核電廠儀控系統(tǒng)UPS并機(jī)系統(tǒng)可靠性分析

張崇達(dá)

（中核集團(tuán)三門核電有限公司，浙江 三門 317112）

0 引言

國內(nèi)目前有數(shù)十座運行和在建核電廠，自福島核事故發(fā)生后，當(dāng)局對核電廠運行的監(jiān)管要求越來越高。二代半及三代核電廠對數(shù)字化儀控系統(tǒng)具有較高的依賴度，一旦儀控系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就很可能導(dǎo)致安全性事故的發(fā)生，輕則停機(jī)停堆，重則損壞機(jī)組設(shè)備甚至造成人員傷亡。而保證核電儀控系統(tǒng)的安全可靠，首先要保證供電電源的可靠性，所以儀控系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性就顯得尤為重要[1]。鑒于此，確保核電廠控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，首先要提高和保障控制系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性和可靠性。

在現(xiàn)階段，UPS的性能指標(biāo)已可以完全滿足儀器儀表、服務(wù)器、交換機(jī)等負(fù)載設(shè)備的要求，人們更關(guān)注的其實是UPS系統(tǒng)的可靠性。供電系統(tǒng)可靠性在概念上包含了設(shè)備的可靠性、可管理性和可維護(hù)性，可靠性高、便于管理、故障后可快速修復(fù)等。下文將通過建立任務(wù)可靠性模型的方式對幾種并機(jī)方式的可靠性進(jìn)行分析。

從實際出發(fā)，消除UPS單機(jī)可靠性瓶頸的最佳方式是采用適當(dāng)?shù)腢PS并機(jī)方案。現(xiàn)階段常見的UPS并機(jī)方式主要有3種：熱備份供電、N+X冗余并機(jī)供電，以及雙總線供電方案。由于熱備份供電存在明顯的“主從”特性等缺陷，使用場合較少，本文暫不討論。下面將通過建立任務(wù)可靠性模型的方式對另兩種并機(jī)方式的可靠性進(jìn)行分析。

1 主流UPS并機(jī)方式

1.1 冗余并機(jī)供電（N+X并機(jī)）

冗余并機(jī)是將兩臺或多臺UPS電源的逆變器模塊并聯(lián)后再輸出電能的供電體系，要求每臺UPS的逆變器模塊由相應(yīng)的并機(jī)主板控制，同時確保每臺UPS均分負(fù)載電流。

以“1+1”并機(jī)冗余供電為例，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 1+1冗余并機(jī)Fig.1 1+1 Parallel operation

冗余并機(jī)具有以下特點：

1）冗余并機(jī)數(shù)量不宜超過3臺，并機(jī)數(shù)量過多一是會導(dǎo)致并網(wǎng)系統(tǒng)中的各UPS長期輕載運行，影響蓄電池的使用壽命；二是并機(jī)數(shù)大于2臺，環(huán)流情況趨于復(fù)雜，設(shè)備之間會互相干擾，同時增加安全隱患；三是采購、搬運、安裝成本過高，與大容量單體UPS相比將失去優(yōu)勢；另外，隨著并機(jī)數(shù)目的增加，其綜合可靠性將逐漸降低，這一點將在后文具體說明。

2）對鎖相、同步、控制策略、均流技術(shù)都有很高的要求。第二代分散邏輯控制技術(shù)已經(jīng)基本成熟，可以使兩臺UPS的輸出電壓相位差在±5%以內(nèi)，基本不會影響負(fù)荷壽命；更為精確化的第三代無線逆變器并聯(lián)技術(shù)，現(xiàn)在只有少數(shù)一線廠商掌握，且尚未成熟，使用方可酌情選用相應(yīng)的并機(jī)策略和產(chǎn)品[2]。

3）“N+X”冗余并機(jī)具有超強(qiáng)的過載能力，“1+1”并機(jī)系統(tǒng)至少具備50%的單機(jī)過載能力，且系統(tǒng)抗過載能力會隨N值的增大而進(jìn)一步增加。這一點是熱備用并機(jī)所無法比擬的。

1.2 雙總線并機(jī)方案

雙總線UPS供電系統(tǒng)是指由兩套獨立的“N＋X”UPS冗余并機(jī)系統(tǒng)為核心，構(gòu)成雙總線輸入/輸出的冗余式UPS供電系統(tǒng)。“雙總線”是由“N＋X”型UPS冗余供電系統(tǒng)＋輸出配電柜＋負(fù)載自動切換開關(guān)（STS）所組成的UPS系統(tǒng)，一般還需配置負(fù)載同步控制器（LBS）?！半p總線”由兩路互為備用的進(jìn)線提供總電源，每路電源分別串聯(lián)有一個“自動切換開關(guān)”（ATS）。此外，“兩套“N＋X”型并機(jī)系統(tǒng)的輸出分別連接到兩個“負(fù)載自動切換開關(guān)”（STS）的輸入端上，再將負(fù)載連接到STS的輸出端上。

雙總線UPS供電系統(tǒng)消除了可能出現(xiàn)在各種配電線路中由于各種設(shè)備、器件、線纜等因素而存在的單點瓶頸故障隱患。因此，當(dāng)其中一套“N+X”系統(tǒng)不可用時，另一套系統(tǒng)將承擔(dān)起供電可靠性保障的任務(wù)，即使維修過程中出現(xiàn)系統(tǒng)輸出中斷，也不會引起負(fù)載失電[3]。

2 并機(jī)可靠性計算

供電系統(tǒng)可靠性在概念上包含了設(shè)備的可靠性、可管理性和可維護(hù)性。其具體可量化為系統(tǒng)可靠性（Asys）、平均故障間隔時間（MTBF）及系統(tǒng)平均維修時間（MTTR）。下文將通過建立任務(wù)可靠性模型的方式對幾種并機(jī)方式的可靠性進(jìn)行分析：

以下全部可靠性計算基于如下假設(shè)：

1） 各個子系統(tǒng)的故障是相互獨立的，即出現(xiàn)故障的子系統(tǒng)不影響其它系統(tǒng)的繼續(xù)運行。

2）各子系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)由UPS廠家提供，即MTBF1（平均故障間隔時間）、A1（可靠性）均為常量。

3）待分析的UPS并機(jī)系統(tǒng)不考慮蓄電池組的可靠性。

根據(jù)可靠性理論，系統(tǒng)可靠性A(t)定義為平均無故障時間MTBF與使用總時間的比，使用總時間為MTBF與平均故障恢復(fù)時間MTTR的和。其最終表達(dá)式為：

由式（1）可以看出，提高系統(tǒng)的可靠性最直觀的措施是提高平均故障間隔時間和降低系統(tǒng)故障修復(fù)時間。

2.1 冗余并機(jī)（N+X并機(jī)）

所謂N+X并機(jī)即系統(tǒng)在運行狀態(tài)下，至少要保證N臺UPS可用方能滿足負(fù)荷需求，系統(tǒng)至多允許并機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的X臺UPS損壞。

下文將利用可靠性模型及概率論知識對N+1并機(jī)的可靠性進(jìn)行論證。

如圖2，該系統(tǒng)由N+X個可靠度相同的單元組成邏輯并聯(lián)結(jié)構(gòu)，冗余度為X，即系統(tǒng)在僅有N個單元正常工作的前提下就可滿足要求。每個單元的可靠性為A1，平均故障間隔時間為MTBF1，平均維修時間MTTR1，則整個系統(tǒng)的可靠性、平均故障間隔時間、平均維修時間分別表示為：

圖2 冗余并機(jī)（N+X）可靠性模型Fig.2 “N+X” reliability model

表1 N+X并機(jī)可靠性數(shù)據(jù)Table 1 “N+X” reliability data

以“4+1”并機(jī)為例，對其可靠性的計算過程進(jìn)行列舉。

計算此并機(jī)系統(tǒng)的可靠性即計算系統(tǒng)至多有1臺UPS故障的概率，該事件A可以分解為兩個子事件A1和A2。

◇ A1：5臺UPS中有1臺故障。

◇ A2：5臺UPS全部正常工作。

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

◇ Asys=0.9999999

對于系統(tǒng)平均維修時間MTTR，可按如下估算：當(dāng)多臺同容量、同規(guī)格的UPS冗余并機(jī)運行時，各臺UPS的可靠性與單臺運行時基本相同。但由于系統(tǒng)是冗余的，即系統(tǒng)允許部分（最多X臺）UPS宕機(jī)而仍能保證供電，故實際上系統(tǒng)發(fā)生癱瘓維修的概率非常小?？梢哉J(rèn)為各子系統(tǒng)的MTBF值并沒有變，只不過由于子系統(tǒng)故障后可以脫機(jī)修復(fù)，即冗余系統(tǒng)的MTTR大幅縮小了[4]。整個系統(tǒng)MTTRsys與子系統(tǒng)的平均維修時間MTTR1、系統(tǒng)的綜合可靠性Asys、子系統(tǒng)可靠性A1均有直接聯(lián)系，即子系統(tǒng)的可靠性越高，其平均維修時間在整個系統(tǒng)的平均維修時間所占比例就越小，因此對于N+X冗余并機(jī)系統(tǒng)有：

由式（3）推得，系統(tǒng)平均故障間隔時間為：

根據(jù)Benning、Astrid等廠商提供的數(shù)據(jù)，下列計算所需的UPS單機(jī)性能基本參數(shù)如下：

根據(jù)計算結(jié)果，各類并機(jī)的可靠性均滿足一般儀控設(shè)備“6個9”的要求，但“N+1”冗余并機(jī)隨著N值的增大，可靠性逐漸降低?？梢灶A(yù)見的是：若N繼續(xù)增大，則終有一點并機(jī)系統(tǒng)的可靠性會低于UPS單機(jī)的可靠性（0.9999）。故在負(fù)荷量一定的條件下，N+1并機(jī)宜首選用“1+1”并機(jī)的方式；若負(fù)荷量較大，也要盡可能選擇并機(jī)臺總數(shù)少、單機(jī)容量大的并機(jī)方式。

另外，“N+2”的可靠性整體上達(dá)到“8個9”，優(yōu)于“N+1”“6個9”。但其可靠性與“N”值并不滿足線性關(guān)系，而是在N=3這一點上出現(xiàn)了一個最大值。即若條件允許，選擇3+2的并機(jī)方式可以達(dá)到“N+2”最高的可靠性要求。但即使對于N+2中可靠性較低的情況，如“7+2”，其可靠性也要比“7+1”并機(jī)高兩個數(shù)量級[5]。

2.2 雙總線并聯(lián)

對于雙總線結(jié)構(gòu)來說，其可靠性模型相對于N+1冗余并機(jī)增加了ATS（自動轉(zhuǎn)換開關(guān)）、STS（靜態(tài)切換開關(guān)）等串聯(lián)部分，其主要功能是實現(xiàn)總線之間的負(fù)荷切換，其可靠性模型如圖3。

圖3 雙總線并聯(lián)可靠性模型Fig.3 Dual bus UPS network reliability model

根據(jù)上文分析，雙總線系統(tǒng)一般用于負(fù)荷較大的情況，故現(xiàn)以7+1//7+1為例討論其綜合可靠性。

根據(jù)兩列總線的并聯(lián)關(guān)系，易得

表2進(jìn)一步列舉了雙總線并機(jī)可靠性隨N值的變化趨勢，并分別考慮了ATS/STS的可靠性分別為“6個9”和“4個9”時的情況。

表2 雙總線并機(jī)可靠性Table 2 Dual bus UPS reliability data

由表2可知，“7+1”UPS直接冗余并聯(lián)的可靠性為“6個9”。對應(yīng)的雙總線系統(tǒng)在增加2對ATS/STS后，在造價大幅增加的前提下，可靠性增加了“5個9”（考慮ATS/STS可靠性為“6個9”），產(chǎn)出/投入比極高；若考慮ATS/STS的可靠性為“4個9”，則雙總線系統(tǒng)的可靠性與N+1并機(jī)基本持平（7個9），甚至略有下降。由此可見，ATS/STS的可靠性增加“2個9”，雙總線綜合可靠性增加了“4個9”，其“投入”與“產(chǎn)出”是以指數(shù)趨勢增長的。通過其可靠性模型的結(jié)構(gòu)也不難得出這一結(jié)論：ATS/STS作為雙總線可靠性模型的串聯(lián)部分，屬于提升系統(tǒng)可靠性的“單點瓶頸”，其重要性不言而喻。

STS以SCR為核心技術(shù)，現(xiàn)階段SCR是一種技術(shù)相當(dāng)成熟的產(chǎn)品，其可靠性相對于UPS的功率變換模塊要高出2個數(shù)量級左右（參考GJB/Z299B-98《電子設(shè)備可靠性預(yù)計手冊》）。國產(chǎn)優(yōu)質(zhì)SCR的故障率為10-6/h，進(jìn)口知名品牌的故障率更是可達(dá)到10-7/h。ATS作為傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換開關(guān)，為機(jī)械結(jié)構(gòu)，以接觸器為切換執(zhí)行部件，其綜合可靠性較STS更高。故ATS/STS的可靠性為“6個9”較符合實際，此時雙總線系統(tǒng)的可靠性理論上可以達(dá)到“11個9”。

在負(fù)荷容量較大，同時可靠性要求較高時，采用冗余并機(jī)“N+X”即使選擇單體容量較大的UPS，其N值也往往很大（N>7），而N+1冗余并機(jī)隨著N值的增大可靠性會逐漸降低，這勢必將導(dǎo)致Asys<“6個9”的標(biāo)準(zhǔn)。在這種情況下，雙總線方案就可滿足容量和可靠性的雙重要求[5]。

2.3 經(jīng)濟(jì)性對比

表3對雙總線和一般冗余并機(jī)的投資問題進(jìn)行了對比，采用冗余式雙總線400kV·A “2＋1”UPS供電系統(tǒng)的單位功率投資與采用250kV·A“1＋1”冗余并機(jī)UPS系統(tǒng)的單位功率投資大體相當(dāng)，所不同的是采用冗余式雙總線方案UPS供電系統(tǒng)的初期投資會較大，但與其提供的高可靠性相比，是相匹配的。

表3 經(jīng)濟(jì)性對比分析Table 3 Economy comparison

3 總結(jié)

由上述分析，現(xiàn)將兩種方式的并機(jī)方式總結(jié)如下，見表4。

表4 兩種方式的并機(jī)方式優(yōu)缺點總結(jié)Table 4 Summary of advantages and disadvantages of the two parallel operation modes

現(xiàn)階段，由于技術(shù)成熟、成本較低，“N+1”冗余并機(jī)的可靠性已可滿足大多數(shù)服務(wù)器及交換機(jī)設(shè)備“6個9”的基本要求；在N>7，即系統(tǒng)容量較大（250kVA～400kVA）的情況下，可以采用“N+2”并機(jī)方式（3+2并機(jī)優(yōu)先）用以補足可靠性的缺口，同時避免雙總線并機(jī)過高的投資。對于容量和可靠性均有極端要求的場合，雙總線系統(tǒng)的優(yōu)勢將體現(xiàn)出來：在大容量的同時，可保證“10個9”以上的系統(tǒng)可靠性，且單位功率投資與“N+1”相較也不具劣勢。

UPS配電系統(tǒng)的配置成本同時也與蓄電池的選型和維護(hù)密切相關(guān)，蓄電池的選型需要綜合以下因素進(jìn)行綜合判斷：單體蓄電池可靠性、容量、電壓等級、維護(hù)方式、重量、安裝方式、端子類別等，本文不再贅述。值得注意的是，對于儀控系統(tǒng)所涉及的服務(wù)器、交換機(jī)等負(fù)載，由于負(fù)載的發(fā)熱量較大，在進(jìn)行廠房及電源設(shè)計階段，需要額外考慮負(fù)載所屬廠房的空調(diào)及通風(fēng)設(shè)備的供電需要由蓄電池作為備用，以防止在常規(guī)電源失效的情況下，儀控類負(fù)載失去冷媒而造成設(shè)備過熱損壞甚至火災(zāi)。