一、前言
　　
　　电源质量问题的成本可能非常高,包括停工成本、数据损失、设备损坏,医疗设施的电力损失甚至可能导致生命损失。不间断电源(UPS)系统的主要目的是在正常的电力系统发生故障时提供电源,即在一定时期内为关键负载设备提供可靠的服务见参考文献[1,2]。由于这个简单的原因,预测UPS的可靠性指数对于确保持续的电力供应是非常重要的。
　　
　　许多论文讨论了预测UPS系统的可靠性的方法。其中一个通常使用的方法是状态空间法见参考文献[3]。在这种方法中,所有可能的系统状态都必须被确定,并且必须构建状态转换图,以显示系统状态之间的相互依赖关系。系统状态的概率和状态间的转换率必须被确定。构建冗余和大型系统的状态转换图的困难使得该方法作为确定电力系统可靠性的方法变得不太流行。
　　
　　论文本参考文献[4]使用最小切割集方法对备用和应急电源系统进行了可靠性分析。在这篇论文中,作者考虑了一个带有备用发电机的不间断电源。这种方法与状态空间法非常相似,必须构建状态转换图,并首先确定状态间转换率和稳态概率。该方法还通过使用一阶、二阶和条件二阶切割集操作,介绍了系统故障频率和平均停机时间的关系。作者提出,有一个额外的发电机可以显著降低中断频率,但系统的平均停机时间却没有变化。
　　
　　论文本参考文献[5,6]描述了基于马尔科夫链的UPS可用性和可靠性性能的分析方法。文中考虑了一个典型的电信直流不间断电源系统。通过对系统的全面分析,构建了直流不间断电源中主要部件的故障树和马尔可夫状态空间模型。获得的结果是有用的,因为每个主要部件的可靠性参数可以单独实现,整个系统的最终结果可以很容易地进行比较。然而,为了构建系统的马尔可夫图,对系统运行的高度理解是必不可少的。和前面的其他两种方法一样,这种方法在UPS的可靠性分析中使用的可能性较小。
　　
　　由于构建不间断电源系统模型的难度和复杂性,各UPS厂商依赖于现有的现场数据见参考文献[7-9]。通过跟踪产品在现场的故障率,UPS制造商可以快速识别和解决产品缺陷的问题。该方法包括跟踪产品的样本群并收集故障数据。有了这些数据,就可以计算出故障率和平均无故障时间(MTBF)。
　　
　　本文提出了可靠性框图(RBD)方法,用于预测三种类型的交流不间断电源的故障率(λ)和平均故障间隔时间(MTBF),即在线不间断电源、离线不间断电源和线路互动不间断电源。考虑了组成UPS的主要部件的可靠性指数,并对整个系统进行了仔细建模。最后,通过考虑整个系统的可靠性,对交流不间断UPS进行比较。
　　
　　使用RBD方法来估计UPS系统的可靠性参数,其优势可以体现在几个方面。
　　
　　1.1 构建可靠性模型简单,因为它与系统结构图/布局相当接近。
　　
　　1.2 与其他方法相比,RBD模型需要较少的组件数据来获得可靠性指数。
　　
　　1.3 RBD模型可以清楚地显示系统中各部件的相互依赖关系,因为它们将被串联或并联在系统的输入和输出节点之间。
　　
　　1.4 每个组件的输入数据(即故障率)都是独立于其他组件的。因此,可对系统中的每个组件进行可靠性分析,以研究其对整个系统的影响。
　　
　　二、不间断电源（UPS）系统的分类
　　
　　2.1 在线式UPS
　　
　　在线式不间断电源的正常运行中,整流器/充电器模块将市电输入交流电整流为直流电,一方面为电池充电,另一方面作为逆变器的输入。在市电故障时,逆变器由电池回路提供电源继续运行向负载提供交流电。在本文中,考虑了两种类型的在线不间断电源:带旁路和不带旁路的在线不间断电源。在有旁路的系统中,安装了一个静态开关,能够在不中断供电的情况下将负载转移到旁路电源。图1说明了在线不间断电源的操作。
　　
　　2.2 离线式UPS
　　
　　对于离线式UPS而言,在正常运行时关键负载由旁路线路供电,如图2所示。因此,负载会受到任何在可接受的旁路电压范围内的市电干扰。蓄电池充电器连续工作,以保持蓄电池处于浮充状态,逆变器处于空闲状态,以提高整个系统的效率。在市电故障期间,或当输入超出预设的可接受限度时,静态开关将负载转换到逆变器供电上。蓄电池将向逆变器模块提供直流电,而逆变器模块将转换为交流电以供给负载。当供电恢复后,静态开关将负载连接回市电。如果在电池达到最低放电电压前市电仍然没有恢复,电池就会一直工作到其放电周期结束,因电池电压低而切断电池开关导致逆变器停止工作。
　　
　　2.3 在线互动式UPS
　　
　　在线路交互式UPS中,正常运行时负载由变压器回路提供电源,电池由双向变换器将交流电转换为直流电为电池供电。在市电中断的情况下,负载由电池通过双向变换器将直流电逆变为交流电供电,如图3所示。在线互动式UPS的结构与离线式UPS基本相同,只是在主用回路中增加了一个可调节的变压器,根据负载需要可以进行升压或降压操作。因此,抗市电干扰能力要比离线式UPS强。
　　
　　三、可靠性模型的建立
　　
　　3.1可靠性框图的基本原理
　　
　　在可靠性框图方法来分析可靠性时,必须先建立系统的可靠性模型,以计算UPS的整体系统的可靠性。图4说明了使用RBD方法进行的可靠性计算的基本原理。
　　
　　如图4所示,如果模块1和模块2的故障率分别为λ1和λ2。如果各模块串联,任何一个故障都会导致系统故障,则串联系统的故障率表示为:
　　
　　λS=λ1•λ2(1)
　　
　　对于并联系统,所有部分都必须发生故障才能导致系统故障,则并联系统的故障率表示为:
　 　　
　　因此,根据上述理论可以看出必须给出模型中每个模块故障率λ,然后可以从模型中计算出整个系统故障率。
　　
　　3.2 以在线UPS为例的可靠性框图模型
　　
　　图5是带旁路的在线式UPS的可靠性框图模型。如前所述,静态旁路开关使旁路电源在UPS故障时为关键负载供电。在本文中,旁路线路与市电输入线路为同源输入。系统的结果可靠性模型显示,模块2和3为串联模式再与模块1并联。
　　
　　在构建了可靠性模型(串联和并联配置)后,通过使用公式1和2可以得到UPS系统的故障率(参考图5)。在本文中,为了简单起见,所有UPS系统配置的电池储备时间T都是1小时。系统故障率的公式如下。
　　　　
　　式中:λIN为市电输入故障率,λSW静态开关故障率,λM为主回路故障率,λREC为整流器故障率,λBAT为电池故障率,λINV为逆变器故障率,λTOTAL为系统总故障率,λ1为模块1的故障率,λ2为模块2的故障率,λ3为模块3的故障率。
　　
　　四、可靠性分析
　　
　　为了使用可靠性框图(RBD)方法进行可靠性预测,必须获得系统中各部件的可靠性值。本文使用了IEEE-STD-493中的数据表,这些数据表提供了基于现场测量数据的电气设备的可靠性值[10-12]。表1给出了使用RBD方法计算UPS整体系统可靠性所使用的故障率(MIL-HDBK-338B,1998;IEEE标准446-1995)。
　　
　　表2给出了用可靠性模块故障率计算得到的各种UPS系统故障率,本文将故障率作为UPS评价系统可靠性的指标。故障率(λ)是指在知道[0,t]之间没有发生故障的情况下,一个实体在[t,t+dt]区间内失去完成某种功能的能力的概率。平均无故障时间(MTBF)是两次故障之间的预期运行时间。MTBF是故障率的倒数(即MTBF=1/λ)。
　　
　　从RBD方法得到的结果清楚地表明,采用在线式UPS具有最佳的MTBF值(即5.62年),离线UPS显示了最低的MTBF值,即3.99年。该结果表明,带旁路的在线式UPS的可靠性相对其它两种UPS而言可靠性最高。
　　
　　可靠性框图的可靠性分析主要通过改变UPS中主要部件的MTBF对UPS系统整体可靠性的影响。因此,所得到的结果可以用来确定需要改进的模块,以实现最高的系统可靠性。可靠性框图的可靠性分析是通过增加组件的MTBF值来完成的,该值对整个系统MTBF的影响由所得到图的斜率来表示。
　　
　　如图6所示是市电MTBF值对不同类型UPS系统的MTBF的影响。可以看出在线互动式UPS和离线式UPS的MTBF高度依赖于输入市电的MTBF,而输入市电的MTBF对在线式UPS几乎没有影响,因为旁路线路将在逆变器或电池故障时提供另一条交流电源路径。
　　
　　如图7所示是整流器MTBF值对不同类型UPS系统的MTBF的影响。当分析每个UPS配置的整流器/充电器MTBF值时,可以看出在线互动式UPS整体MTBF高度依赖于双向转换器MTBF。因此,可以通过提高双向转换器的平均无故障时间来提高UPS的可靠性。在线式UPS的MTBF不依赖于整流器MTBF。离线式UPS对整流器MTBF的依赖只有在整流器MTBF较低的情况下,系统MTBF才有明显的改善。
　　
　　如图8所示是逆变器MTBF值对不同类型UPS系统的MTBF的影响。在线式UPS的可靠性高度依赖于逆变器的平均无故障时间。逆变器的平均无故障时间对离线UPS的MTBF影响较小。
根据以上分析可总结出各部件MTBF值对UPS系统可靠性的依赖程度,表3显示了UPS系统中的主要部件对整个系统的MTBF值的影响。
　　

　　五、结论
　　
　　UPS系统的目的是在正常的电力系统发生故障时提供电源,即为关键负载设备提供可靠的服务,可靠性计算用于确定特定系统在特定时间段内无故障运行的概率。本文提出了用于UPS系统可靠性分析的RBD。该方法的主要优点是在构建RBD可靠性模型时非常简单,因为它与系统的原理图非常接近。RBD模型还可以显示系统中各部件的相互依赖关系,因为它们将被串联或并联在系统输入和输出节点之间。这种方法能够产生整个UPS系统的可靠性指数,使用户能够进行可靠性分析,研究改变交流UPS中主要部件的MTBF对电力系统整体可靠性的影响。最终，所得到的结果可以用来确定需要改进的地方，以达到最高的系统可靠性。
　　
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　　编辑：Harris