UPS故障识别与无缝自愈策略研究_周潮.pdf

Application 创新应用384 电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月其他部件和负载。由于渐变型故障可修复且危害较大，因此主要研究对象为渐变型故障1。为了实现UPS逆变电源对于上述渐变型故障的自愈控制，本文提出了一种积木式UPS结构，其中包含一种多模态融合STS静态智能切换开关。通过自动寻优与高速计算的故障单元智能隔离算法，识别判断故障所在位置，控制多模态STS静态智能切换开关实现对UPS或逆变电源系统的切换任务，以达到实时智能控制掌握UPS或逆变电源系统的可靠运行，能够提高了供电电压质量，改变抵御故障风险能力低、事后故障分析困难的现状。1 UPS电源故障识别及无缝自愈策略不同的逆变器接入方式对于UPS逆变电源的性能有着极大的影响，所以按照逆变器的接入方式一般可将UPS不间断电源分成被动后备式、在线互动式和在线式三类。0 引言随着高精度智能化设备在生产生活中的广泛应用，对供电系统的连续性、可靠性要求也越来越高。不间断电源（Uninterruptible power supply，UPS）是能够在市电故障或正常情况下为负载提供干净、稳定、可靠的电源的电力设备，已经广泛应用于通信、数字基站、医疗系统等重要领域。然而，伴随着UPS逆变电源的应用范围与规模的增加，其稳定性、事故的动态保护等方面的要求也持续加强。UPS逆变电源的故障按照主要电路工作机能可分为突然宕机故障和低性能故障（如设备本体内绝缘老化、线路绝缘子积污老化、线材老化等），其中，低性能故障发生时，仅表现为系统的性能退化，电源并未宕机，导致故障更加难以发现，如果设备长时间运行于这种状态下，将会严重威胁系统作者简介：周潮，深圳供电局有限公司；研究方向：控制技术。收稿日期：2022-09-07；修回日期：2023-06-12。摘要：阐述一种积木式UPS逆变电源结构、包含一种多模态融合STS静态智能切换开关，通过自动寻优与高速计算的故障单元智能隔离算法，建立了UPS逆变电源的在线动态故障识别及无缝自愈控制方法技术。实验结果表明，所提自愈策略可明显降低UPS逆变电源故障风险，且长期运行过程中故障出现后可迅速隔离自愈，系统保持在常规应用的可靠状态中。关键词：UPS逆变电源，故障识别，积木式结构，静态智能切换开关。中图分类号：TN86，TP277文章编号：1000-0755(2023)06-0384-04文献引用格式：周潮，杨忠亮，林龙福，彭岳云，徐晨亮.UPS故障识别与无缝自愈策略研究J.电子技术,2023,52(06):384-387.UPS故障识别与无缝自愈策略研究周潮1，杨忠亮1，林龙福1，彭岳云2，徐晨亮3（1.深圳供电局有限公司，广东 501802；2.深圳市锦祥自动化设备有限公司，广东 501806；3.西安交通大学电气工程学院，陕西 710049）Abstract This paper describes a modular UPS inverter power structure,which includes a multimodal fusion STS static intelligent switching switch.Through an intelligent isolation algorithm for fault units through automatic optimization and high-speed calculation,an online dynamic fault identification and seamless self-healing control method technology for UPS inverter power is established.The experimental results show that the proposed self-healing strategy can significantly reduce the risk of UPS inverter power failure,and can quickly isolate and self-heal after a fault occurs during long-term operation,keeping the system in a reliable state for conventional applications.Index Terms UPS inverter power supply,fault identification,building block structure,static intelligent switching switch.Study on UPS Fault Identification and Seamless Self-healing StrategyZHOU Chao1,YANG Zhongliang1,LIN Longfu1,PENG Yueyun2,XU Chenliang3(1.Shenzhen Power Supply Bureau Co.,Ltd.,Guangdong 501802,China.2.Shenzhen Jinxiang Automation Equipment Co.,Ltd.,Guangdong 501806,China.3.School of Electrical Engineering,Xian Jiaotong University,Shaanxi 710049,China.)Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月 385其中，被动后备式不间断电源的逆变器并联在负载与市电之间。一般只有在市电异常时，才会向负载输送稳定的电能。被动后备式不间断电源最适用于保护单台PC机或工作站，可解决电源中断、电压下陷及电压浪涌常见电源故障。而在线互动式不间断电源的逆变器与被动后备式相同，并联在负载与市电之间，只是在市电正常时作为充电器，而在市电异常时才自动转为逆变器，因此它的可靠性较高。在线式不间断电源将输入的市电经整流滤波后，不仅逆变为纯净、稳定的50Hz，220V交流电压输出，还经充电器输出直流电给电池组充电2。为了进一步提高UPS故障识别的效果，本文对一般故障进行分类与总结。主要类别按照UPS内部器件可分为电阻器失效、电容器失效以及继电器模块失效。在实际运行过程中，由于UPS逆变电源系统中存在较多电阻器，而当工作温度过高时，电阻器本身产生的热量以及周围较高的环境温度促使电阻器失效。实际上，UPS逆变电源系统运行时，电容器也较易出现失效等问题。由于长期使用，电容器自身会出现击穿或参数退化问题，从而导致电容器故障影响整个UPS逆变电源系统。而电容器失效也是不间断电源系统最常见的故障之一。此外，继电器模块失效也是UPS逆变电源常见失效器件之一。一般情况下可能会出现以下三种状态，（1）当继电器模块出现故障时，会使继电器线圈出现短路或断路情况，驱动三极管会遭到破坏，使继电器模块失效；（2）继电器的三极管出现短路情况时，继电器无法正常断开，使其长期处于吸合状态，从而使继电器模块失效；（3）如果继电器触点接触不良，则不间断电源会因接触不良使继电器无法长期正常稳定工作，从而导致继电器模块失效3。通过对上述故障类别进行分类，本文总结了故障诊断隔离的实际步骤。故障识别系统主要包括逆变电源输出电量特征检测采集单元、控制管理芯片和故障模块的隔离控制单元，实现了对于积木式的逆变电源系统中各功能单元的特征量检测，以达到对故障识别、故障隔离，从而提高逆变电源系统可靠性的目的4-7。故障识别系统主要组成框图如图1所示。（1）通过逆变电源输出特征检测单元，其中包括电量变换、信号调理、管理核心MCU。通过电量变换将逆变电源各模块单元的输出电压、电流变换成与其成线性关系的集成电路芯片可接受处理的05V的低电压信号；再将原始信号进行跟随、低通滤波处理后将有用的信号发送给所述的管理核心MCU中，以进行电压电流和频率、幅值、相位及波形数据的运算、逻辑判断及命令控制。最终实现对各单元的输出数据采集。（2）通过控制管理芯片，主要完成数据采集、运算、逻辑判断、输出控制过程的功能程序执行，包括逆变电源输出电量特征量的运算程序、故障特征量提取程序、故障识别诊断程序。总体上是根据逆变电源正常及四种故障状态的数学模型及电路分析提取故障特征量，其中采用了基于小波变换的频域分析法，程序的设计基础是原始信号的频率特性，分析出时域范畴内探测不到的信息，准确判断原始信号的稳态和动态特性，以完成逆变电源单元输出电压的故障特征量的识别与提取。实际上，基于小波变换的频域分析法，采用Db5的正交实小波基函数，先对逆变电压输出电压信号分解，获得不同尺度下的小波系数，进行4层小波分解，获得其近似系数和细节系数，再计算其在不同时间上的全系数的小波能量作为故障特征量。（3）根据上一步提取的故障特征量进行逆变器故障诊断。故障识别诊断程序，将提取到故障特征量作为模型的输入数据源，完成UPS逆变器各模块单元的故障诊断定位。（3）当故障判断结果出来后，通过故障模块的隔离控制单元，完成故障模块的隔离与系统的负载能力二次分配。当隔离控制单元接受控制管理芯片的控制命令后，去控制快速大容量继电器的逆变电源模块的输出，完成故障模块的隔离，同步由正常的逆变电源模块重新自调整其负载的分配，实现自动、及时和准确地检测到故障单元，及时进行故障隔离，逆变电源系统的故障自愈，使系统能够维持相对稳定的状态，不影响供电需求。当完成上述一系列步骤后，控制管理芯片输出故障隔离模块切换命令，该系统中的多模态融合STS静态智能切换开关接收命令进行故障模块的切换，再通过实际故障定位，提供故障更换建议与警示信息，实际维护人员可进行更换元件与模块，实现快捷安全的维护工作，极大程度提升了UPS安全可靠性。2 UPS无缝自愈切换在实际自愈切换应用中，静态开关的不间断断开必须满足以下条件：（1）输入交流电源频率在备用的情况下的频率与逆变器输出的同步误差范围不可过大，一般在2%之内；（2）电压幅值不能超图1 UPS电源故障识别组成框图Application 创新应用386 电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月出或低于逆变电压，需要两者电压是相近的或逆变输出稍高，其误差值范围应在10%；另外输入交流电源与逆变器输出电压的相位差必须在7.2以内即误差不应超过400s。为了满足上述技术问题，本文实际提供了一种多模态融合STS静态智能切换开关，组成框图如图2所示，其中包括电量状态检测模块、控制管理模块、静态开关驱动使能模块等。其中电量状态检测模块用于检测采集控制信号，当检测到异常时向闭锁切换；而控制管理模块用于向静态开关驱动使能模块发送驱动指令信号，并用于向电量状态检测模块发送采集控制信号。图3所示为多模态融合STS静态智能切换开关应用的框图。最终，静态开关驱动使能模块用于最终执行切换指令，完成切换操作，实现UPS的自愈切换。图4所示为控制管理模块切换流程图。当电量状态检测模块，完成获得UPS或逆变电源系统切换前电量状态采集，包括对直流输入电源、系统输入交流电源、逆变输出电压的进行同步采集，以获取UPS或逆变电源系统状态切换模式需求的电源端电量信息，进而反馈给UPS或逆变电源控制器，以随时保证逆变输出与市电电压的幅值、相位差异尽可能小，以防止切换过程中逆变输出电源和系统输入交流电源并联短暂几个周波的并联时间内损坏开关器件和缓冲器件。实际上，电量状态检测模块电路由电量隔离变换电路、滤波、放大电路构成，实现了对UPS或逆变电源系统输入电压、逆变输出电压的采集，并送给所述的控制管理模块。控制管理模块根据数据源切换需求特征数据作为输入数据源需求，如图3所示。管理模块建立诊断混合判断模型，对特征数据中的不同混合模型的对比，跟踪出系统故障特征；主要的特征提取是一种通过从复杂叠加的原始信号中提取隐含的有用信息，过滤杂乱无用信息，降低原始数据中的信息维度，保留关键有效特征量的过程。而上述故障特征与实际切换需求模型进行对比后，智能切换开关进行逆变电源与输入交流电源之间的切换，主要步骤如下。（1）步骤1：系统中的控制管理模块通过故障识别和诊断后，获得UPS或逆变电源系统状态切换模式的需求，其模式切换需求包括模式切换过程控制保持的负载信息、电源端电量信息，确保满足切换后供电可靠性、稳定性，具有负载供电的连续柔和变化能力，响应切换指示、切换成功指示。切换图3 多模态融合STS静态智能切换开关应用框图图2 多模态融合STS静态智能切换开关组成框图图4 控制管理模块切换流程图Application 创新应用电子技术 第 52 卷 第 6 期（总第 559 期）2023 年 6 月 387控制模式之间应存在避免控制器误操纵的自锁逻辑，模式切换点实现响应形式之间的无缝切换，在切换前或切换过程检测到切换模式需求量异常时禁止模式切换。（2）步骤2：控制管理模块完成获得系统输入交流电源状态向逆变电源系统切换模式需求的分析后，首先控制逆变器为电压源但不做电压闭环控制，以增大逆变电源的等效输出阻抗减小并联环流。同时执行跟踪控制算法控制逆变输出幅值始终跟踪到系统输入交流电源幅值上，并控制逆变输出幅值稍高，这样可以向系统输入交流电源输出功率防止母线电压泵升，在切换执行完成后且延迟一定的时间再执行电压闭环控制，逆变输出幅值恢复；此控制策略具备并联环流小、过渡时间内无过冲。（3）步骤3：控制管理模块完成获得逆变电源系统向系统输入交流电源状态切换模式需求，控制执行跟踪控制算法并通过二级锁相控制逆变输出相位跟踪到系统输入交流电源相位道上，差异控制到最小时，启动切换开关执行切换过程持续锁相。在切换过程中一旦发现切换条件不符合时立即中止切换，并将系统恢复到切换前状态。该智能切换开关所包含的控制管理模块主要采用32位单片机为主CPU控制芯片，其中包括复位和晶振电路、数据存储电路、时钟电路、通信接口、输出控制驱动接口；CPU控制芯片实际运行过程中实现数据分析与存储、控制逻辑执行、报警和自愈命令输出；而复位和晶振单元为CPU控制芯片提供工作必需的基本时钟脉冲信号，数据存储电路与CPU控制芯片采用I2C方式连接，用于存储装置运行过程数据、故障信息、定值数据；时钟电路则与CPU控制芯片，为装置提供年月日时钟信号，以便于准确标识操作与故障的时间节点；该开关所用通信接口通过TTL收发信号放大、隔离、变换成485信号输出的设计，与UPS系统管理主机模块通信，在通信结构既充当下位机终端接受通信传输命令和数据传输。当上述控制管理模块处理结束一系列控制命令后，发送驱动指令信号给静态开关驱动使能模块，而静态开关器件用于根据静态开关驱动模块接收开启，使能后发出的驱动信号，进行打开与关闭操作，最终达到在系统运行故障时仍能稳定切换至备用电源输出状态。在实际运用过程中，该多模态融合STS静态智能切换开关，是一种控制简单，并联环流小，过渡电压无过冲的安全可靠的控制方案，成功解决UPS逆变电源在实际运行过程中故障切换的任务，达到了无缝自愈切换的目的。3 识别与自愈有效性实验搭建及结果分析 3.1 识别与自愈有效性实验识别与自愈有效性实验如表1所示。3.2实验结果分析根据几种典型的故障类型，可以可靠有效识别，并能正确快速进行模式转换，最长切换时间为3.2ms，故障识别能力强，自愈有效性高，可提高可靠性。3.3 应用效益分析本文提出的UPS故障识别及无缝自愈策略的实际应用可有效提高电网UPS可靠性水平，降低维护成本、实现在线运维、减少全停电检修维护时间，减少现场维修时间，减少现场操作人员，增强设备的故障快速处理能力，可见可从资金、时间、人员等多角度产生直接经济效益，提高生产效率，提高设备的安全运行水平，延长使用寿命。4 结语UPS故障识别及无缝自愈策略的应用大大提高了UPS逆变电源的在线可靠性，提高了供电电压质量，改变抵御故障风险能力低、事后故障分析困难的现状。其中包含的多模态融合STS静态智能切换开关实现了简单快捷的故障模块切换，且并联环流小，过渡电压无过冲，进一步提升了实际应用场景下UPS的安全稳定。通过这种策略方式，解决了实际UPS逆变电源渐变型故障难以发现导致维护困难，维护成本较高的问题，对于UPS的进一步推广有着一定的意义。参考文献1 Wang Q Y,Wang S,Ge Z,et al.Progress on the failure analysis of lithium batteryJ.Acta Physica Sinica,2018,67(12):128501.2 张聪.UPS不间断电源概述J.电工技术,2017(07):110-111.3 邹彤.不间断电源供电故障分析与解决措施J.通信电源技术,2018,35(09):194-195.4 陈坚,李自成.基于知识的UPS故障诊断系统J.电力电子技术,1994(01):7-9+54.5 侯兆豪.基于城市智能配电网35kV电源故障自愈控制的研究D.天津:天津理工大学,2015.6 张万星.基于高斯混合模型的逆变电源故障诊断研究D.天津:天津工业大学,2021.7 项胤兴,吴文宣,林韩等.含分布式电源的智能电网的自愈控制与重构优化J.电气应用,2015,34(18):68-71.表1 识别与自愈有效性实验