智能離線式維修電源系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)*

郭志強(qiáng)，戴宏躍，閆思玲，廖 慧

（1.北京地鐵運(yùn)營(yíng)有限公司供電分公司，北京 100044；2.廣州科技貿(mào)易職業(yè)學(xué)院智能制造學(xué)院，廣州 511442;3.廣東創(chuàng)電科技有限公司，廣東佛山 528299）

0 引言

隨著我國(guó)城市化步伐的加快，城市交通變得越來(lái)越擁堵，為緩解城市的交通壓力，全國(guó)各大城市都在大力發(fā)展地鐵軌道交通[1]。作為地鐵電力穩(wěn)定供應(yīng)的安全保障，不間斷電源（簡(jiǎn)稱UPS）的穩(wěn)定可靠運(yùn)行顯得至關(guān)重要，由于地鐵軌道交通特殊的運(yùn)行環(huán)境，對(duì)UPS的穩(wěn)定運(yùn)行提出了挑戰(zhàn)。首先是機(jī)房的溫度高，信號(hào)設(shè)備絕大多數(shù)屬于高發(fā)熱量的電子類(lèi)設(shè)備；機(jī)房的熱量向外排放困難，造成熱量積聚。另一方面，軌道交通運(yùn)行環(huán)境灰塵大，相關(guān)設(shè)備灰塵堆積情況嚴(yán)重，灰塵顆粒復(fù)雜，灰塵中含金屬顆粒、導(dǎo)電粉塵含量非常高，沾黏性強(qiáng)。第三，軌道交通運(yùn)行環(huán)境中震動(dòng)大，容易對(duì)UPS的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。

高溫容易造成UPS電源電子元器件的老化速度加快，導(dǎo)致元器件突發(fā)性故障的可能性增大[2]；灰塵容易造成UPS的絕緣間隙變小，導(dǎo)致絕緣性能下降而引發(fā)爬電或短路，同時(shí)灰塵也會(huì)造成電子元器件散熱不通暢，影響元器件的壽命；震動(dòng)容易導(dǎo)致UPS內(nèi)部部件的松動(dòng)甚至脫落，影響UPS正常與運(yùn)行。

由此可見(jiàn)，軌道交通的惡劣運(yùn)行環(huán)境，對(duì)UPS電源的可靠性與易維護(hù)性提出了更高的要求，必須重點(diǎn)考慮其運(yùn)行環(huán)境，除了在設(shè)計(jì)方案上提出更高的要求外，重點(diǎn)要考慮UPS電源的維護(hù)維修便捷、高效。

另一方面，軌道交通低壓供電系統(tǒng)復(fù)雜，其中的通信、信號(hào)、綜合監(jiān)控、防災(zāi)報(bào)警、設(shè)備監(jiān)控、AFC等系統(tǒng)的供電通常為一級(jí)負(fù)荷[3]，均需要由UPS供電。在實(shí)際應(yīng)用中，尚存在不少問(wèn)題：因設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜令維修部門(mén)難以實(shí)施日常維護(hù)保養(yǎng)工作；因設(shè)備的智能化監(jiān)控水平低，令維修部門(mén)難以提前發(fā)現(xiàn)質(zhì)量隱患；因設(shè)備的維修專業(yè)技能要求高，令設(shè)備維修工作只能依賴廠家。軌道交通運(yùn)營(yíng)時(shí)間長(zhǎng)，可利用檢修時(shí)間短等客觀因素的存在，使維修變的更加困難，需要重點(diǎn)關(guān)注如何提高設(shè)備的智能化監(jiān)控水平、維修效率與質(zhì)量，保障地鐵相關(guān)設(shè)施的供電安全，但是當(dāng)前的軌道交通UPS電源設(shè)備的結(jié)構(gòu)、智能化水平、維修方式等都存在很大的局限性，不利于維修工作的開(kāi)展，具體如下。

（1）UPS電源結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)復(fù)雜

既有UPS電源的內(nèi)部電氣連接縱橫交錯(cuò)，主要功能性部件（功率元器件、線路板等）拆裝步驟繁瑣復(fù)雜，對(duì)維護(hù)維修工作造成極大的障礙。

（2）智能化監(jiān)控水平較低

既有UPS智能化方面僅能實(shí)現(xiàn)故障信息監(jiān)測(cè)，技術(shù)相對(duì)落后，無(wú)法實(shí)現(xiàn)主要功能部件的性能參數(shù)監(jiān)測(cè)，維修部門(mén)難以了解主要功能部件的健康狀態(tài)，設(shè)備故障前了解不到任何征兆，發(fā)生故障后也難以短時(shí)間內(nèi)修復(fù)。

（3）維修方式局限性大

既有UPS電源維護(hù)維修存在很大局限性：只能晚上停運(yùn)后現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行維修，且對(duì)維修人員專業(yè)水平要求較高。與軌道交通快速、安全維修要求不適應(yīng)，日常維護(hù)維修嚴(yán)重依賴廠家支持，且作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)很大。

基于上述原因，針對(duì)地鐵軌道交通的運(yùn)行環(huán)境，本文特提出一種智能離線式維修電源系統(tǒng)，通過(guò)智能化、模塊化設(shè)計(jì)，基于大數(shù)據(jù)的分析，實(shí)現(xiàn)UPS電源的離線維修、自主維修，提高維修效率。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理與組成

智能離線式維修電源系統(tǒng)基于系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集UPS電源系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)作為依據(jù)，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，自動(dòng)判斷系統(tǒng)的健康狀況，及時(shí)進(jìn)行判斷與分析，實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的智能監(jiān)測(cè)與預(yù)警，基于此，本文提出的智能離線式維修電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架，如圖1所示，包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析處理、信息顯示等模塊，其中數(shù)據(jù)采集內(nèi)容包括UPS電源主機(jī)數(shù)據(jù)、環(huán)境數(shù)據(jù)、電池?cái)?shù)據(jù)等。主機(jī)數(shù)據(jù)包括主機(jī)的電流、電壓、頻率等輸入數(shù)據(jù)，整流器的電流、電壓、頻率等輸入輸出數(shù)據(jù)以及工作溫度數(shù)據(jù)，逆變器的電流、電壓、頻率輸入輸出數(shù)據(jù)以及工作溫度數(shù)據(jù)，UPS靜態(tài)開(kāi)關(guān)的電流、電壓、頻率輸入輸出數(shù)據(jù)以及工作溫度數(shù)據(jù)。環(huán)境數(shù)據(jù)主要包括UPS工作的環(huán)境溫度、濕度等影響UPS工作的相關(guān)數(shù)據(jù)。電池?cái)?shù)據(jù)主要包括電池的電流、電壓、溫度等相關(guān)數(shù)據(jù)。

圖1 智能離線式維修電源系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架

2 系統(tǒng)重要模塊設(shè)計(jì)

從圖1所示的智能離線式維修電源系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)框架可以看出，系統(tǒng)主要設(shè)計(jì)內(nèi)容包括數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)的分析與處理。因此要實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)內(nèi)容：數(shù)據(jù)采集點(diǎn)設(shè)計(jì)；數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)；對(duì)采集數(shù)據(jù)的分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)健康狀態(tài)的判斷等內(nèi)容。

2.1 數(shù)據(jù)采集

2.1.1 數(shù)據(jù)采集點(diǎn)設(shè)計(jì)

（1）電源主機(jī)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)設(shè)計(jì)

圖2所示為UPS的基本原理框圖，智能離線式維修電源系統(tǒng)UPS主機(jī)的關(guān)鍵數(shù)據(jù)采集點(diǎn)設(shè)置如圖中圓圈數(shù)字標(biāo)識(shí)。其中點(diǎn)是對(duì)輸入信息的采集點(diǎn)；點(diǎn)①是對(duì)整流器輸入信息的采集；點(diǎn)②是整流器輸出信息的采集點(diǎn)；點(diǎn)③是電池信息的采集點(diǎn)；點(diǎn)④是逆變器輸入信號(hào)的采集點(diǎn)；點(diǎn)⑤為逆變器輸出信號(hào)的采集點(diǎn)；點(diǎn)⑥與點(diǎn)⑦是靜態(tài)開(kāi)關(guān)輸入數(shù)據(jù)的采集點(diǎn)；點(diǎn)⑦同時(shí)也是旁路信息的采集點(diǎn)；點(diǎn)⑧是靜態(tài)開(kāi)關(guān)輸出信號(hào)的采集點(diǎn)。

圖2 UPS數(shù)據(jù)采集點(diǎn)

（2）UPS環(huán)境采集點(diǎn)設(shè)計(jì)

UPS環(huán)境數(shù)據(jù)的采集點(diǎn)主要設(shè)計(jì)在UPS工作附近，包括主機(jī)、蓄電池附近，主要是采集UPS電源工作的環(huán)境數(shù)據(jù)，包括溫度、濕度等信息，如果這些數(shù)據(jù)不滿足UPS電源工作的要求，及時(shí)向系統(tǒng)報(bào)警，提示采取相應(yīng)的措施，以保護(hù)UPS電源設(shè)備的安全。

（3）蓄電池?cái)?shù)據(jù)采集點(diǎn)設(shè)計(jì)

蓄電池?cái)?shù)據(jù)的采集點(diǎn)如圖3所示，分布在每節(jié)電池上，采集模塊連接在電池的兩端，電池監(jiān)測(cè)模塊與采集模塊通過(guò)無(wú)線傳輸信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)每節(jié)電池的電壓、電流和溫度，還能測(cè)算出電池的內(nèi)阻、容量等。無(wú)線傳輸能避免有線傳輸存在的電池系統(tǒng)短路隱患。

圖3 蓄電池?cái)?shù)據(jù)采集

2.1.2 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)

圖2所示為智能離線式維修電源系統(tǒng)主機(jī)關(guān)鍵數(shù)據(jù)的采集點(diǎn)，具體的采集技術(shù)通過(guò)圖4所示的采集電路對(duì)每個(gè)采集點(diǎn)的三相電壓∕電流的瞬時(shí)值進(jìn)行連續(xù)采樣，通過(guò)對(duì)連續(xù)采樣的瞬時(shí)值進(jìn)行計(jì)算，可得到每個(gè)位置的電壓∕電流、相序及相位角，從而實(shí)現(xiàn)相位的判斷，并能得到相應(yīng)的電壓、電流幅值等信息。圖中，J0~J5為六路采樣輸入，通過(guò)74HC4051D的9、10、11引腳進(jìn)行選擇具體哪一路。

圖4 采樣電路原理

具體電路板的采樣點(diǎn)設(shè)置主要包括整流控制板、電源板，逆變控制板、電源板，而電解電容的數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)分別設(shè)置在電容的輸入、輸出引腳上，變壓器的溫度測(cè)試點(diǎn)設(shè)置在變壓器鐵心附近，散熱器與風(fēng)扇的相關(guān)數(shù)據(jù)可以直接讀取其附帶的溫度傳感器的信息。開(kāi)關(guān)則可以讀取開(kāi)關(guān)干接點(diǎn)信號(hào)，獲取開(kāi)關(guān)閉合次數(shù)。

電池?cái)?shù)據(jù)的采集通過(guò)專門(mén)的采集模塊實(shí)現(xiàn)，對(duì)每個(gè)單體電池的電壓、溫度、內(nèi)阻進(jìn)行測(cè)量獲取相關(guān)采用數(shù)據(jù)，然后以無(wú)線的方式上傳至電池集中檢測(cè)模塊，電池檢測(cè)模塊則與網(wǎng)絡(luò)相連，通過(guò)電腦的專用應(yīng)用程序或者手機(jī)專用App對(duì)每節(jié)電池?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。

本文重點(diǎn)介紹整流模塊與逆變模塊板級(jí)采集點(diǎn)的設(shè)置，具體設(shè)置如下。

（1）整流模塊采集點(diǎn)設(shè)置

整流模塊采集點(diǎn)包括整流控制板采集點(diǎn)與整流電源板采集點(diǎn)的設(shè)置。

整流控制板設(shè)置5個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)：輸入三相電壓參考點(diǎn)，檢測(cè)參考點(diǎn)，判斷輸入三相電壓采樣值是否正常；控制板電源參考點(diǎn)，檢測(cè)參考點(diǎn)，判斷控制板的工作電源是否正常；主控芯片參考點(diǎn)，主控芯片正常工作時(shí)，會(huì)間隔1 s轉(zhuǎn)換一下信號(hào)，當(dāng)信號(hào)一直不變時(shí)，可以判斷主控芯片出現(xiàn)了問(wèn)題；輸出直流電壓參考點(diǎn)，檢測(cè)參考點(diǎn)，能判斷輸出直流電壓的采樣值是否正常；輸出直流電流參考點(diǎn)，檢測(cè)參考點(diǎn)，能判斷輸出直流電流的采樣值是否正常。

整流電源板設(shè)置2個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)：輸入三相電壓參考點(diǎn)，檢測(cè)參考點(diǎn)，判斷輸入三相電壓采樣值是否正常；輸出電壓參考點(diǎn)，檢測(cè)參考點(diǎn)，判斷輸出電壓是否正常。

（2）逆變模塊采集點(diǎn)設(shè)置

同樣地，逆變模塊采集點(diǎn)包括逆變控制板采集點(diǎn)與逆變電源板采集點(diǎn)的設(shè)置。

逆變控制板設(shè)置6個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)：輸入直流電壓參考點(diǎn)，檢測(cè)參考點(diǎn)，判斷輸入的直流電壓是否正常；主控芯片參考點(diǎn)，主控芯片正常工作時(shí)，會(huì)間隔1 s轉(zhuǎn)換一下信號(hào)，當(dāng)信號(hào)一直不變時(shí)，可以判斷主控芯片出現(xiàn)了問(wèn)題；輸出電壓參考點(diǎn)，檢測(cè)參考點(diǎn)，能判斷輸出電壓是否正常；控制板電源參考點(diǎn)，檢測(cè)參考點(diǎn)，判斷控制板的工作電源是否正常；并機(jī)通信線是否連接的參考點(diǎn)，檢測(cè)參考點(diǎn)，能判斷并機(jī)線是否正常；載頻測(cè)試點(diǎn)，發(fā)出信號(hào)，檢測(cè)此測(cè)試點(diǎn)，能判斷逆變輸出的載頻是否正常。

逆變電源板設(shè)置2個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)：輸入三相電壓參考點(diǎn)，檢測(cè)參考點(diǎn)，判斷輸入三相電壓采樣值是否正常；輸出電壓參考點(diǎn)，檢測(cè)參考點(diǎn)，判斷輸出電壓是否正常。

2.2 系統(tǒng)健康狀態(tài)的判斷

根據(jù)前面采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)，并對(duì)這些采集數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)對(duì)UPS電源系統(tǒng)的健康狀況進(jìn)行判斷。組成UPS電源的器件基本上可以分為電阻、電容、二極管、功率器件（IGBT或者M(jìn)OS管）、電感和變壓器、電流傳感器、IC、光耦、繼電器等。電阻、貼片電容和瓷片電容的使用壽命一般都可以達(dá)到20年以上，電感和變壓器在設(shè)計(jì)時(shí)，只要不超過(guò)其材料溫度，理論上認(rèn)為是可以長(zhǎng)期工作而不失效的；小功率的二極管，三極管基本可以工作10萬(wàn)h以上；繼電器的機(jī)械壽命一般在100萬(wàn)次以上，電氣壽命大于1萬(wàn)次；風(fēng)扇和保險(xiǎn)絲屬于易損元器件，對(duì)逆變器壽命不會(huì)造成影響，發(fā)生故障只需及時(shí)更換就可以。

溫度對(duì)IGBT與電解電容的影響很大，屬于UPS壽命的短板，根據(jù)木桶理論，UPS中IGBT與電解電容的壽命，決定了整個(gè)UPS的壽命，因此需要重點(diǎn)關(guān)注。

2.2.1 IGBT健康狀態(tài)判斷

（1）溫度對(duì)IGBT健康的影響

影響IGBT健康狀況的因素很多，其中溫度對(duì)IGBT的影響很大[4]。因?yàn)镮GBT模塊的結(jié)構(gòu)通常是用不同材料封裝在一起的多層結(jié)構(gòu)，由于不同材料的受熱膨脹系數(shù)的不同，這些材料會(huì)受到不同程度的應(yīng)力。這種應(yīng)力將首先破壞模塊結(jié)構(gòu)中的連接部分，比如結(jié)構(gòu)中的焊層、引線和端子焊點(diǎn)等處，進(jìn)而使整個(gè)IGBT模塊失效[5]。IGBT工作中，其通態(tài)損耗和開(kāi)關(guān)損耗會(huì)引起器件結(jié)溫的上升，而且隨著輸出功率不同，IGBT的損耗功率也不一樣，隨著IGBT工作時(shí)功率的變化，器件溫度也隨之變化，不斷地經(jīng)歷溫度循環(huán)變化的過(guò)程，這些都會(huì)嚴(yán)重影響IGBT的健康。當(dāng)前，預(yù)測(cè)IGBT的健康狀況的方法有很多，一般通過(guò)加速老化實(shí)驗(yàn)獲取IGBT工作過(guò)程中功率循環(huán)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)來(lái)建立IGBT模塊循環(huán)壽命的數(shù)學(xué)模型[6]，模型的種類(lèi)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模型則是基于多變量的壽命預(yù)測(cè)模型，除結(jié)溫波動(dòng)外，基于多變量的壽命預(yù)測(cè)模型需要考慮的變量更多，情況更復(fù)雜[8]。而Coffin-Manson模型、Lesit模型是基于結(jié)溫的壽命預(yù)測(cè)模型，其中又以Coffin-Manson模型應(yīng)用最為廣泛[9]，本文采用Coffin-Manson模型來(lái)預(yù)測(cè)IGBT的健康狀況。

（2）電壓對(duì)IGBT健康的影響

IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓，也會(huì)影響IGBT的健康狀況，對(duì)于IGBT柵極的驅(qū)動(dòng)電壓，不僅要保證不能超過(guò)擊穿電壓還要保證有足夠的驅(qū)動(dòng)電壓，如果柵極驅(qū)動(dòng)電壓不足，則IGBT會(huì)工作在主動(dòng)區(qū)域，長(zhǎng)時(shí)間如此，IGBT將產(chǎn)生大量的熱損耗，導(dǎo)致?lián)p壞，在關(guān)斷的時(shí)候也要保證有足夠的負(fù)壓，負(fù)壓即能保證盡量完全關(guān)斷IGBT，也能盡量加快關(guān)斷速度，還能保證在截止?fàn)顟B(tài)下防止IGBT集電極—發(fā)射極間出現(xiàn)的dv∕dt噪聲引起開(kāi)關(guān)誤開(kāi)通[10]。本文通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)IGBT的工作電壓、電流、溫度等關(guān)鍵數(shù)據(jù)，據(jù)此來(lái)判斷IGBT的健康狀況。

2.2.2 電解電容健康狀況的判斷

電解電容壽命在105℃情況下一般在2 000～3 000 h，壽命長(zhǎng)的也只有5 000～6 000 h，但是隨著每升高10℃壽命則折半[11]，電解電容在UPS中起著不可或缺的作用，它的使用壽命和工作狀況與UPS的健康息息相關(guān)。所以在UPS電源里面，UPS的最大的短板在電解電容健康方面。

阿列紐斯方程是用來(lái)描述化學(xué)物質(zhì)反應(yīng)速率隨溫度變化關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式[12]。電解電容內(nèi)部是由金屬鋁等和電解液等化學(xué)物質(zhì)組成的，所以電解電容的壽命與阿列紐斯方程密切相關(guān)，阿列紐斯方程公式如下：

式中：k化學(xué)反應(yīng)速率；R為摩爾氣體常量；T為熱力學(xué)溫度；Ea為表觀活化能；A為頻率因子。

根據(jù)阿列紐斯方程可知，溫度升高，化學(xué)反應(yīng)速率（壽命消耗）增大，一般來(lái)說(shuō)，環(huán)境溫度每升高10℃，化學(xué)反應(yīng)速率（K值）將增大2～10倍，即電容工作溫度每升高10℃，電容壽命減小1倍，電容工作溫度每下降10℃，其壽命增加1倍，所以，環(huán)境溫度是影響電解電容壽命的重要因素。

根據(jù)阿列紐斯方程結(jié)論可知，電解電容器使用壽命與溫度之間的計(jì)算公式如下：

式中：L為環(huán)境溫度為T(mén)1時(shí)鋁電解電容器的使用壽命，H；L0為額定壽命，H；T0為額定最高使用溫度，℃；T1為環(huán)境溫度，℃。

本方案實(shí)時(shí)采集電容的電壓、電流、溫度等相關(guān)信息，根據(jù)預(yù)先設(shè)定的電解電容壽命，和衰減曲線，使用預(yù)設(shè)的算法，計(jì)算電解電容的剩余壽命，判斷電解電容的健康，進(jìn)而可以判斷UPS的健康狀況。

2.3 系統(tǒng)自主決策與處理

系統(tǒng)對(duì)采集到的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析處理，對(duì)各種具體情況進(jìn)行自主決策與處置，實(shí)現(xiàn)電源的智能化操作。

如圖2所示，點(diǎn)是對(duì)輸入電壓、電流信號(hào)進(jìn)行采集，采集到的數(shù)據(jù)作為輸入情況的判斷依據(jù)，如果市電輸入中斷或者輸入電壓過(guò)低、過(guò)高，系統(tǒng)及時(shí)進(jìn)行預(yù)警，提示輸入異常情況，提示對(duì)輸出進(jìn)行檢修。因?yàn)橛须姵毓╇娧a(bǔ)償，電源仍能輸出穩(wěn)定的電能；點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)作為整流器輸入情況的判斷依據(jù)，隨時(shí)可以了解整流器的輸入情況；點(diǎn)采集整流器輸出電壓、電流等相關(guān)數(shù)據(jù)，整流器輸出應(yīng)該是平穩(wěn)的直流電流，根據(jù)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù),系統(tǒng)自動(dòng)對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理、判斷整流器的工作質(zhì)量，如果整流器輸出信號(hào)異常，及時(shí)進(jìn)行預(yù)警、并提示相應(yīng)的處理措施。點(diǎn)采集到的數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)分析電池組的輸入、輸出情況，判斷電池組的健康狀況，如果數(shù)據(jù)異常，及時(shí)進(jìn)行預(yù)警并提示相應(yīng)的處理措施；點(diǎn)采集逆變器的輸入情況，作為了解逆變器輸入情況的依據(jù)，如發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)進(jìn)行預(yù)警、并提示相應(yīng)的處理措施，點(diǎn)采集逆變器的輸出情況，系統(tǒng)自動(dòng)分析采集到的輸出數(shù)據(jù)，以此判斷逆變器的工作狀況，如有異常，及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)警，并提示相應(yīng)的處理措施；點(diǎn)與點(diǎn)是靜態(tài)開(kāi)關(guān)輸入數(shù)據(jù)的采集點(diǎn)，了解靜態(tài)開(kāi)關(guān)的輸入情況，點(diǎn)采集旁路信息，對(duì)旁路的輸入進(jìn)行監(jiān)控，發(fā)現(xiàn)異常，及時(shí)預(yù)警，并提示相應(yīng)的處置措施；點(diǎn)是整個(gè)智能離線式維修電源系統(tǒng)輸出情況的信息采集點(diǎn)，以此判斷整個(gè)系統(tǒng)的工作情況，如有異常，及時(shí)進(jìn)行預(yù)警并提示相應(yīng)的處理措施。

上述信息主要是從電壓、電流方面進(jìn)行預(yù)警，當(dāng)某監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電流、電壓在允許的范圍內(nèi)，認(rèn)為電源系統(tǒng)工作正常，系統(tǒng)健康。當(dāng)某監(jiān)測(cè)點(diǎn)的電流、電壓出現(xiàn)嚴(yán)重偏差，超出允許的最大范圍，認(rèn)為異常，發(fā)出聲光報(bào)警，并將故障信息傳送到控制中心。同時(shí)，顯示監(jiān)控屏提示具體哪路電源出現(xiàn)了故障，進(jìn)行相應(yīng)的處理。

以IGBT和電解電容為例，由于IGBT與電解電容對(duì)溫度敏感，受溫度影響最大，關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)的健康狀況，因此，系統(tǒng)重點(diǎn)關(guān)注IGBT與電解電容的問(wèn)題，當(dāng)前IGBT內(nèi)部PN結(jié)的最高耐溫一般為150℃，超過(guò)這個(gè)溫度IGBT會(huì)損壞，因此必須要對(duì)IGBT的溫度進(jìn)行嚴(yán)格的控制，除了添加散熱片及采取主動(dòng)散熱措施以外，還要進(jìn)行過(guò)熱關(guān)斷保護(hù)，即溫度超過(guò)警戒值便停止電源的工作。由于150℃是IGBT內(nèi)部的溫度，因此警戒溫度的閥值要充分考慮到熱傳導(dǎo)的損失來(lái)留出合適的裕量。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通常把預(yù)警溫度設(shè)定在75℃，超過(guò)設(shè)計(jì)設(shè)定值，就進(jìn)行預(yù)警。電解電容的標(biāo)識(shí)最高工作溫度一般是105℃，超過(guò)這個(gè)溫度，嚴(yán)重影響電解電容的壽命，進(jìn)而影響UPS的壽命。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通常把預(yù)警溫度設(shè)定在75℃，超過(guò)設(shè)計(jì)設(shè)定值，就進(jìn)行預(yù)警。

UPS電源設(shè)置預(yù)警計(jì)時(shí)系統(tǒng)，預(yù)警信息發(fā)出一周后，如維修部門(mén)未在規(guī)定時(shí)間內(nèi)對(duì)預(yù)警內(nèi)容進(jìn)行有效處置，為了避免UPS電源質(zhì)量繼續(xù)下降而發(fā)生故障，UPS電源將自主決策進(jìn)入保護(hù)模式，系統(tǒng)供電由逆變狀態(tài)轉(zhuǎn)入自動(dòng)旁路狀態(tài)，UPS電源的主要部件停止工作。

3 實(shí)驗(yàn)分析

圖5所示為本項(xiàng)目研制的智能離線式維修電源系統(tǒng)外觀圖，系統(tǒng)正在試驗(yàn)運(yùn)行中。運(yùn)行中該電源接最大工作負(fù)載，模擬UPS電源碰到各種極限情況：大范圍調(diào)節(jié)UPS電源的輸入電壓、電流等輸入信息；大范圍調(diào)節(jié)整流器、逆變器的電壓、電流等輸入信息、提升其環(huán)境溫度至極限工作條件；大范圍調(diào)節(jié)電池的電流、電壓、溫度等信息，并讓其運(yùn)行一周時(shí)間，觀察其工作的穩(wěn)定性，并統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)輸出的相關(guān)信息。表1所示為一些典型的運(yùn)行告警統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)為UPS電源系統(tǒng)的維護(hù)維修提供了可靠的參考依據(jù)。

圖5 運(yùn)行中的智能離線式維修電源系統(tǒng)

表1 系統(tǒng)運(yùn)行告警統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)（部分?jǐn)?shù)據(jù)）

4 結(jié)束語(yǔ)

本文詳細(xì)分析了城市地鐵軌道交通的特殊的運(yùn)行環(huán)境，針對(duì)復(fù)雜的UPS電源系統(tǒng)不便于維修的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，當(dāng)前低下的監(jiān)控水平，以及軌道交通中運(yùn)行的UPS電源系統(tǒng)的維修方式的局限性，特設(shè)計(jì)了智能離線式維修電源系統(tǒng)統(tǒng)技術(shù)方案，基于本設(shè)計(jì)方案研制出相應(yīng)的樣機(jī)，在模擬地鐵的各種嚴(yán)苛環(huán)境下，樣機(jī)都能按照預(yù)期提供相應(yīng)的警示信息，并能基于方案的模型計(jì)算出相應(yīng)的壽命損失，為UPS的維護(hù)維修提供重要的參考依據(jù)，相較普通的UPS電源系統(tǒng)，完全靠經(jīng)驗(yàn)與各種檢測(cè)來(lái)進(jìn)行維護(hù)維修，基于本方案的UPS電源系統(tǒng)，影響UPS健康因素有據(jù)可查，維修維護(hù)效率大大提高。