核電廠儀控系統UPS并機系統可靠性分析

張崇達

（中核集團三門核電有限公司，浙江 三門 317112）

0 引言

國內目前有數十座運行和在建核電廠，自福島核事故發生后，當局對核電廠運行的監管要求越來越高。二代半及三代核電廠對數字化儀控系統具有較高的依賴度，一旦儀控系統出現故障，就很可能導致安全性事故的發生，輕則停機停堆，重則損壞機組設備甚至造成人員傷亡。而保證核電儀控系統的安全可靠，首先要保證供電電源的可靠性，所以儀控系統電源的穩定性就顯得尤為重要[1]。鑒于此，確保核電廠控制系統的穩定性，首先要提高和保障控制系統電源的穩定性和可靠性。

在現階段，UPS的性能指標已可以完全滿足儀器儀表、服務器、交換機等負載設備的要求，人們更關注的其實是UPS系統的可靠性。供電系統可靠性在概念上包含了設備的可靠性、可管理性和可維護性，可靠性高、便于管理、故障后可快速修復等。下文將通過建立任務可靠性模型的方式對幾種并機方式的可靠性進行分析。

從實際出發，消除UPS單機可靠性瓶頸的最佳方式是采用適當的UPS并機方案。現階段常見的UPS并機方式主要有3種：熱備份供電、N+X冗余并機供電，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可靠性模型的方式對另兩種并機方式的可靠性進行分析。

1 主流UPS并機方式

1.1 冗余并機供電（N+X并機）

冗余并機是將兩臺或多臺UPS電源的逆變器模塊并聯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的并機主板控制，同時確保每臺UPS均分負載電流。

以“1+1”并機冗余供電為例，其拓撲結構如圖1。

圖1 1+1冗余并機Fig.1 1+1 Parallel operation

冗余并機具有以下特點：

1）冗余并機數量不宜超過3臺，并機數量過多一是會導致并網系統中的各UPS長期輕載運行，影響蓄電池的使用壽命；二是并機數大于2臺，環流情況趨于復雜，設備之間會互相干擾，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相比將失去優勢；另外，隨著并機數目的增加，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、均流技術都有很高的要求。第二代分散邏輯控制技術已經基本成熟，可以使兩臺UPS的輸出電壓相位差在±5%以內，基本不會影響負荷壽命；更為精確化的第三代無線逆變器并聯技術，現在只有少數一線廠商掌握，且尚未成熟，使用方可酌情選用相應的并機策略和產品[2]。

3）“N+X”冗余并機具有超強的過載能力，“1+1”并機系統至少具備50%的單機過載能力，且系統抗過載能力會隨N值的增大而進一步增加。這一點是熱備用并機所無法比擬的。

1.2 雙總線并機方案

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

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

2 并機可靠性計算

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

以下全部可靠性計算基于如下假設：

1） 各個子系統的故障是相互獨立的，即出現故障的子系統不影響其它系統的繼續運行。

2）各子系統的可靠性數據由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并機系統不考慮蓄電池組的可靠性。

根據可靠性理論，系統可靠性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與平均故障恢復時間MTTR的和。其最終表達式為：

由式（1）可以看出，提高系統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故障修復時間。

2.1 冗余并機（N+X并機）

所謂N+X并機即系統在運行狀態下，至少要保證N臺UPS可用方能滿足負荷需求，系統至多允許并機網絡中的X臺UPS損壞。

下文將利用可靠性模型及概率論知識對N+1并機的可靠性進行論證。

如圖2，該系統由N+X個可靠度相同的單元組成邏輯并聯結構，冗余度為X，即系統在僅有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（N+X）可靠性模型Fig.2 “N+X” reliability model

表1 N+X并機可靠性數據Table 1 “N+X” reliability data

以“4+1”并機為例，對其可靠性的計算過程進行列舉。

計算此并機系統的可靠性即計算系統至多有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

對于系統平均維修時間MTTR，可按如下估算：當多臺同容量、同規格的UPS冗余并機運行時，各臺UPS的可靠性與單臺運行時基本相同。但由于系統是冗余的，即系統允許部分（最多X臺）UPS宕機而仍能保證供電，故實際上系統發生癱瘓維修的概率非常小。可以認為各子系統的MTBF值并沒有變，只不過由于子系統故障后可以脫機修復，即冗余系統的MTTR大幅縮小了[4]。整個系統MTTRsys與子系統的平均維修時間MTTR1、系統的綜合可靠性Asys、子系統可靠性A1均有直接聯系，即子系統的可靠性越高，其平均維修時間在整個系統的平均維修時間所占比例就越小，因此對于N+X冗余并機系統有：

由式（3）推得，系統平均故障間隔時間為：

根據Benning、Astrid等廠商提供的數據，下列計算所需的UPS單機性能基本參數如下：

根據計算結果，各類并機的可靠性均滿足一般儀控設備“6個9”的要求，但“N+1”冗余并機隨著N值的增大，可靠性逐漸降低。可以預見的是：若N繼續增大，則終有一點并機系統的可靠性會低于UPS單機的可靠性（0.9999）。故在負荷量一定的條件下，N+1并機宜首選用“1+1”并機的方式；若負荷量較大，也要盡可能選擇并機臺總數少、單機容量大的并機方式。

另外，“N+2”的可靠性整體上達到“8個9”，優于“N+1”“6個9”。但其可靠性與“N”值并不滿足線性關系，而是在N=3這一點上出現了一個最大值。即若條件允許，選擇3+2的并機方式可以達到“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”并機高兩個數量級[5]。

2.2 雙總線并聯

對于雙總線結構來說，其可靠性模型相對于N+1冗余并機增加了ATS（自動轉換開關）、STS（靜態切換開關）等串聯部分，其主要功能是實現總線之間的負荷切換，其可靠性模型如圖3。

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

根據上文分析，雙總線系統一般用于負荷較大的情況，故現以7+1//7+1為例討論其綜合可靠性。

根據兩列總線的并聯關系，易得

表2進一步列舉了雙總線并機可靠性隨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 雙總線并機可靠性Table 2 Dual bus UPS reliability data

由表2可知，“7+1”UPS直接冗余并聯的可靠性為“6個9”。對應的雙總線系統在增加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”，則雙總線系統的可靠性與N+1并機基本持平（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“產出”是以指數趨勢增長的。通過其可靠性模型的結構也不難得出這一結論：ATS/STS作為雙總線可靠性模型的串聯部分，屬于提升系統可靠性的“單點瓶頸”，其重要性不言而喻。

STS以SCR為核心技術，現階段SCR是一種技術相當成熟的產品，其可靠性相對于UPS的功率變換模塊要高出2個數量級左右（參考GJB/Z299B-98《電子設備可靠性預計手冊》）。國產優質SCR的故障率為10-6/h，進口知名品牌的故障率更是可達到10-7/h。ATS作為傳統的轉換開關，為機械結構，以接觸器為切換執行部件，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，此時雙總線系統的可靠性理論上可以達到“11個9”。

在負荷容量較大，同時可靠性要求較高時，采用冗余并機“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冗余并機隨著N值的增大可靠性會逐漸降低，這勢必將導致Asys<“6個9”的標準。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 經濟性對比

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

表3 經濟性對比分析Table 3 Economy comparison

3 總結

由上述分析，現將兩種方式的并機方式總結如下，見表4。

表4 兩種方式的并機方式優缺點總結Table 4 Summary of advantages and disadvantages of the two parallel operation modes

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

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