電力自動化系統(tǒng)UPS供電方案可靠性

黃世美 / 中國民航海南空管分局

電力自動化系統(tǒng)UPS供電方案可靠性

黃世美 / 中國民航海南空管分局

近年來，電力自動化系統(tǒng)逐步得到廣泛應(yīng)用。電力UPS電源作為其關(guān)鍵組成，自身的可靠性對電力自動化系統(tǒng)的可靠安全運(yùn)行具有重要影響。本文就UPS供電可靠性展開討論，分析了可靠性相關(guān)指標(biāo)，并給出了提高可靠性的相關(guān)方案，對同行具有一定的借鑒意義。

電力自動化系統(tǒng)；UPS電源；可靠性

改革開放以來，在我國的經(jīng)濟(jì)和科技取飛速發(fā)展的基礎(chǔ)上，計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)等核心設(shè)備的正常運(yùn)行直接關(guān)系到電力自動化系統(tǒng)的可靠、安全和無故障運(yùn)行。UPS（Uninterruptible Power System，不間斷電源）作為一種儲能裝置，能夠提供不間斷的電力，是計算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)可靠運(yùn)行的基礎(chǔ)。故UPS的可靠性對計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有決定性作用。因此，本文將對UPS供電方案的可靠性進(jìn)行探索，通過定量分析尋找UPS供電方案的薄弱環(huán)節(jié)，以便對其進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，確保電力自動化系統(tǒng)能夠可靠地運(yùn)行。

一、電力UPS供電系統(tǒng)

電力UPS一般與電力直流操作電源系統(tǒng)一起組成專用不間斷電源，實現(xiàn)220V或110V直流電逆變?yōu)?20V或380V的50Hz的正弦波輸出，為微機(jī)、調(diào)度通信系統(tǒng)、載波、事故照明、監(jiān)控系統(tǒng)等不能停電的設(shè)備提供不間斷供電。

電力UPS系統(tǒng)作為電力自動化系統(tǒng)的核心組成，主要包括UPS主機(jī)柜、旁路穩(wěn)壓柜和輸出饋線柜等三部分，當(dāng)對UPS的功率需求較小時，可以將這三部分組成合成一部分。UPS主機(jī)柜包含了變壓器、整流器、逆變器、旁路開關(guān)等；旁路穩(wěn)壓柜實現(xiàn)隔離功能，包括旁路隔離變壓器、旁路穩(wěn)壓器和手動/旁路維修開關(guān)等；饋線柜也稱為配線柜，由回路分配單元、控制開關(guān)及信號指示等組成；

當(dāng)電力自動化系統(tǒng)正常運(yùn)行時，電力UPS電源儲能裝置將開始充電，并通過穩(wěn)壓器實現(xiàn)穩(wěn)壓功能，以便電力自動化系統(tǒng)所需要的電壓更加穩(wěn)定。當(dāng)電力自動化系統(tǒng)供電出現(xiàn)故障時，電力UPS將作為后備供電提供者為電力自動化系統(tǒng)提供穩(wěn)定的電能，使得電力自動化系統(tǒng)能夠繼續(xù)正常工作，避免了停電事故的發(fā)生。

二、可靠性分析指標(biāo)

UPS電源作為電力自動化系統(tǒng)的組成，其硬件組成仍為電子元器件，所以本質(zhì)上是電子設(shè)備。因此，對UPS電源的可靠性分析可以參照電子設(shè)備或配電網(wǎng)的可靠性指標(biāo)。本文根據(jù)UPS電源的特點(diǎn)選用的可靠性指標(biāo)包括以下5個。

1.平均無故障時間（Mean Time Between Failures，MTBF），指的是電力自動化系統(tǒng)在規(guī)定的工作條件下和預(yù)定的工作時間內(nèi)持續(xù)正確運(yùn)行的時間。

2.平均修復(fù)時間（Mean Time To Repair，MTTR），指的是系統(tǒng)發(fā)生故障后恢復(fù)正常工作所需要的時間。

3.失效頻率，指的是系統(tǒng)長期運(yùn)行中單位時間內(nèi)出現(xiàn)故障而引起負(fù)荷失電次數(shù)的期望值，一般取值為平均無故障時間與平均修復(fù)時間之和的倒數(shù)。

4.供電可用率或者可用性，指的是系統(tǒng)處于正常工作狀態(tài)的穩(wěn)態(tài)概率，一般取值為平均無故障時間與平均無故障時間同平均修復(fù)時間之和的比值。

5.失效率，指的是指整個系統(tǒng)無故障運(yùn)行到某個時間t后，在后續(xù)Δt時間內(nèi)可能出現(xiàn)故障的概率，一般取Δt與概率之積的倒數(shù)的極限值。

確定了指標(biāo)之后，需要確定如何進(jìn)行指標(biāo)的求解。目前，求解定量指標(biāo)的基本方法主要有兩種，一種是解析法，另外一種是模擬法。這兩種方法還處于研究和討論階段，未進(jìn)行廣泛應(yīng)用。由于電力UPS供電系統(tǒng)工作過程與馬爾可夫模型不是嚴(yán)格匹配，所以使用解析法在一定程度上無法得到精確的可靠性指標(biāo)。因此，本文最終選用模擬法來求解電力UPS的可靠性指標(biāo)。

三、UPS供電方案可靠性分析

對UPS供電方案可靠性分析需要對具體的供電系統(tǒng)進(jìn)行分析，為此，本文對一個典型的UPS緊急供電方案進(jìn)行實際的分析。該電力UPS供電系統(tǒng)由13個模塊組成，分別為市電模塊U、發(fā)電機(jī)模塊G、輸入母線模塊BI、輸出母線模塊BO、自動轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊ATS、靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊STS、蓄電池組模塊BM、監(jiān)控電路模塊MM、充電模塊CM、濾波電路模塊FM、整流電路模塊RM、逆變電路模塊IM等。輸入部分分為兩路，一路是市電模塊，另一路是發(fā)電機(jī)模塊。

3.1 蓄電池組可靠性

蓄電池組模塊BM是UPS供電系統(tǒng)的核心模塊之一，工作時包括正常狀態(tài)、放電狀態(tài)、失電狀態(tài)、故障狀態(tài)和檢修狀態(tài)等5個狀態(tài)。正常狀態(tài)又包括充電狀態(tài)或者浮充狀態(tài)。通過分析發(fā)現(xiàn)蓄電池組的平均無故障工作時間和故障平均修復(fù)時間服從指數(shù)分布。因此，我們采用逆變法獲取蓄電池組平均無故障工作時間和故障平均修復(fù)時間的抽樣值。然后根據(jù)蓄電池組的工作特性得到蓄電池組的電池實時容量與充放電時間的關(guān)系。蓄電池組由放電狀態(tài)到失電狀態(tài)的時間就是蓄電池組的實時容量除以恒定放電電流。

3.2 發(fā)電機(jī)可靠性

發(fā)電機(jī)是UPS的輸入，對UPS進(jìn)行充能。發(fā)電機(jī)的狀態(tài)包括3個，正常狀態(tài)、故障狀態(tài)和檢修狀態(tài)，其平均無故障時間和平均修復(fù)時間也滿足指數(shù)分布。故仍采用逆變法進(jìn)行分析。經(jīng)分析可知平均無故障時間等于發(fā)電機(jī)故障率的倒數(shù)與指數(shù)之積的負(fù)數(shù)，平均修復(fù)時間等于發(fā)電機(jī)修復(fù)率的倒數(shù)與指數(shù)之積的負(fù)數(shù)。檢修時間為一常數(shù)。另外，其它模塊的可靠性類似，不再贅述。

3.3 可靠性指標(biāo)求解和分析

根據(jù)上述的可靠性分析，整個供電系統(tǒng)的狀態(tài)就由上述13個模塊的狀態(tài)決定。因此，利用模擬法進(jìn)行系統(tǒng)可靠性評估時，要考慮系統(tǒng)的蓄電池組容量、故障檢修、模塊故障等，不斷對這些模塊的狀態(tài)變化進(jìn)行時間抽樣，找到系統(tǒng)狀態(tài)改變的最小時刻，然后模擬時鐘將時間推進(jìn)到最小時刻，獲取對狀態(tài)變化產(chǎn)生影響的元件。

根據(jù)上述分析，對于本文討論的UPS供電系統(tǒng)，其蓄電池組容量大小為485A·h、恒定充電電流為0.1kA、恒定放電電流為1kA，發(fā)電機(jī)的檢修周期為1年，檢修時間為8小時，蓄電池組的檢修周期為半年、檢修時間也是8小時。在這些條件的基礎(chǔ)上，通過模擬仿真可以計算得到UPS供電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)取值。因此，對于本供電方案，對系統(tǒng)可靠性影響最大的模塊主要有輸入母線模塊BI、輸出母線模塊BO和自動轉(zhuǎn)換開關(guān)模塊ATS，對UPS自身影響最大的模塊則為蓄電池組模塊BM。

故要加強(qiáng)供電系統(tǒng)的可靠性，可以選擇輸入輸出雙母線并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)、提升電池的容量、雙UPS并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)或者發(fā)電機(jī)雙機(jī)并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)等來實現(xiàn)。其中雙母線并聯(lián)冗余結(jié)構(gòu)是優(yōu)先方案。

四、結(jié)束語

綜上，UPS電源的可靠性對電力自動化系統(tǒng)是極其重要的。本文給出了求解UPS系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)的方法，并針對具體實例進(jìn)行討論和分析，給出了一些提高可靠性的方案，具有一定的應(yīng)用價值。

[1]張明達(dá).UPS 電源在電力自動化系統(tǒng)中的運(yùn)用[J].黑龍江科技信息,2016(28): 103.

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