劉曉霞

四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，四川崇州 611231

實(shí)時在線UPS電源監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計與分析

劉曉霞

四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院信息工程系，四川崇州 611231

1 引言

在生產(chǎn)控制領(lǐng)域、電力電網(wǎng)變電站所、鐵路信號聯(lián)鎖控制和大型商場超市等，都在使用UPS（Uninterrupted Power Supply，UPS）作為備用電源，以實(shí)現(xiàn)斷電保護(hù)。而UPS電源技術(shù)在不斷向前發(fā)展，一方面是新的功能不斷集成到UPS系統(tǒng)，如遠(yuǎn)程監(jiān)控、識別、事故記錄與回放和自動故障告警等；另一方面，UPS電源系統(tǒng)自身效率不斷提高，如空載功耗的降低、功率密度的提高、綠色無污染、網(wǎng)絡(luò)化、智能化、小型化和高可靠性等[1]。

對UPS電源進(jìn)行控制以滿足各種應(yīng)用的要求。而UPS智能控制技術(shù)不斷向前發(fā)展，其中高效率、實(shí)時在線監(jiān)控、微型化、可視化和高可靠性等是其主要特點(diǎn)。相關(guān)研究者對UPS電源監(jiān)控系統(tǒng)的硬件可靠性進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[2]從UPS電源控制的內(nèi)部出發(fā)，對其可用性進(jìn)行分析；文獻(xiàn)[3]對UPS電源控制系統(tǒng)的串并聯(lián)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了可靠性計算；文獻(xiàn)[4]利用可靠性壽命周期費(fèi)用方法對UPS不同結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)進(jìn)行了分析與計算；文獻(xiàn)[5]研究了UPS系統(tǒng)可靠性，提出了提高UPS系統(tǒng)可靠性的冗余設(shè)計方案。這些研究，為提高UPS系統(tǒng)可靠性提供了依據(jù)和方法，但在研究中要么將UPS作為整體，要么按模塊進(jìn)行劃分，未對UPS電源實(shí)時在線監(jiān)控的硬件出發(fā)，對其進(jìn)行可靠性分析與計算。

出于上述原因，本文首先設(shè)計中小型UPS電源在線監(jiān)控系統(tǒng)的硬件，然后對硬件的可靠性進(jìn)行定性分析與定量計算，最后分析UPS電源系統(tǒng)的可靠性。

2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)與設(shè)計

2.1 硬件體系結(jié)構(gòu)

從硬件模塊角度，對實(shí)時在線UPS電源監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行劃分，可分為整流濾波電路、校正電路、蓄電池組、充電電路、逆變器電路和控制模塊等[6]。其中：濾波電路為系統(tǒng)提供直流電源；校正電路的專用是提高功率因數(shù)和減少干擾等；控制模塊為UPS電源監(jiān)控系統(tǒng)的核心，完成對充放電的實(shí)時在線監(jiān)控與管理。由此得到系統(tǒng)的模塊框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)采用三星S3C2410x作為控制處理器，實(shí)現(xiàn)對UPS電源的實(shí)時在線監(jiān)控。其控制系統(tǒng)模塊架構(gòu)如圖2所示。

圖1 UPS系統(tǒng)框圖

圖2 實(shí)時在線UPS電源監(jiān)控系統(tǒng)硬件框圖

2.2 檢測電路設(shè)計

需要檢測的信號有市電電流、市電電壓、充電電流、充電電壓、輸出電流、輸出電壓和溫度等[7]。市電作為系統(tǒng)正常工作和蓄電池組充電電源，在進(jìn)入在線式UPS系統(tǒng)時，需要對其電壓、電流和相位進(jìn)行檢測，對輸入信號進(jìn)行處理，以實(shí)現(xiàn)控制操作。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集電路采集到的信號，先經(jīng)過光電隔離、信號調(diào)理電路處理，然后將其輸入到S3C2410x的ADC接口。如圖3為市電的信號采集電路，其中U為隔離器件，以隔離市電的高電壓、強(qiáng)電流；電路將市電的電流、電壓信號經(jīng)過處理后，輸入到系統(tǒng)ADC接口，實(shí)現(xiàn)對市電信號的采集。

圖3 市電信號采集原理圖

為保證系統(tǒng)安全運(yùn)行，還必須對市電交流旁路和UPS提供的交流進(jìn)行相位差檢測，并將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，輸入到S3C2410x的ADC接口。相位差檢測電路如圖4所示，通過電路將正弦信號轉(zhuǎn)變?yōu)榉讲ㄐ盘?，?jīng)過調(diào)理電路將方波轉(zhuǎn)換為可輸入S3C2410x可接收的電壓信號，實(shí)現(xiàn)相位差的信號采集。

圖4 相位差信號采集原理圖

還有很多電路，比如系統(tǒng)的電源電路、Reset電路、Flash電路和SRAM電路等等，在此不予以給出。

3 系統(tǒng)可靠性模型

要研究系統(tǒng)可靠性，必須有一個可使用的模型，再使用建立的模型對系統(tǒng)的可靠性進(jìn)行分析與計算。

3.1 硬件可用性

系統(tǒng)硬件的每個模塊由電子元器件（Electronic Components，EC）、電路及其結(jié)構(gòu)（Circuit and its Structure，CiS）、電路板（Circuit Board，CB）和執(zhí)行裝置（Executive Device，ED）等組成，而每個組成部分必須滿足一定的可用性要求，系統(tǒng)全部模塊的可用性組成系統(tǒng)的可用性。

定義1設(shè)實(shí)時在線UPS電源監(jiān)控系統(tǒng)的硬件由M個功能模塊構(gòu)成，即EUPSHM={F1,F2,…,FM}，且

（1）每個模塊的失效率服從相同的分布，每個模塊的維修率服從相同的分布；

（2）模塊僅有正常和失效兩種狀態(tài)；

（3）Fi(i=1,2,…,M)的失效率和維修率分別為λi和μi；

（4）模塊間相互獨(dú)立，當(dāng)且僅當(dāng)所有模塊可用則系統(tǒng)可用；

則系統(tǒng)的可用性A為：

系統(tǒng)硬件具有可用性的條件是當(dāng)且僅當(dāng)所有模塊皆可用，且模塊間相互獨(dú)立。

3.2 單模塊可靠性模型

若單個硬件模塊由IEC1個EC、ICiS2種可選的CiS和ICB3種CB布線方式和IED4種可選的ED裝置等構(gòu)成。IP硬核所使用的器件或部件的種類是有差異的，不可能每個IP硬核使用相同的器件或部件構(gòu)成，因此，假設(shè)IP硬核使用器件或部件的種類為n。

定義2單個IP硬核，若所有電子元器件的失效相互獨(dú)立，且僅有正常和失效兩種狀態(tài)，則IP硬核電子元器件的失效率λMKECi為：

其中λGi表示第i類EC的失效率；πQi表示第i類EC的質(zhì)量系數(shù)；Ni表示第i類EC的數(shù)量；n為EC的種類數(shù)。

經(jīng)過選型比較，在設(shè)計模塊時，選擇失效率最小的CiS、CB和ED，從而得到IP硬核的失效率為：

其中，λCiSi為CiS的失效率；λCBi為CB的失效率；λEDi為模塊ED的失效率。

由上述分析可得到單個IP硬核的硬件可靠度為：

從而得到模塊的瞬時可靠度。

3.3 系統(tǒng)可靠性分析模型

設(shè)系統(tǒng)由n個模塊構(gòu)成，第i個模塊的可靠度由式（6）確定，且系統(tǒng)的模塊故障不可維修，則利用Markov理論可得到狀態(tài)微分方程[9]：

且“0”表示系統(tǒng)正常；“1”表示第i個模塊故障，其余模塊正常，i=1,2,…,m。則系統(tǒng)在Δt內(nèi)的狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖

解式（7）得到系統(tǒng)瞬態(tài)可靠度，從而可實(shí)現(xiàn)對系統(tǒng)的可靠度進(jìn)行分析與度量，做到定性分析與定量計算結(jié)合。

4 系統(tǒng)可靠性定量計算

有了系統(tǒng)可靠性模型與計算方法，就能夠?qū)ο到y(tǒng)硬件可靠性進(jìn)行定量計算。

4.1 單個模塊可靠度

每個硬件模塊都具有失效率和可靠度。依據(jù)前面可靠性模型和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，可方便進(jìn)行模塊的可靠性預(yù)計。

在設(shè)計時采用失效率最小的元器件，依據(jù)定義2對模塊的失效率進(jìn)行計算，從而得到模塊總的失效率。在此以圖3的電路為例，進(jìn)行失效率計算[10-11]。元器件的失效率如表1所示。

表1 器件失效率表

同理可得其他模塊的失效率，如表2所示（其中失效率為λ×10-6）。

表2 系統(tǒng)各硬件模塊的失效率

4.2 系統(tǒng)可靠度計算與分析

由圖2可知，系統(tǒng)可當(dāng)成各模塊串聯(lián)來考慮，則系統(tǒng)的失效率為：

還需對系統(tǒng)的狀態(tài)進(jìn)行完整定義，具體為：狀態(tài)0：系統(tǒng)的所有模塊工作正常。狀態(tài)1：局部硬件暫時性失效，系統(tǒng)可降級工作。狀態(tài)2：局部硬件暫時性失效，且被檢測到，系統(tǒng)可降級工作。狀態(tài)3：局部硬件永久性失效，系統(tǒng)可降級工作。狀態(tài)4：系統(tǒng)局部IP硬核發(fā)生失效，不能降級工作，導(dǎo)致系統(tǒng)完全失效。狀態(tài)5：軟件導(dǎo)致硬件失效。狀態(tài)6：系統(tǒng)全局失效。其狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)狀態(tài)轉(zhuǎn)移圖定義

由式（7）微分方程并解之，得到系統(tǒng)硬件可靠度為：

對比參考文獻(xiàn)[12]中系統(tǒng)可靠性相關(guān)方法，對本文所設(shè)計的系統(tǒng)進(jìn)行計算，得到結(jié)果如圖7。

圖7 本文方法與其他方法系統(tǒng)可靠度對比圖

從圖7可知，本文方法得到的實(shí)時在線UPS電源監(jiān)控系統(tǒng)的硬件可靠性模型具有一定的實(shí)用性，在一定程度上提高了系統(tǒng)的可靠度，且模型符合IEC61165標(biāo)準(zhǔn)。對分析整個UPS系統(tǒng)硬件的可靠性具有實(shí)用價值。

5 結(jié)論

本文首先對實(shí)時在線UPS電源監(jiān)控系統(tǒng)的硬件進(jìn)行了設(shè)計，主要分析和設(shè)計信號采集電路，并設(shè)計了系統(tǒng)模塊框圖；然后對單個硬件模塊進(jìn)行可靠性分析并建模，同時對整個系統(tǒng)的硬件進(jìn)行可靠性分析并建模；最后用所建立的單個模塊的可靠性模型和系統(tǒng)可靠性模型，對系統(tǒng)的硬件可靠性進(jìn)行定量計算。

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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

針對UPS電源監(jiān)控方面存在的不足，設(shè)計了實(shí)時在線的監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計了系統(tǒng)的硬件功能模塊，給出具體電路原理圖；應(yīng)用Markov理論，對系統(tǒng)的單個硬件功能模塊和整個系統(tǒng)進(jìn)行了可靠性分析與建模；應(yīng)用所建立的模型，對單個硬件模塊的可靠度和系統(tǒng)的可靠度進(jìn)行了定量計算。通過分析計算，提出的方法具有一定的實(shí)用性。

不間斷電源（UPS）；在線監(jiān)控；可靠性；Markov理論

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.

劉曉霞（1976—），女，講師，主要研究方向?yàn)橛嬎銠C(jī)應(yīng)用技術(shù)。

2013-07-23

2013-10-14

1002-8331（2013）24-0262-04