电力系统UPS供电方案可靠性

电力系统UPS供电方案可靠性

孟晓丽

（巴彦淖尔电业局内蒙古巴彦淖尔市015000）

摘要：不间断电源(UPS)紧急供电系统是电力自动化系统安全可靠运行的根本保证，因此有必要对其可靠性进行定量评佑分析。在电力系统设计过程中，需要分析UPS供电方案的可靠性。本文将电子设备的可靠性分析技术引入到UPS供电方案的可靠性分析中，列举了电力系统中常见的三种UPS供电方案，并阐述了基于最小割集法的可靠性求解，其定量分析结果可为电力系统中UPS供电方案的选取提供参考依据。

关键词：UPS紧急供电方案；可靠性评估；电力系统；

1前言

随着计算机技术、网络通信技术和信息技术的发展，电力二次系统逐步实现了数字化和网络化，形成了各种自动化控制系统，其核心就是计算机网络系统。这些计算机网络系统的失效将直接影响到一次系统的可靠性，增加大电力系统停电的风险。不间断电源(UPS)供电系统是这些计算机网络系统可靠运行的基石，因此有必要对其可靠性进行定量评估，分析供电方案可靠性的薄弱环节，确定最优的增强性措施。

最近几年，我国电力系统的供电质量得到大幅度提升，大范围地满足了用户的电力需求。随着科技的不断进步，大型金融、医院、证券中心等对电力系统的供电可靠性提出了更为苛刻的要求。在这些重要场合，电力中断可能造成极大的经济损失或发生人生安全事故。一般可采用UPS(UninterruptedPowerSupply)来提供电力系统的供电可靠性。通常采用UPS系统为其提供高品质高可靠性的电源，因此UPS系统的可靠性受到了广泛的重视和研究。

同时供电系统的可靠性与经济性是密切相关的，用户在选择UPS解决方案时还必需平衡造价和可靠性两方面的因素，对UPS供电方案的可靠性与经济性进行定量的综合研究分析。电力系统UPS供电可靠性方面，许多学者进行了大量的分析研究，然而对其进行定量的分析还比较少。本文将对UPS供电方案的可靠性进行定量的分析研究，为其方案的选取提供参考依据。

2可靠性指标与评估方法

可靠性指标是定量评估系统可靠性的依据。本文根据UPS系统特点，参考电子设备和配电网可靠性指标，来评估UPS系统的可靠性水平，描述系统的可用性。

2.1指标

UPS是电力系统的重要组成部分，同时也属于电子设备。其可靠性分析可以借助于电子设备的可靠性分析技术，侧重于电力系统的供电能力方面。

2.2最小割集法

在本文中，割集是电子设备元件的集合，电子设备元件的失效会引起电力系统发生故障;最小割集中不含其他任何割集。N阶割集是指该割集中有N个电子设备元件。通常情况下，3阶以上的割集对电力系统不会产生失效影响。

3.UPS供电方案

3.1在电力系统中，常见的UPS供电方案有三种：

（1）单机在线供电方案。其实现方式;电力系统中，若输入母线与UPS电源都正常工作，这时，UPS电源处于充电状态，同时对负载供电;若UPS电源发生故障，则负载通过输入母线供电。当UPS电源正常，输入母线发生故障时，则负载由UPS电源供电。

（2）双机备用供电方案。其实现方式;在这类电力系统中，拥有两块UPS电源，若输入母线与UPS1、UPS2电源都正常工作，UPS1、UPS2电源处于充电状态，同时对负载供电;若UPS1电源发生故障，则负载通过UPS2电源供电，UPS2故障时类似;当UPS1、UPS2电源都发生故障时，则由输入母线对负载供电。

（3）多机并联供电方案。在电力系统中，UPS多机并联供电技术，其可靠性高，维护方便，但相对造价较高。

3.2.UPS方案结构

方案结构大多由输入母线单元和输出母线单元两部分组成,输入母线单元包括市电U、紧急发电机G、自动转换开关ATS和输入母线BI；输出母线单元由UPS电源、输出母线BO和静态转换开关STS组成。这里需要说明的是文中UPS电源特指蓄电池组和功率变换器部分，UPS系统指包括发电机G、市电U在内的整个解决方案。UPS电源按其工作方式不同可分为3种类型：单机在线、双机热备用、多机无线并联。

单机在线式UPS电源结构，其工作方式为：当输入母线单元正常时，如果UPS电源正常，则UPS电源一方面通过充电电路对蓄电池组进行充电，另一方面通过整流逆变电路向负载供电；如果UPS电源失效，则静态转换开关STS自动转换到输入母线，由输入母线直接向负载供电。当输入母线单元失效时，逆变器由蓄电池组供电，将蓄电池组中存储的化学能转化为负载所需的交流电能。

双机热备用UPS电源其工作方式为：当输入母线带电时一般由主机（UPS1）向负载供电；当主机内部出现故障时由从机（UPS2）向负载供电。当主机和从机都发生故障时，静态转换开关STS自动转换到输入母线，由输入母线直接向负载供电。当输入母线单元失效时，系统将蓄电池组中的化学能转换为负载所需的交流电能。

UPS的无线并联是近年发展起来的技术，它具有极高的系统可维护性，当单台电源出现故障时，可很方便地热插拔进行更换和维修。

4可靠性分析求解

4.1概述

本文以一220KVA重要负荷紧急供电系统为例，求解单机在线、双机热备用、多机无线并联三种UPS系统供电可靠性指标。三种方案的配置。在求解系统可靠性指标时本文做如下说明：

（1）在分析时认为市电U、发电机G、输入母线BI、输出母线BO和UPS电源各功能模块的故障时间和修复时间均服从指数分布。

（2）本文旨在研究UPS方案可靠性求解方法，三种方案针对相同的应用环境，即选用相同的发电机G、市电U、输入母线BI、自动转换开关ATS和输出母线BO；方案1和2选用相同的220kVAUPS电源，方案3选用80kVA具有无线并联功能的UPS电源。

（3）系统中各功能电路模块故障率参考产品厂商基于美国军用标准MIL-217-E模型得到的预测参数；各功能电路模块的平均修复时间12h。市电U的可靠性参数取我国一般大城市配电网可靠性标准：每月停电一次。

（4）忽略蓄电池组的充电过程，认为在任何时刻输入母线单元失效时蓄电池组可连续放电的时间都为其额定放电时间。

根据以上可靠性参数本文分两步求解系统可靠性指标：①基于状态空间法求解输入母线单元失效频率和平均修复时间；②根据最小割集法获取整个系统的可靠性指标。

4.2输入母线单元供电可靠性求解

三种方案输入母线单元的外部输入电源相同，都由柴油发电机和市电组成。

4.3系统供电可靠性求解

分析3种方案的工作过程，可得UPS系统的故障树。在故障树的基础上本文用最小割集法求解系统可靠性指标。是三种方案输入母线单元失效时间大于蓄电池组放电时间割集的频率和平均修复时间。

5综合可靠性与经济性分析

可靠性与经济性之间存在着对立统一的关系。如果UPS系统供电可靠性不高，那么在系统寿命周期内因供电失效造成的经济损失就大；如果提高UPS系统供电可靠性，那么在系统寿命周期内负载停电造成的经济损失会降低，但UPS系统解决方案的投资会相应的增加。

6结束语

本文提出了紧急供电系统解决方案简单实用的可靠性评估以及综合可靠性与经济性分析方法。通过应用于分析比较单机在线、双机热备用和多机无线并联三种UPS系统，以确定在各种不同负载时的最优解决方案，证实了其简单可行性。该方法同样对各种不同的解决方案的选型与决策具有一定的指导意义。

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