实时在线UPS电源监控系统硬件设计与分析

刘晓霞

四川水利职业技术学院信息工程系，四川崇州 611231

实时在线UPS电源监控系统硬件设计与分析

刘晓霞

四川水利职业技术学院信息工程系，四川崇州 611231

1 引言

在生产控制领域、电力电网变电站所、铁路信号联锁控制和大型商场超市等，都在使用UPS（Uninterrupted Power Supply，UPS）作为备用电源，以实现断电保护。而UPS电源技术在不断向前发展，一方面是新的功能不断集成到UPS系统，如远程监控、识别、事故记录与回放和自动故障告警等；另一方面，UPS电源系统自身效率不断提高，如空载功耗的降低、功率密度的提高、绿色无污染、网络化、智能化、小型化和高可靠性等[1]。

对UPS电源进行控制以满足各种应用的要求。而UPS智能控制技术不断向前发展，其中高效率、实时在线监控、微型化、可视化和高可靠性等是其主要特点。相关研究者对UPS电源监控系统的硬件可靠性进行了研究。文献[2]从UPS电源控制的内部出发，对其可用性进行分析；文献[3]对UPS电源控制系统的串并联结构进行了可靠性计算；文献[4]利用可靠性寿命周期费用方法对UPS不同结构的系统进行了分析与计算；文献[5]研究了UPS系统可靠性，提出了提高UPS系统可靠性的冗余设计方案。这些研究，为提高UPS系统可靠性提供了依据和方法，但在研究中要么将UPS作为整体，要么按模块进行划分，未对UPS电源实时在线监控的硬件出发，对其进行可靠性分析与计算。

出于上述原因，本文首先设计中小型UPS电源在线监控系统的硬件，然后对硬件的可靠性进行定性分析与定量计算，最后分析UPS电源系统的可靠性。

2 系统硬件结构与设计

2.1 硬件体系结构

从硬件模块角度，对实时在线UPS电源监控系统进行划分，可分为整流滤波电路、校正电路、蓄电池组、充电电路、逆变器电路和控制模块等[6]。其中：滤波电路为系统提供直流电源；校正电路的专用是提高功率因数和减少干扰等；控制模块为UPS电源监控系统的核心，完成对充放电的实时在线监控与管理。由此得到系统的模块框图如图1所示。

本系统采用三星S3C2410x作为控制处理器，实现对UPS电源的实时在线监控。其控制系统模块架构如图2所示。

图1 UPS系统框图

图2 实时在线UPS电源监控系统硬件框图

2.2 检测电路设计

需要检测的信号有市电电流、市电电压、充电电流、充电电压、输出电流、输出电压和温度等[7]。市电作为系统正常工作和蓄电池组充电电源，在进入在线式UPS系统时，需要对其电压、电流和相位进行检测，对输入信号进行处理，以实现控制操作。

现场数据采集电路采集到的信号，先经过光电隔离、信号调理电路处理，然后将其输入到S3C2410x的ADC接口。如图3为市电的信号采集电路，其中U为隔离器件，以隔离市电的高电压、强电流；电路将市电的电流、电压信号经过处理后，输入到系统ADC接口，实现对市电信号的采集。

图3 市电信号采集原理图

为保证系统安全运行，还必须对市电交流旁路和UPS提供的交流进行相位差检测，并将其转换为电压信号，输入到S3C2410x的ADC接口。相位差检测电路如图4所示，通过电路将正弦信号转变为方波信号，经过调理电路将方波转换为可输入S3C2410x可接收的电压信号，实现相位差的信号采集。

图4 相位差信号采集原理图

还有很多电路，比如系统的电源电路、Reset电路、Flash电路和SRAM电路等等，在此不予以给出。

3 系统可靠性模型

要研究系统可靠性，必须有一个可使用的模型，再使用建立的模型对系统的可靠性进行分析与计算。

3.1 硬件可用性

系统硬件的每个模块由电子元器件（Electronic Components，EC）、电路及其结构（Circuit and its Structure，CiS）、电路板（Circuit Board，CB）和执行装置（Executive Device，ED）等组成，而每个组成部分必须满足一定的可用性要求，系统全部模块的可用性组成系统的可用性。

定义1设实时在线UPS电源监控系统的硬件由M个功能模块构成，即EUPSHM={F1,F2,…,FM}，且

（1）每个模块的失效率服从相同的分布，每个模块的维修率服从相同的分布；

（2）模块仅有正常和失效两种状态；

（3）Fi(i=1,2,…,M)的失效率和维修率分别为λi和μi；

（4）模块间相互独立，当且仅当所有模块可用则系统可用；

则系统的可用性A为：

系统硬件具有可用性的条件是当且仅当所有模块皆可用，且模块间相互独立。

3.2 单模块可靠性模型

若单个硬件模块由IEC1个EC、ICiS2种可选的CiS和ICB3种CB布线方式和IED4种可选的ED装置等构成。IP硬核所使用的器件或部件的种类是有差异的，不可能每个IP硬核使用相同的器件或部件构成，因此，假设IP硬核使用器件或部件的种类为n。

定义2单个IP硬核，若所有电子元器件的失效相互独立，且仅有正常和失效两种状态，则IP硬核电子元器件的失效率λMKECi为：

其中λGi表示第i类EC的失效率；πQi表示第i类EC的质量系数；Ni表示第i类EC的数量；n为EC的种类数。

经过选型比较，在设计模块时，选择失效率最小的CiS、CB和ED，从而得到IP硬核的失效率为：

其中，λCiSi为CiS的失效率；λCBi为CB的失效率；λEDi为模块ED的失效率。

由上述分析可得到单个IP硬核的硬件可靠度为：

从而得到模块的瞬时可靠度。

3.3 系统可靠性分析模型

设系统由n个模块构成，第i个模块的可靠度由式（6）确定，且系统的模块故障不可维修，则利用Markov理论可得到状态微分方程[9]：

且“0”表示系统正常；“1”表示第i个模块故障，其余模块正常，i=1,2,…,m。则系统在Δt内的状态转移图如图5所示。

图5 系统状态转移图

解式（7）得到系统瞬态可靠度，从而可实现对系统的可靠度进行分析与度量，做到定性分析与定量计算结合。

4 系统可靠性定量计算

有了系统可靠性模型与计算方法，就能够对系统硬件可靠性进行定量计算。

4.1 单个模块可靠度

每个硬件模块都具有失效率和可靠度。依据前面可靠性模型和相关标准，可方便进行模块的可靠性预计。

在设计时采用失效率最小的元器件，依据定义2对模块的失效率进行计算，从而得到模块总的失效率。在此以图3的电路为例，进行失效率计算[10-11]。元器件的失效率如表1所示。

表1 器件失效率表

同理可得其他模块的失效率，如表2所示（其中失效率为λ×10-6）。

表2 系统各硬件模块的失效率

4.2 系统可靠度计算与分析

由图2可知，系统可当成各模块串联来考虑，则系统的失效率为：

还需对系统的状态进行完整定义，具体为：状态0：系统的所有模块工作正常。状态1：局部硬件暂时性失效，系统可降级工作。状态2：局部硬件暂时性失效，且被检测到，系统可降级工作。状态3：局部硬件永久性失效，系统可降级工作。状态4：系统局部IP硬核发生失效，不能降级工作，导致系统完全失效。状态5：软件导致硬件失效。状态6：系统全局失效。其状态转移图如图6所示。

图6 系统状态转移图定义

由式（7）微分方程并解之，得到系统硬件可靠度为：

对比参考文献[12]中系统可靠性相关方法，对本文所设计的系统进行计算，得到结果如图7。

图7 本文方法与其他方法系统可靠度对比图

从图7可知，本文方法得到的实时在线UPS电源监控系统的硬件可靠性模型具有一定的实用性，在一定程度上提高了系统的可靠度，且模型符合IEC61165标准。对分析整个UPS系统硬件的可靠性具有实用价值。

5 结论

本文首先对实时在线UPS电源监控系统的硬件进行了设计，主要分析和设计信号采集电路，并设计了系统模块框图；然后对单个硬件模块进行可靠性分析并建模，同时对整个系统的硬件进行可靠性分析并建模；最后用所建立的单个模块的可靠性模型和系统可靠性模型，对系统的硬件可靠性进行定量计算。

[1]武振华，孙运强，姚爱琴.LPC2214的在线式UPS硬件设计[J].单片机与嵌入式系统应用，2009（10）：28-30.

[2]全亚斌.UPS电源系统的可用性设计[J].电源世界，2011（2）：55-58.

[3]陈志勇，成瑞芬，韩肖清.基于光蓄发电单元的动态电压应用研究[J].电力学报，2013，28（2）：91-96.

[4]Matas J，Castilla M，De Vicuna L G，et al.Virtual impedance loop for droop-controlled single-phase parallel inverters using a second-order general-integrator scheme[J].IEEE Trans on Power Electronics，2010，25（12）：2993-3002.

[5]朱利伟，曹播.电子信息系统UPS冗余设计与供电可靠性问题[J].电气应用，2009，28（18）：30-37.

[6]方天治，阮新波，肖岚.分布式三相逆变器冗余并联系统[J].南京航空航天大学学报，2012，44（6）：840-846.

[7]马运东，王爽.应用功率加权表决的逆变器并联同步控制[J].电工技术学报，2011，26（3）：110-115.

[8]周杭霞，郑朋.分布式并联冗余控制策略的研究与应用[J].电源技术，2010，34（6）：572-574.

[9]任鑫，赵新文，蔡琦.基于状态转移法的冷却水系统动态可靠性分析[J].中国舰船研究，2011，6（2）：81-84.

[10]Teng Xiaolin，Pham H.Reliability modeling of hardware and software interactions，and its applications[J].IEEE Transactions on Reliability，2006，55（4）：571-577.

[11]Mattavelli P.An improved deadbeat control for UPS using disturbance observers[J].IEEE Trans on Industrial Electronics，2005，52（1）：206-212.

[12]Ram M.On system reliability approaches：a brief survey[J]. Int J Syst Assur Eng Manag，2013，4（2）：101-117.

LIU Xiaoxia

Department of Information Engineering,Sichuan Water Conservancy Vocational College,Chongzhou,Sichuan 611231,China

For UPS power monitoring inadequacies,this paper introduces the design of the real-time online monitoring system. This paper designs the system hardware function module,and specific circuit principle diagram.And then,it applies a Markov theory to analyzing and modeling the reliability model of a single hardware function module and the whole system.It uses the model to quantitatively calculate the reliability of single hardware modules and the whole system.Through calculation and analysis, the method has practical value.

Uninterrupted Power Supply（UPS）;online monitoring;reliability;Markov theory

针对UPS电源监控方面存在的不足，设计了实时在线的监控系统。设计了系统的硬件功能模块，给出具体电路原理图；应用Markov理论，对系统的单个硬件功能模块和整个系统进行了可靠性分析与建模；应用所建立的模型，对单个硬件模块的可靠度和系统的可靠度进行了定量计算。通过分析计算，提出的方法具有一定的实用性。

不间断电源（UPS）；在线监控；可靠性；Markov理论

A

TN86

10.3778/j.issn.1002-8331.1307-0309

LIU Xiaoxia.Real-time online UPS power monitoring and control system hardware design and analysis.Computer Engineering and Applications,2013,49（24）：262-265.

刘晓霞（1976—），女，讲师，主要研究方向为计算机应用技术。

2013-07-23

2013-10-14

1002-8331（2013）24-0262-04