基于故障树法的UPS系统可靠性分析

刘振宇，李 晶，惠青文，张 慧

（1.北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100045；2.上海泽高电子工程技术股份有限公司，上海 201900；3.西安市轨道交通集团有限公司，陕西 西安 710018）

1 UPS可靠性分析现状

由于电网存在谐波、电压浪涌、电压脉冲、持续过压或者欠压以及断电等问题，直接接入市电容易导致电子设备无法正常工作，甚至损坏，造成经济损失。UPS通过滤波、整流、逆变等电力电子过程，能够提供稳定、纯净的电能，同时UPS内部包括独立的蓄电池，可以保证不间断的电能供应，目前已广泛应用于银行、铁路、机场等地的计算机系统、网络系统以及数据系统等对电源质量要求较高的电子系统[1]。

国内外多位学者讨论了预测UPS系统可靠性的方法。文献[2]提出了可靠性框图（RBD）方法来模拟UPS系统的可用性和可靠性参数。在该方法中，每个块代表系统中的单个主要组件，并且使用每个组件的故障率来估计整个系统的可靠性。然而，该方法没有考虑组件故障的原因，这将使系统设计者或制造商难以执行系统的故障识别和修改。毕锦栋等基于六性协同工作平台的马尔可夫过程模块对UPS系统的可靠性指标进行了认证和分析，该方法可快速地求解UPS系统的可靠性指标[3]。崔江海针对UPS供电存在的问题，分析了UPS电源分散配置、集中配置、静态开关与UPS组合供电3种不同供电方式方案及其可靠性，指出了UPS安装、使用需要注意的问题[4]。宋学东针对如何确定UPS的可靠性指标（MTBF和MTTR）进行了论证和分析，介绍了UPS在逆变器模式下和逆变器加旁路模式下MTBF的计算方法，说明了在计算UPS时应考虑的问题[5]。

本文提出了故障树分析（FTA）技术来分析UPS系统的可靠性。故障树分析法是一种自上而下的方法，系统发生故障的概率是根据系统中各组件中故障的事件的故障率来计算的[6]。本文分析了4种拓扑结构下UPS系统（UPS加旁路方案、UPS串联冗余方案、UPS并机冗余方案、UPS并机双母线方案）的故障率、平均无故障工作时间等可靠性指标。

2 可靠性分析方法

2.1 可靠性定义

可靠性指标是系统或单元在特定条件下实现其功能的能力[7]。一般来说，模块是可靠性分析中最基本的单元，在研究过程中不需要再对其内部结构进一步分析，将其视为一个整体，直接考虑其参数即可。

单元的失效率一般用λ表示，如果某个单元在t时刻正常工作，当t趋于0时，该单元在△t内失效的概率为（t，t+△t]，λ（t）还可以表示在t时刻某类单元在单位时间内出现故障的占比[8]。

在工程应用中，对λ的定义为式（1）：

式中N为样品总数；n为试验时间内出现故障的样品数量；△t为试验时间。

在UPS系统的可靠性评估中，假定不间断电源系统是可修复的，不间断电源系统的可靠性参数故障率外λ还包括平均故障间隔时间MTBF。在制造商的说明中，UPS系统的可靠性通常用其平均故障间隔时间来MTBF指定，见式（2）。

2.2 故障树分析法（FTA）

FTA法是一种通过分析系统内模块的可靠性来计算系统故障概率的方法。通过计算系统内模块失效的概率，分析导致模块失效的原因，提出改进的办法，提高整个系统的可靠性，FTA法一共分为7个步骤。

步骤1：根据系统的功能图，明确系统的工作方式，绘制系统的可靠性框图。

步骤2：定义单元和模块的故障模式，分析并列出单元故障的原因及影响。

步骤3：定义顶事件，构造故障树，识别所有可能引起该事件发生的单元或单元的组合，构造故障树。本文将“UPS无法正常输出”定义为顶事件。

步骤4：将可靠性框图转化为故障树模型。

步骤5：确定系统中各单元的故障发生概率，本文假设各单元的失效分布均服从指数分布，于是故障率可以表示为如下公式。

在本文的研究中，令时间t为一年（即8 760 h）。

步骤6：确定系统中基本事件的故障数据，通过步骤4推导的模型，确定顶事件发生的概率。

步骤7：确定系统的可靠性指标。

3 UPS系统

不间断电源UPS（Uninterrupted Power Supply）可以通过滤波、整流、逆变等过程，为用电设备提供高质量的电能，同时UPS系统中的蓄电池还可以在市电断电的情况下提供后备保障，作为一种电力后备和电力净化系统，不间断电源系统已广泛应用于银行、医院、机场、铁路、政府等重要的场所。目前，各行业机房所用的UPS主要包括在线式UPS（Online UPS）电源和后备式UPS（Offline UPS）电源。

在线式不间断电源（Online UPS）主要由整流单元、逆变单元、隔离变压器、蓄电池、静态转换开关（Static Transfer Switch，STS）等组成[9]，在线式不间断电源原理图如图1所示。

图1 在线式不间断电源原理图

当市电电压正常时，输入的电流首先在整流单元处理后变为直流电源，经过处理后的电流一路由逆变单元转化为交流电源，最后输出到负载。此外，直流电源还需要通过充电电路为蓄电池进行充电。当市电异常时，整流模块停止工作，UPS会接通蓄电池供电开关，此时蓄电池作为UPS的输入，蓄电池输出的直流电源经过逆变模块转化为交流电，为设备进行供电。当逆变器、输出变压器等设备出现故障后，自动转换开关（STS）会切换旁路供电，此时市电经过稳压器直接供给用电设备。

常用的在线式不间断电源主要包括3种方案：

（1）UPS串联方案。这种配置方案内含有两台UPS，分别为主UPS和备UPS。这种配置方式可以看做单UPS加旁路方案的升级版，串联冗余配置方案下，选一台UPS作为主机，另一台作为备机，备机的输出接入主机的旁路。当外界电源输入参数没有超出UPS工作范围的情况下，主UPS的主路工作，为负载进行供电；当市电输入超限或者整流模块故障时，主UPS的蓄电池放电，通过逆变器为整个系统供电。当主UPS蓄电池电能消耗完毕或者逆变器或隔离变压器故障时，STS静态转换开关切换至旁路由备UPS进行供电。当主备UPS都故障时，由备UPS的旁路进行供电。

串联冗余配置方案实施起来比较容易，不强制要求两UPS型号相同，只要规格参数相同即可进行配置，极大地提升了UPS系统的可靠性。由于UPS串联冗余系统较单UPS加旁路方案，UPS系统的可靠性大幅提高，UPS掉电转旁路的概率也随之下降，所以这种配置方案下，旁路稳压器也可不设，UPS串联冗余系统结构图如图2所示。

图2 UPS串联冗余系统结构图

但是这种冗余方式缺点也很明显，由于市电正常时，备UPS一直处于备用状态，而主UPS长期负载率较高，形成了两个极端。同时备UPS的蓄电池很长时间内得不到使用，无法进行供电，且一直进行浮充，会极大地影响电池的寿命。若将主、备UPS在固定时间后进行轮换，即可避免此类问题出现。但是轮换过程中，备UPS的负载率从零瞬间变为高负载，可能会损坏UPS内部单元[10]。

（2）UPS并联方案。UPS并机冗余方案是将两台型号和容量完全相同的UPS并联在一起，采用分散旁路（每台UPS各设置一条旁路）方案设计，两台UPS输出接入并机模块，并机模块可以保证两台UPS输出的电压电流频率、相位和幅值都一致。每台UPS均有独立为所有负载供电的能力。正常供电情况下，并机模块将负载总功率均分给两台UPS，市电经过UPS主路的整流逆变等一系列变换输出纯净稳定的正弦波，此时旁路为备用状态，每台UPS的输出功率为负载总功率的50%。在UPS1主路无输入或者整流模块故障的情况下，蓄电池和逆变模块提供输入。在UPS1主路逆变模块或者隔离变压器故障，主路无法提供输入时，STS静态转换开关将主路断开进行维修，自动转换至旁路，旁路仍提供50%的负载功率。在UPS1主路旁路都故障的情况下，UPS1自动退出系统进行维修，由UPS2独自承担整个系统的供电，此时UPS2的供电方式与单UPS加旁路方案相同。同UPS串联冗余方案一样，该配置方案下，旁路稳压器也可不设。UPS并机冗余系统结构图[11]如图3所示。

图3 UPS并机冗余系统结构图

（3）UPS并联双母线方案。这种冗余方案下，信号电源系统需要采用两套独立的UPS系统，分别为A系和B系，每套系统的UPS可独立承担起所有负载的供电任务，而且A系和B系采用单独的母线结构，两套系统不会相互影响，UPS并机双总线冗余系统结构图[12]如图4所示。

图4 UPS并机双总线冗余系统结构图

4 UPS系统故障树模型

根据UPS系统结构图在故障树分析软件Arbre Analyste中建立UPS的故障树模型如图5所示。

图5 UPS系统的故障树模型

根据故障树模型计算不同配置下UPS系统的可靠性参数见表1。

表1 不同配置下UPS系统的可靠性参数

对于在线式UPS，共研究了4种方案下UPS系统的可靠性参数。方案1是加旁路的在线式UPS，该方案下的故障率为0.180，MTBF为48 700。方案2是UPS串联冗余方案，方案2故障率较方案1的故障率略微降低，可见在主UPS的旁路再加入一台UPS对故障率的降低并影响有限。方案3并机冗余UPS，这种情况下系统的故障概率较方案1降低了0.013，可显著提高系统的可靠性。方案4是方案3的升级版，增加了母线，故障率进一步降低，可靠性有所提升。

5 结束语

本文使用故障树分析法来估计不同配置方式下UPS的可靠性参数，如故障率，故障间隔时间和系统可靠性。分析了可能导致UPS故障的各底事件的类型及其故障率，最后利用故障树提供的路径计算出UPS的各项可靠性参数。并对所得结果进行比较和讨论。通过比较系统的可靠性参数，可以发现UPS并联方案和双母线方案可显著提升系统的可靠性。因此，在重要设施的UPS系统如轨道交通、航空、核电等行业中，建议配置冗余UPS和冗余母线，进一步提高供电的可靠性。