張崇達(dá)

（中核集團(tuán)三門核電有限公司，浙江 三門 317112）

0 引言

國(guó)內(nèi)目前有數(shù)十座運(yùn)行和在建核電廠，自福島核事故發(fā)生后，當(dāng)局對(duì)核電廠運(yùn)行的監(jiān)管要求越來(lái)越高。二代半及三代核電廠對(duì)數(shù)字化儀控系統(tǒng)具有較高的依賴度，一旦儀控系統(tǒng)出現(xiàn)故障，就很可能導(dǎo)致安全性事故的發(fā)生，輕則停機(jī)停堆，重則損壞機(jī)組設(shè)備甚至造成人員傷亡。而保證核電儀控系統(tǒng)的安全可靠，首先要保證供電電源的可靠性，所以儀控系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性就顯得尤為重要[1]。鑒于此，確保核電廠控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性，首先要提高和保障控制系統(tǒng)電源的穩(wěn)定性和可靠性。

在現(xiàn)階段，UPS的性能指標(biāo)已可以完全滿足儀器儀表、服務(wù)器、交換機(jī)等負(fù)載設(shè)備的要求，人們更關(guān)注的其實(shí)是UPS系統(tǒng)的可靠性。供電系統(tǒng)可靠性在概念上包含了設(shè)備的可靠性、可管理性和可維護(hù)性，可靠性高、便于管理、故障后可快速修復(fù)等。下文將通過(guò)建立任務(wù)可靠性模型的方式對(duì)幾種并機(jī)方式的可靠性進(jìn)行分析。

從實(shí)際出發(fā)，消除UPS單機(jī)可靠性瓶頸的最佳方式是采用適當(dāng)?shù)腢PS并機(jī)方案?，F(xiàn)階段常見(jiàn)的UPS并機(jī)方式主要有3種：熱備份供電、N+X冗余并機(jī)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(chǎng)合較少，本文暫不討論。下面將通過(guò)建立任務(wù)可靠性模型的方式對(duì)另兩種并機(jī)方式的可靠性進(jìn)行分析。

1 主流UPS并機(jī)方式

1.1 冗余并機(jī)供電（N+X并機(jī)）

冗余并機(jī)是將兩臺(tái)或多臺(tái)UPS電源的逆變器模塊并聯(lián)后再輸出電能的供電體系，要求每臺(tái)UPS的逆變器模塊由相應(yīng)的并機(jī)主板控制，同時(shí)確保每臺(tái)UPS均分負(fù)載電流。

以“1+1”并機(jī)冗余供電為例，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1。

圖1 1+1冗余并機(jī)Fig.1 1+1 Parallel operation

冗余并機(jī)具有以下特點(diǎn)：

1）冗余并機(jī)數(shù)量不宜超過(guò)3臺(tái)，并機(jī)數(shù)量過(guò)多一是會(huì)導(dǎo)致并網(wǎng)系統(tǒng)中的各UPS長(zhǎng)期輕載運(yùn)行，影響蓄電池的使用壽命；二是并機(jī)數(shù)大于2臺(tái)，環(huán)流情況趨于復(fù)雜，設(shè)備之間會(huì)互相干擾，同時(shí)增加安全隱患；三是采購(gòu)、搬運(yùn)、安裝成本過(guò)高，與大容量單體UPS相比將失去優(yōu)勢(shì)；另外，隨著并機(jī)數(shù)目的增加，其綜合可靠性將逐漸降低，這一點(diǎn)將在后文具體說(shuō)明。

2）對(duì)鎖相、同步、控制策略、均流技術(shù)都有很高的要求。第二代分散邏輯控制技術(shù)已經(jīng)基本成熟，可以使兩臺(tái)UPS的輸出電壓相位差在±5%以內(nèi)，基本不會(huì)影響負(fù)荷壽命；更為精確化的第三代無(wú)線逆變器并聯(lián)技術(shù)，現(xiàn)在只有少數(shù)一線廠商掌握，且尚未成熟，使用方可酌情選用相應(yīng)的并機(jī)策略和產(chǎn)品[2]。

3）“N+X”冗余并機(jī)具有超強(qiáng)的過(guò)載能力，“1+1”并機(jī)系統(tǒng)至少具備50%的單機(jī)過(guò)載能力，且系統(tǒng)抗過(guò)載能力會(huì)隨N值的增大而進(jìn)一步增加。這一點(diǎn)是熱備用并機(jī)所無(wú)法比擬的。

1.2 雙總線并機(jī)方案

雙總線UPS供電系統(tǒng)是指由兩套獨(dú)立的“N＋X”UPS冗余并機(jī)系統(tǒng)為核心，構(gòu)成雙總線輸入/輸出的冗余式UPS供電系統(tǒng)?！半p總線”是由“N＋X”型UPS冗余供電系統(tǒng)＋輸出配電柜＋負(fù)載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)（STS）所組成的UPS系統(tǒng)，一般還需配置負(fù)載同步控制器（LBS）。“雙總線”由兩路互為備用的進(jìn)線提供總電源，每路電源分別串聯(lián)有一個(gè)“自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)”（ATS）。此外，“兩套“N＋X”型并機(jī)系統(tǒng)的輸出分別連接到兩個(gè)“負(fù)載自動(dòng)切換開(kāi)關(guān)”（STS）的輸入端上，再將負(fù)載連接到STS的輸出端上。

雙總線UPS供電系統(tǒng)消除了可能出現(xiàn)在各種配電線路中由于各種設(shè)備、器件、線纜等因素而存在的單點(diǎn)瓶頸故障隱患。因此，當(dāng)其中一套“N+X”系統(tǒng)不可用時(shí)，另一套系統(tǒng)將承擔(dān)起供電可靠性保障的任務(wù)，即使維修過(guò)程中出現(xiàn)系統(tǒng)輸出中斷，也不會(huì)引起負(fù)載失電[3]。

2 并機(jī)可靠性計(jì)算

供電系統(tǒng)可靠性在概念上包含了設(shè)備的可靠性、可管理性和可維護(hù)性。其具體可量化為系統(tǒng)可靠性（Asys）、平均故障間隔時(shí)間（MTBF）及系統(tǒng)平均維修時(shí)間（MTTR）。下文將通過(guò)建立任務(wù)可靠性模型的方式對(duì)幾種并機(jī)方式的可靠性進(jìn)行分析：

以下全部可靠性計(jì)算基于如下假設(shè)：

1） 各個(gè)子系統(tǒng)的故障是相互獨(dú)立的，即出現(xiàn)故障的子系統(tǒng)不影響其它系統(tǒng)的繼續(xù)運(yùn)行。

2）各子系統(tǒng)的可靠性數(shù)據(jù)由UPS廠家提供，即MTBF1（平均故障間隔時(shí)間）、A1（可靠性）均為常量。

3）待分析的UPS并機(jī)系統(tǒng)不考慮蓄電池組的可靠性。

根據(jù)可靠性理論，系統(tǒng)可靠性A(t)定義為平均無(wú)故障時(shí)間MTBF與使用總時(shí)間的比，使用總時(shí)間為MTBF與平均故障恢復(fù)時(shí)間MTTR的和。其最終表達(dá)式為：

由式（1）可以看出，提高系統(tǒng)的可靠性最直觀的措施是提高平均故障間隔時(shí)間和降低系統(tǒng)故障修復(fù)時(shí)間。

2.1 冗余并機(jī)（N+X并機(jī)）

所謂N+X并機(jī)即系統(tǒng)在運(yùn)行狀態(tài)下，至少要保證N臺(tái)UPS可用方能滿足負(fù)荷需求，系統(tǒng)至多允許并機(jī)網(wǎng)絡(luò)中的X臺(tái)UPS損壞。

下文將利用可靠性模型及概率論知識(shí)對(duì)N+1并機(jī)的可靠性進(jìn)行論證。

如圖2，該系統(tǒng)由N+X個(gè)可靠度相同的單元組成邏輯并聯(lián)結(jié)構(gòu)，冗余度為X，即系統(tǒng)在僅有N個(gè)單元正常工作的前提下就可滿足要求。每個(gè)單元的可靠性為A1，平均故障間隔時(shí)間為MTBF1，平均維修時(shí)間MTTR1，則整個(gè)系統(tǒng)的可靠性、平均故障間隔時(shí)間、平均維修時(shí)間分別表示為：

圖2 冗余并機(jī)（N+X）可靠性模型Fig.2 “N+X” reliability model

表1 N+X并機(jī)可靠性數(shù)據(jù)Table 1 “N+X” reliability data

以“4+1”并機(jī)為例，對(duì)其可靠性的計(jì)算過(guò)程進(jìn)行列舉。

計(jì)算此并機(jī)系統(tǒng)的可靠性即計(jì)算系統(tǒng)至多有1臺(tái)UPS故障的概率，該事件A可以分解為兩個(gè)子事件A1和A2。

◇ A1：5臺(tái)UPS中有1臺(tái)故障。

◇ A2：5臺(tái)UPS全部正常工作。

◇ Asys=A1+A2=C54×0.99994×(1-0.9999)+C55×0.99995=

◇ Asys=0.9999999

對(duì)于系統(tǒng)平均維修時(shí)間MTTR，可按如下估算：當(dāng)多臺(tái)同容量、同規(guī)格的UPS冗余并機(jī)運(yùn)行時(shí)，各臺(tái)UPS的可靠性與單臺(tái)運(yùn)行時(shí)基本相同。但由于系統(tǒng)是冗余的，即系統(tǒng)允許部分（最多X臺(tái)）UPS宕機(jī)而仍能保證供電，故實(shí)際上系統(tǒng)發(fā)生癱瘓維修的概率非常小?？梢哉J(rèn)為各子系統(tǒng)的MTBF值并沒(méi)有變，只不過(guò)由于子系統(tǒng)故障后可以脫機(jī)修復(fù)，即冗余系統(tǒng)的MTTR大幅縮小了[4]。整個(gè)系統(tǒng)MTTRsys與子系統(tǒng)的平均維修時(shí)間MTTR1、系統(tǒng)的綜合可靠性Asys、子系統(tǒng)可靠性A1均有直接聯(lián)系，即子系統(tǒng)的可靠性越高，其平均維修時(shí)間在整個(gè)系統(tǒng)的平均維修時(shí)間所占比例就越小，因此對(duì)于N+X冗余并機(jī)系統(tǒng)有：

由式（3）推得，系統(tǒng)平均故障間隔時(shí)間為：

根據(jù)Benning、Astrid等廠商提供的數(shù)據(jù)，下列計(jì)算所需的UPS單機(jī)性能基本參數(shù)如下：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，各類并機(jī)的可靠性均滿足一般儀控設(shè)備“6個(gè)9”的要求，但“N+1”冗余并機(jī)隨著N值的增大，可靠性逐漸降低?？梢灶A(yù)見(jiàn)的是：若N繼續(xù)增大，則終有一點(diǎn)并機(jī)系統(tǒng)的可靠性會(huì)低于UPS單機(jī)的可靠性（0.9999）。故在負(fù)荷量一定的條件下，N+1并機(jī)宜首選用“1+1”并機(jī)的方式；若負(fù)荷量較大，也要盡可能選擇并機(jī)臺(tái)總數(shù)少、單機(jī)容量大的并機(jī)方式。

另外，“N+2”的可靠性整體上達(dá)到“8個(gè)9”，優(yōu)于“N+1”“6個(gè)9”。但其可靠性與“N”值并不滿足線性關(guān)系，而是在N=3這一點(diǎn)上出現(xiàn)了一個(gè)最大值。即若條件允許，選擇3+2的并機(jī)方式可以達(dá)到“N+2”最高的可靠性要求。但即使對(duì)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(jī)高兩個(gè)數(shù)量級(jí)[5]。

2.2 雙總線并聯(lián)

對(duì)于雙總線結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，其可靠性模型相對(duì)于N+1冗余并機(jī)增加了ATS（自動(dòng)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)）、STS（靜態(tài)切換開(kāi)關(guān)）等串聯(lián)部分，其主要功能是實(shí)現(xiàn)總線之間的負(fù)荷切換，其可靠性模型如圖3。

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

根據(jù)上文分析，雙總線系統(tǒng)一般用于負(fù)荷較大的情況，故現(xiàn)以7+1//7+1為例討論其綜合可靠性。

根據(jù)兩列總線的并聯(lián)關(guān)系，易得

表2進(jìn)一步列舉了雙總線并機(jī)可靠性隨N值的變化趨勢(shì)，并分別考慮了ATS/STS的可靠性分別為“6個(gè)9”和“4個(gè)9”時(shí)的情況。

表2 雙總線并機(jī)可靠性Table 2 Dual bus UPS reliability data

由表2可知，“7+1”UPS直接冗余并聯(lián)的可靠性為“6個(gè)9”。對(duì)應(yīng)的雙總線系統(tǒng)在增加2對(duì)ATS/STS后，在造價(jià)大幅增加的前提下，可靠性增加了“5個(gè)9”（考慮ATS/STS可靠性為“6個(gè)9”），產(chǎn)出/投入比極高；若考慮ATS/STS的可靠性為“4個(gè)9”，則雙總線系統(tǒng)的可靠性與N+1并機(jī)基本持平（7個(gè)9），甚至略有下降。由此可見(jiàn)，ATS/STS的可靠性增加“2個(gè)9”，雙總線綜合可靠性增加了“4個(gè)9”，其“投入”與“產(chǎn)出”是以指數(shù)趨勢(shì)增長(zhǎng)的。通過(guò)其可靠性模型的結(jié)構(gòu)也不難得出這一結(jié)論：ATS/STS作為雙總線可靠性模型的串聯(lián)部分，屬于提升系統(tǒng)可靠性的“單點(diǎn)瓶頸”，其重要性不言而喻。

STS以SCR為核心技術(shù)，現(xiàn)階段SCR是一種技術(shù)相當(dāng)成熟的產(chǎn)品，其可靠性相對(duì)于UPS的功率變換模塊要高出2個(gè)數(shù)量級(jí)左右（參考GJB/Z299B-98《電子設(shè)備可靠性預(yù)計(jì)手冊(cè)》）。國(guó)產(chǎn)優(yōu)質(zhì)SCR的故障率為10-6/h，進(jìn)口知名品牌的故障率更是可達(dá)到10-7/h。ATS作為傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，為機(jī)械結(jié)構(gòu)，以接觸器為切換執(zhí)行部件，其綜合可靠性較STS更高。故ATS/STS的可靠性為“6個(gè)9”較符合實(shí)際，此時(shí)雙總線系統(tǒng)的可靠性理論上可以達(dá)到“11個(gè)9”。

在負(fù)荷容量較大，同時(shí)可靠性要求較高時(shí)，采用冗余并機(jī)“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(jī)隨著N值的增大可靠性會(huì)逐漸降低，這勢(shì)必將導(dǎo)致Asys<“6個(gè)9”的標(biāo)準(zhǔn)。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(jīng)濟(jì)性對(duì)比

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

表3 經(jīng)濟(jì)性對(duì)比分析Table 3 Economy comparison

3 總結(jié)

由上述分析，現(xiàn)將兩種方式的并機(jī)方式總結(jié)如下，見(jiàn)表4。

表4 兩種方式的并機(jī)方式優(yōu)缺點(diǎn)總結(jié)Table 4 Summary of advantages and disadvantages of the two parallel operation modes

現(xiàn)階段，由于技術(shù)成熟、成本較低，“N+1”冗余并機(jī)的可靠性已可滿足大多數(shù)服務(wù)器及交換機(jī)設(shè)備“6個(gè)9”的基本要求；在N>7，即系統(tǒng)容量較大（250kVA～400kVA）的情況下，可以采用“N+2”并機(jī)方式（3+2并機(jī)優(yōu)先）用以補(bǔ)足可靠性的缺口，同時(shí)避免雙總線并機(jī)過(guò)高的投資。對(duì)于容量和可靠性均有極端要求的場(chǎng)合，雙總線系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)將體現(xiàn)出來(lái)：在大容量的同時(shí)，可保證“10個(gè)9”以上的系統(tǒng)可靠性，且單位功率投資與“N+1”相較也不具劣勢(shì)。

UPS配電系統(tǒng)的配置成本同時(shí)也與蓄電池的選型和維護(hù)密切相關(guān)，蓄電池的選型需要綜合以下因素進(jìn)行綜合判斷：?jiǎn)误w蓄電池可靠性、容量、電壓等級(jí)、維護(hù)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(duì)于儀控系統(tǒng)所涉及的服務(wù)器、交換機(jī)等負(fù)載，由于負(fù)載的發(fā)熱量較大，在進(jìn)行廠房及電源設(shè)計(jì)階段，需要額外考慮負(fù)載所屬?gòu)S房的空調(diào)及通風(fēng)設(shè)備的供電需要由蓄電池作為備用，以防止在常規(guī)電源失效的情況下，儀控類負(fù)載失去冷媒而造成設(shè)備過(guò)熱損壞甚至火災(zāi)。