基于故障樹法的UPS系統(tǒng)可靠性分析

劉振宇，李 晶，惠青文，張 慧

（1.北京城建設(shè)計發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100045；2.上海澤高電子工程技術(shù)股份有限公司，上海 201900；3.西安市軌道交通集團(tuán)有限公司，陜西 西安 710018）

1 UPS可靠性分析現(xiàn)狀

由于電網(wǎng)存在諧波、電壓浪涌、電壓脈沖、持續(xù)過壓或者欠壓以及斷電等問題，直接接入市電容易導(dǎo)致電子設(shè)備無法正常工作，甚至損壞，造成經(jīng)濟(jì)損失。UPS通過濾波、整流、逆變等電力電子過程，能夠提供穩(wěn)定、純凈的電能，同時UPS內(nèi)部包括獨(dú)立的蓄電池，可以保證不間斷的電能供應(yīng)，目前已廣泛應(yīng)用于銀行、鐵路、機(jī)場等地的計算機(jī)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)以及數(shù)據(jù)系統(tǒng)等對電源質(zhì)量要求較高的電子系統(tǒng)[1]。

國內(nèi)外多位學(xué)者討論了預(yù)測UPS系統(tǒng)可靠性的方法。文獻(xiàn)[2]提出了可靠性框圖（RBD）方法來模擬UPS系統(tǒng)的可用性和可靠性參數(shù)。在該方法中，每個塊代表系統(tǒng)中的單個主要組件，并且使用每個組件的故障率來估計整個系統(tǒng)的可靠性。然而，該方法沒有考慮組件故障的原因，這將使系統(tǒng)設(shè)計者或制造商難以執(zhí)行系統(tǒng)的故障識別和修改。畢錦棟等基于六性協(xié)同工作平臺的馬爾可夫過程模塊對UPS系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)進(jìn)行了認(rèn)證和分析，該方法可快速地求解UPS系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)[3]。崔江海針對UPS供電存在的問題，分析了UPS電源分散配置、集中配置、靜態(tài)開關(guān)與UPS組合供電3種不同供電方式方案及其可靠性，指出了UPS安裝、使用需要注意的問題[4]。宋學(xué)東針對如何確定UPS的可靠性指標(biāo)（MTBF和MTTR）進(jìn)行了論證和分析，介紹了UPS在逆變器模式下和逆變器加旁路模式下MTBF的計算方法，說明了在計算UPS時應(yīng)考慮的問題[5]。

本文提出了故障樹分析（FTA）技術(shù)來分析UPS系統(tǒng)的可靠性。故障樹分析法是一種自上而下的方法，系統(tǒng)發(fā)生故障的概率是根據(jù)系統(tǒng)中各組件中故障的事件的故障率來計算的[6]。本文分析了4種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下UPS系統(tǒng)（UPS加旁路方案、UPS串聯(lián)冗余方案、UPS并機(jī)冗余方案、UPS并機(jī)雙母線方案）的故障率、平均無故障工作時間等可靠性指標(biāo)。

2 可靠性分析方法

2.1 可靠性定義

可靠性指標(biāo)是系統(tǒng)或單元在特定條件下實(shí)現(xiàn)其功能的能力[7]。一般來說，模塊是可靠性分析中最基本的單元，在研究過程中不需要再對其內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)一步分析，將其視為一個整體，直接考慮其參數(shù)即可。

單元的失效率一般用λ表示，如果某個單元在t時刻正常工作，當(dāng)t趨于0時，該單元在△t內(nèi)失效的概率為（t，t+△t]，λ（t）還可以表示在t時刻某類單元在單位時間內(nèi)出現(xiàn)故障的占比[8]。

在工程應(yīng)用中，對λ的定義為式（1）：

式中N為樣品總數(shù)；n為試驗(yàn)時間內(nèi)出現(xiàn)故障的樣品數(shù)量；△t為試驗(yàn)時間。

在UPS系統(tǒng)的可靠性評估中，假定不間斷電源系統(tǒng)是可修復(fù)的，不間斷電源系統(tǒng)的可靠性參數(shù)故障率外λ還包括平均故障間隔時間MTBF。在制造商的說明中，UPS系統(tǒng)的可靠性通常用其平均故障間隔時間來MTBF指定，見式（2）。

2.2 故障樹分析法（FTA）

FTA法是一種通過分析系統(tǒng)內(nèi)模塊的可靠性來計算系統(tǒng)故障概率的方法。通過計算系統(tǒng)內(nèi)模塊失效的概率，分析導(dǎo)致模塊失效的原因，提出改進(jìn)的辦法，提高整個系統(tǒng)的可靠性，F(xiàn)TA法一共分為7個步驟。

步驟1：根據(jù)系統(tǒng)的功能圖，明確系統(tǒng)的工作方式，繪制系統(tǒng)的可靠性框圖。

步驟2：定義單元和模塊的故障模式，分析并列出單元故障的原因及影響。

步驟3：定義頂事件，構(gòu)造故障樹，識別所有可能引起該事件發(fā)生的單元或單元的組合，構(gòu)造故障樹。本文將“UPS無法正常輸出”定義為頂事件。

步驟4：將可靠性框圖轉(zhuǎn)化為故障樹模型。

步驟5：確定系統(tǒng)中各單元的故障發(fā)生概率，本文假設(shè)各單元的失效分布均服從指數(shù)分布，于是故障率可以表示為如下公式。

在本文的研究中，令時間t為一年（即8 760 h）。

步驟6：確定系統(tǒng)中基本事件的故障數(shù)據(jù)，通過步驟4推導(dǎo)的模型，確定頂事件發(fā)生的概率。

步驟7：確定系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)。

3 UPS系統(tǒng)

不間斷電源UPS（Uninterrupted Power Supply）可以通過濾波、整流、逆變等過程，為用電設(shè)備提供高質(zhì)量的電能，同時UPS系統(tǒng)中的蓄電池還可以在市電斷電的情況下提供后備保障，作為一種電力后備和電力凈化系統(tǒng)，不間斷電源系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于銀行、醫(yī)院、機(jī)場、鐵路、政府等重要的場所。目前，各行業(yè)機(jī)房所用的UPS主要包括在線式UPS（Online UPS）電源和后備式UPS（Offline UPS）電源。

在線式不間斷電源（Online UPS）主要由整流單元、逆變單元、隔離變壓器、蓄電池、靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（Static Transfer Switch，STS）等組成[9]，在線式不間斷電源原理圖如圖1所示。

圖1 在線式不間斷電源原理圖

當(dāng)市電電壓正常時，輸入的電流首先在整流單元處理后變?yōu)橹绷麟娫矗?jīng)過處理后的電流一路由逆變單元轉(zhuǎn)化為交流電源，最后輸出到負(fù)載。此外，直流電源還需要通過充電電路為蓄電池進(jìn)行充電。當(dāng)市電異常時，整流模塊停止工作，UPS會接通蓄電池供電開關(guān)，此時蓄電池作為UPS的輸入，蓄電池輸出的直流電源經(jīng)過逆變模塊轉(zhuǎn)化為交流電，為設(shè)備進(jìn)行供電。當(dāng)逆變器、輸出變壓器等設(shè)備出現(xiàn)故障后，自動轉(zhuǎn)換開關(guān)（STS）會切換旁路供電，此時市電經(jīng)過穩(wěn)壓器直接供給用電設(shè)備。

常用的在線式不間斷電源主要包括3種方案：

（1）UPS串聯(lián)方案。這種配置方案內(nèi)含有兩臺UPS，分別為主UPS和備UPS。這種配置方式可以看做單UPS加旁路方案的升級版，串聯(lián)冗余配置方案下，選一臺UPS作為主機(jī)，另一臺作為備機(jī)，備機(jī)的輸出接入主機(jī)的旁路。當(dāng)外界電源輸入?yún)?shù)沒有超出UPS工作范圍的情況下，主UPS的主路工作，為負(fù)載進(jìn)行供電；當(dāng)市電輸入超限或者整流模塊故障時，主UPS的蓄電池放電，通過逆變器為整個系統(tǒng)供電。當(dāng)主UPS蓄電池電能消耗完畢或者逆變器或隔離變壓器故障時，STS靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)切換至旁路由備UPS進(jìn)行供電。當(dāng)主備UPS都故障時，由備UPS的旁路進(jìn)行供電。

串聯(lián)冗余配置方案實(shí)施起來比較容易，不強(qiáng)制要求兩UPS型號相同，只要規(guī)格參數(shù)相同即可進(jìn)行配置，極大地提升了UPS系統(tǒng)的可靠性。由于UPS串聯(lián)冗余系統(tǒng)較單UPS加旁路方案，UPS系統(tǒng)的可靠性大幅提高，UPS掉電轉(zhuǎn)旁路的概率也隨之下降，所以這種配置方案下，旁路穩(wěn)壓器也可不設(shè)，UPS串聯(lián)冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 UPS串聯(lián)冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

但是這種冗余方式缺點(diǎn)也很明顯，由于市電正常時，備UPS一直處于備用狀態(tài)，而主UPS長期負(fù)載率較高，形成了兩個極端。同時備UPS的蓄電池很長時間內(nèi)得不到使用，無法進(jìn)行供電，且一直進(jìn)行浮充，會極大地影響電池的壽命。若將主、備UPS在固定時間后進(jìn)行輪換，即可避免此類問題出現(xiàn)。但是輪換過程中，備UPS的負(fù)載率從零瞬間變?yōu)楦哓?fù)載，可能會損壞UPS內(nèi)部單元[10]。

（2）UPS并聯(lián)方案。UPS并機(jī)冗余方案是將兩臺型號和容量完全相同的UPS并聯(lián)在一起，采用分散旁路（每臺UPS各設(shè)置一條旁路）方案設(shè)計，兩臺UPS輸出接入并機(jī)模塊，并機(jī)模塊可以保證兩臺UPS輸出的電壓電流頻率、相位和幅值都一致。每臺UPS均有獨(dú)立為所有負(fù)載供電的能力。正常供電情況下，并機(jī)模塊將負(fù)載總功率均分給兩臺UPS，市電經(jīng)過UPS主路的整流逆變等一系列變換輸出純凈穩(wěn)定的正弦波，此時旁路為備用狀態(tài)，每臺UPS的輸出功率為負(fù)載總功率的50%。在UPS1主路無輸入或者整流模塊故障的情況下，蓄電池和逆變模塊提供輸入。在UPS1主路逆變模塊或者隔離變壓器故障，主路無法提供輸入時，STS靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)將主路斷開進(jìn)行維修，自動轉(zhuǎn)換至旁路，旁路仍提供50%的負(fù)載功率。在UPS1主路旁路都故障的情況下，UPS1自動退出系統(tǒng)進(jìn)行維修，由UPS2獨(dú)自承擔(dān)整個系統(tǒng)的供電，此時UPS2的供電方式與單UPS加旁路方案相同。同UPS串聯(lián)冗余方案一樣，該配置方案下，旁路穩(wěn)壓器也可不設(shè)。UPS并機(jī)冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[11]如圖3所示。

圖3 UPS并機(jī)冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（3）UPS并聯(lián)雙母線方案。這種冗余方案下，信號電源系統(tǒng)需要采用兩套獨(dú)立的UPS系統(tǒng)，分別為A系和B系，每套系統(tǒng)的UPS可獨(dú)立承擔(dān)起所有負(fù)載的供電任務(wù)，而且A系和B系采用單獨(dú)的母線結(jié)構(gòu)，兩套系統(tǒng)不會相互影響，UPS并機(jī)雙總線冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[12]如圖4所示。

圖4 UPS并機(jī)雙總線冗余系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

4 UPS系統(tǒng)故障樹模型

根據(jù)UPS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖在故障樹分析軟件Arbre Analyste中建立UPS的故障樹模型如圖5所示。

圖5 UPS系統(tǒng)的故障樹模型

根據(jù)故障樹模型計算不同配置下UPS系統(tǒng)的可靠性參數(shù)見表1。

表1 不同配置下UPS系統(tǒng)的可靠性參數(shù)

對于在線式UPS，共研究了4種方案下UPS系統(tǒng)的可靠性參數(shù)。方案1是加旁路的在線式UPS，該方案下的故障率為0.180，MTBF為48 700。方案2是UPS串聯(lián)冗余方案，方案2故障率較方案1的故障率略微降低，可見在主UPS的旁路再加入一臺UPS對故障率的降低并影響有限。方案3并機(jī)冗余UPS，這種情況下系統(tǒng)的故障概率較方案1降低了0.013，可顯著提高系統(tǒng)的可靠性。方案4是方案3的升級版，增加了母線，故障率進(jìn)一步降低，可靠性有所提升。

5 結(jié)束語

本文使用故障樹分析法來估計不同配置方式下UPS的可靠性參數(shù)，如故障率，故障間隔時間和系統(tǒng)可靠性。分析了可能導(dǎo)致UPS故障的各底事件的類型及其故障率，最后利用故障樹提供的路徑計算出UPS的各項(xiàng)可靠性參數(shù)。并對所得結(jié)果進(jìn)行比較和討論。通過比較系統(tǒng)的可靠性參數(shù)，可以發(fā)現(xiàn)UPS并聯(lián)方案和雙母線方案可顯著提升系統(tǒng)的可靠性。因此，在重要設(shè)施的UPS系統(tǒng)如軌道交通、航空、核電等行業(yè)中，建議配置冗余UPS和冗余母線，進(jìn)一步提高供電的可靠性。