步发展的挑战，必须具备前瞻性的发展观念，综合考虑UPS 设计的关键点，并深入分析其可靠性，以确保电力供应的不间断、可靠性及稳定性。

首先，UPS 与直流屏协同工作构成了专用的UPS解决方案，其中直流屏负责对蓄电池组进行充电并向直流负载供电。在多个模块电路的配合下，UPS 能够确保在充足的电能供应下，内部装置持续稳定运行。直流屏作为确保蓄电池组持续供电的关键部件，对于延长UPS 设备的应用寿命和保证其正常运行功能具有重要影响。

其次，蓄电池组是UPS 关键模块，其性能分析显示，蓄电池的故障修复时间与无故障工作时间服从指数分布，工作状态涵盖故障、正常及失电等情况。通过详细收集蓄电池组工作参数和统计故障修复时间，揭示充放电周期与实时容量的关系，实现对蓄电池不同状态下性能的精确评估。通过实时容量与恒定放电电流比值的对比，有效识别蓄电池组工作状况。

再次，为确保UPS 的高效运行，必须深入了解发电机对UPS 的供电机制及其重要性[7]。采用逆变分析方法，统计分析发电机的无故障运行时间，以此来评估发电机的故障发生频率，并探究发电机故障率与修复效率之间的数学关系。通过这种关系，可以使用数学模型来判断检修周期的合理性，并通过发电机性能评估，确保其在UPS 内的正常运作。在UPS 设备的多个工作模块中，通过这种分析方法能够有效监控各模块的运行状况，基于模块稳定性的综合分析，及时识别和定位系统内部的潜在问题，从而集中管理和修复故障风险点，保障UPS 的整体稳定性和可靠性。

最后，设计UPS 供电方案是一个复杂且关键的过程，要求从多维度进行细致分析。必须充分理解UPS 装置的功能特性，并对供电系统进行全面的状态监测。UPS 内部由多个关键模块组成，包括滤波器、整流器、充电器、逆变器、自动切换开关、监控系统及蓄电池组等。在设计供电方案时，综合评估和预测这些模块的运行状态至关重要，包括分析各模块的工作参数，考虑蓄电池组的故障诊断与修复，以及其他模块的故障处理和调整工作。

4 电力自动化系统UPS 供电方案可靠性策略

4.1 注重UPS 日常维修和定期检修

在电力自动化系统中，UPS 是关键设备，能够保障供电的连续性和稳定性[8]。为维持UPS 设备的高效运行，必须对其进行定期的维护和检修。这包括测算元器件的工作时间，根据使用寿命制定检修计划，以减少故障发生频率并延长设备使用寿命。通过这种方式，可以间接提升企业的经济效益。在UPS 的应用过程中，运维工作对于掌握其运行状况至关重要。设备运行一段时间后，内部会积累灰尘，若不及时清理，可能导致元件故障。因此，定期的清洁和检修是必要的。此外，制定检修方案，并按照流程逐步排查设备内部元件，可以有效提升故障检修速度，确保系统的可靠性和稳定性。通过这种科学系统的排查流程，可以有效提升UPS 设备的运行效率和可靠性，保障电力自动化系统的稳定运行。

4.2 有效运用双机并联冗余方案，促使系统可靠性提升

双机并联冗余的UPS 供电方案旨在通过使用2 台UPS 和母线来共同支撑系统的负载运行，提高UPS 供电的可靠性[9]。在此设置中，当系统中的任意一台UPS 出现故障时，另一台UPS 将接管电力系统的负载运行。若2 台UPS 同时故障，母线将自动承担起负载供电的责任。此外，不定期检测UPS 装置，以实时监控其运行状况。通过配备双机备用供电，有效防止任何单一元件的故障对负载运行产生影响，从而显著提高系统的运行可靠性，并确保模块发生故障时，冗余容量能够维持在线负载运行。

4.3 设计多机并联的供电方案，保障系统可靠性

多机并联技术在大型机构中被广泛应用，以确保内部电力系统的持续供电。该技术通过将多个UPS以并联方式连接，实现负载的共享供电，从而增强供电的稳定性[10]。此外，多机并联的供电模式在日常维护中显示出便利性，在出现故障时，可以快速替换故障设备以保持不间断供电，从而进行故障修复。多机并联供电还支持双电源负载或多条独立电路，有助于降低后期负载转换时的能量损耗，并简化系统配置，从而提高整体运行的可靠性。

5 结 论

在实施电力自动化系统的UPS 供电方案时，应从实际情况出发，确保系统能够持续、稳定供电。因此，要详细分析UPS在电力自动化环境下的工作性能，以保障其能够提供稳定、可靠的电力支持。此外，深入探讨双机并联和多机并联UPS 的应用效果，以评估其在实际应用中的表现。在方案实施后期，应加强对系统性能的监测和分析，以便在发现运行问题时，能够及时优化和调整结构，从而进一步增强UPS 的运行可靠性。