調度自動化系統UPS電源可靠性分析

劉曉松

（義烏市供電局，浙江 義烏 322000）

引言

隨著調度自動化系統的要求也越來越高，自動化系統設備的安全穩定運行不僅取決于系統設備自身，同時又依賴于電源系統為其提供可靠電力。當前調度大樓一般采用大型UPS集中供電，這種集中供電方式一旦電源系統出現故障，對于調度中心來說無疑將是災難性的后果。近年來電力調度的重大事故幾乎都與UPS電源有關。因此，電源系統建設與運行過程中必須將其可靠性要求放在首要位置。筆者基于多年來在UPS電源建設及運行維護方面的切身體會和經驗，就UPS電源建設及應用時應關注問題作出分析，以供大家參考。

1 UPS電源的系統構成

UPS電源系統由主設備以及配套設備組成，如圖1所示。

圖1 UPS電源系統的構成

UPS主設備包括主電路、控制電路和輔助電路。UPS主電路主要包括整流器、逆變器、靜態旁路三部分，是UPS為用戶負載提供高品質電源的電能變換、隔離、傳輸系統。UPS的控制電路是控制這些主電路部件正常有序運行的中樞系統，主要由檢測、運算到執行的一系列控制板組成。輔助電路主要包括內部控制電源、內部風扇等關鍵的易損壞部件。配套設備包括儲能蓄電池及輸入、輸出配電系統。

2 影響UPS主設備可靠性的因素

2.1 UPS主電路

UPS主電路主要包括輸入端的整流器、逆變器、靜態旁路三部分，是UPS為用戶負載提供高品質電源的電能變換、隔離、傳輸系統，如圖2所示。

圖2 UPS主電路

2.1.1 UPS輸入端，即整流器。UPS整流器的主要功能是將來自電網的普通交流電源整流成直流電源，一方面向后端的逆變器供電，同時對蓄電池進行充電。由于它直接和外界電網相連接，所以在UPS的輸入端應有完善的保護功能，來抑制和消除來自電網10/700S5KV雷擊電壓沖擊和8/20Μs20KA的雷擊電流沖擊，保證UPS輸入整流器的安全性，這對于中大功率UPS顯得尤為重要。這要求調度大樓配電室不僅要配制適當的避雷器，而且UPS本身也應有防雷部件。此外，應在整流器的輸入、輸出同時配置LC濾波器，以進一步消除來自電網的任何電壓、電流浪涌，保證整流器的安全。如圖3所示。

圖3 LC濾波器和輸出電感的位置

影響UPS輸入端可靠性的另一個關鍵因素是，UPS輸入端是否配備了優良的輸入軟啟動特性。所謂軟啟動功能是指在整流器重新開啟時，其輸入功率是緩慢“爬升”到額定功率，而不是突然增加，有的UPS電源這一爬升時間一般可設置到60秒以上，必要是應同時設置“輸入限流技術”。這一功能不僅保護了整流器的安全，增加了UPS設備自身的可靠性，同時也將大大緩和UPS電源對供電電網的“沖擊”。

（2）UPS輸出端，即逆變器。逆變器是UPS內部最關鍵的部件之一，它負責將來自整流輸出或電池的直流電變換為交流電，向負載提供與市電無關的交流凈化電源。它的可靠性與負載突加突減的電流沖擊密切相關，同時也受切換沖擊電流的影響。這就要求在UPS的輸出端應配置大電感，以抑制可能的大電流沖擊，如圖3所示。同時，UPS應具有切換時的電壓自動提升功能，使UPS切換時的逆變器輸出電壓盡可能接近旁路輸入電壓，以減少切換壓差，從而減少沖擊電流。

(3)UPS靜態旁路。靜態旁路是UPS故障時的應急通路，它由三相雙向晶閘管開關組成。由于旁路是直接將電能不經任何變換、直接傳遞給負載的通路，因此為了保障負載和旁路自身的安全，旁路應配置隔離變壓器，以雙向緩沖來自電網高壓浪涌沖擊和來自負載的電流突變沖擊。這一旁路變壓器的另一突出優點，還在于它徹底消除了長期困擾用戶的零地電壓問題，眾所周之，機房的零地電壓國家標準為小于1V，但是由于電網三相負載的不對稱、非線性負載的廣泛存在，或雷擊感應電壓，都使零地電壓經常在3V以上，這嚴重影響了用戶計算機負載的正常工作和安全。要消除這一零地電壓，唯一的途徑就是在UPS的旁路回路配置隔離變壓器，以實現UPS輸入零地與輸出零地的徹底隔離。

2.2 UPS控制電路

UPS控制電路是整個UPS的核心部件，它通過傳感器檢測UPS的輸入輸出參數，環境參數，經過內部微處理器復雜的綜合處理，調控主電路部件的工作。但是由于它所有的元器件均是信號級敏感電子部件，而且數量巨大、電路復雜、易受電場、磁場、溫度、濕灰塵等的綜合影響，成為UPS內部最薄弱、故障率最高的部件，也是影響UPS可靠性的焦點問題。

現代UPS的控制電路均由一系列不同功能的控制板組成，但是不同的UPS差異巨大，歸納起來最主要的有以下三點:一是控制板數量，多的高達20多塊印刷電路板，少的僅4塊;二是控制板之間的連接方式，有的有成捆的扁平電纜，有的連一根扁平電纜也沒有，完全采用簡單的網絡線來連接;三是控制方式，有模擬控制、半數字半模擬控制、數字控制之分。

在同樣的控制功能下，控制板的數量清晰地反應了控制系統集成度的高低。集成化是提高電子電路可靠性的革命性變革，集成度越好可靠性越高已是業界一致的共識;其次控制板之間的連接方式，反應了控制系統的繁雜程度，及控制板之間的依存關系，無疑相互之間的連接線越少，依存關系越簡單，出問題的概率也就越少。特別值得一提的是，內部控制電路的網絡化連接極大地提高了可靠性。數字控制與模擬控制相比其優點是顯而易見的，消除了模擬控制所帶來的參數漂移和不穩定性。盡管在目前的UPS市場上已基本淘汰了模擬控制的UPS，但是以半數字半模擬控制的UPS在市場上不在少數，其顯著的特征是某些參數還需要用電位器來設定，完全不象全數字式的UPS，所有的參數與基準全部通過電腦經串口寫入。

2.3 UPS輔助系統

在UPS內部最重要的輔助系統是控制電源和散熱風扇，因為控制電源的故障將使內部控制電路完全失電，而風扇是保證內部主電路和控制電路部件不至因過溫而關機的重要冷卻部件。

(1)UPS內部的輔助電源板負責向各控制電路板提供低壓直流電源，如果輔助電源出現故障，控制電路將會停止工作，UPS系統將隨之癱瘓，甚至都不會轉旁路。因此UPS內部的輔助電源必須為冗余結構，提供多路并行供電輔助電源，可以分別取自市電輸入、旁路輸入、逆變器輸出。這種冗余設計保證了主機控制電路在任何情況下都能正常工作。

(2)UPS電源是一種電能轉換設備，在轉換過程中由于功率器件的開關損耗，將產生大量的熱量釋出。電子元件的工作穩定性及老化速度都是和環境溫度息息相關的，所以UPS電源中需要增加風扇以便將能量轉換中堆積的熱量迅速排出電源本體之外。而一旦電源風扇發生轉速降低、停轉，那么電源中堆積的熱量將迅速增加，輕的導致電源內部溫度升高，使功率器件、控制器件、電阻電容等電子元件的工作穩定性降低、老化速度加速，重的將導致整個UPS系統因過溫而自保護關機，使負載的供電中斷。因此在風扇的設計上應，即必須有冗余的風扇備用，即使有風扇故障損壞也采用冗余方式不會影響到UPS系統的散熱。而且風扇屬于易損件，長期高速運轉老化磨損是不可避免的，因此風扇可帶電更換也是十分重要的。只有風扇采用低壓直流供電的UPS才能完全實現熱插拔功能。

（3）為了提高風扇的壽命和整機的可靠性，進風口安裝過濾網，使得風扇在很少灰塵的環境下工作，這不僅將延長風扇壽命，也將提高UPS內部電子部件的可靠性。

3 影響UPS系統可靠性的主要配套設備

UPS配套設備包括蓄電池、輸入輸出配電及切換系統，它們與UPS電源系統的可靠性休戚相關。

蓄電池是最為重要的配套設備，蓄電池的可靠性取決于自身的品質，同時也取決于UPS電源中的電池管理系統，電池管理系統的檢測、充電和自動維護方式往往影響電池壽命的長短。由于蓄電池的在不同倍率下的放電特性不同，而用戶負載量又是隨時間隨機變化的，所以一般UPS產品在測試電池容量的誤差率都比較高(20%～30%)，精確測定蓄電池的狀態并不容易。目前一種與負載大小無關的，基于電池恒功率放電的蓄電池測試專利技術解決了這一問題。

這一技術的關鍵是測試蓄電池時功率，確保蓄電池在測試時按設定的恒功率放電，而這一功率與負載大小無關，從而實現了電池狀態的精確測定。同時這一測試采用小容量定量放電僅釋放電池安時容量，保證了用戶對電池充(10%)放電次數過道和放電測試過程中市電突然停電的擔憂。然后根據測得的蓄電池狀態，啟動電池均充功能，確保蓄電池的使用壽命不會應得不到定期活化而顯著縮短。

4 UPS并機冗余系統及其可靠性問題

為了進一步提高UPS供電的可靠性，電力調度中心UPS系統應構成冗余系統。

UPS冗余系統通常可分為串聯冗余和并聯冗余二種，串聯冗余系統中的兩臺UPS，一臺帶載，另一臺處于空載熱備用狀態，即將空載熱備用狀態的一臺串入另一臺帶載運行UPS的旁路中。并聯UPS冗余系統中的每臺 處于輸出鎖相同步狀態，各臺UPS均分負載。由于并聯冗余具有增加帶載能力、提高系統可靠性的特點，所以目前并聯冗余得到普遍使用。現在調度自動化系統中的服務器都是雙電源輸入的，采用并聯冗余是最合適不過的了，但是系統中還有交換機、數據采集單元、GPS等設備，它們是單電源的設備，所以它們只能用一臺UPS電源帶載運行，這臺UPS出現故障時整個自動化系統同樣會出現癱瘓的現象。但是這些單電源設備有它自身的優點：上電后自動運行，不需要認為干預，并且啟動時間不長，因此綜合考慮我們采用了串聯冗余和并聯冗余相結合的方式（每臺UPS的容量均能承載整個系統的電能供應），接線圖如圖4所示：

圖4 自動化系統電源接線圖

由圖可知此接線采用兩個UPS電源供電，具體工作方式如下：（1）并聯冗余方式：此工作方式下UPS1的電源開關1是閉合的，UPS2的電源開關是斷開的。UPS1電源帶各服務器的一路電源輸入及單電源設備，UPS2帶各服務器的另一路電源輸入，這種接線方式使得兩臺UPS的負載基本是平衡的，只是正常工作是UPS1的負載略大于UPS2。（2）當UPS2檢修或故障時，各服務器仍有一路電源由UPS1提供，不會造成服務器的斷電，其他單電源設備仍由UPS1負載。（3）當UPS1檢修或故障時，各服務器仍由一路電源由UPS2提供，不會造成服務器的斷電，其他單電源設備掉電停運，但這時我們只要將UPS2的電源開關2合上，UPS2電源就會通過自動切換裝置將單電源設備切換至UPS2電源負載，這樣就會大大縮短系統的故障時間。由于這種工作方式服務器的雙電源都有UPS2提供，UPS2的負載相對較大，這時可以將接入UPS1的電源輸入斷掉，這樣就可以減少UPS2的部分負載。

4串聯冗余和并聯冗余結合的工作方式：UPS1的電源開關1閉合后，系統負荷由兩臺UPS共同負載。然后再將UPS2的電源開關閉合，由于自動切換裝置在UPS1沒有掉電的情況下，自動裝置不會切換至UPS2電源。這種工作方式就是在UPS1正常時UPS1和UPS2并聯冗余，同時UPS2為UPS1的串聯冗余電源。當UPS2故障時，只有各服務器的一路電源掉電，單電源設備不會掉電，系統正常運行；當UPS1故障時，自動切換裝置動作，將負荷切換至UPS2，UPS2帶全部負荷。由于切換時間很短，單電源設備可能不會出現停運現象，即使有設備停運但是也會在極短的時間（一般最常為5分鐘）內恢復運行。這樣就大大縮短了系統的故障時間，保障系統的穩定運行。

5 結束語

調度自動化系統的UPS電源的可靠性問題對于系統設備的安全運行是至關重要的。UPS電源的可靠行固然依賴電源本身的設計原理、實現方式、結構及制造工藝等，但是從文章中我們也可以看出合理的運行方式也同樣可以提高UPS電源的可靠行。只有這樣才能使得UPS電源的可靠行在系統建設與運行過程中得到現實體現。

[1]邱關源主編.電路.北京：高等教育出版社，2006.

[2]李成章主編.UPS電源及電路圖集.北京：電子工業出版社，2002.

[3]張乃國主編.UPS供電系統應用手冊.北京：電子工業出版社，2003.