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摘要:本文结合UPS设备在南京地铁的应用，分析了UPS可能的失效模式及后果，阐述了UPS设备内部的控制模块冗余、辅助电源冗余、风扇冗余及通信总线冗余等对UPS设备可靠性的重要影响，提出了通过冗余系统设计来提高地铁UPS供电系统可靠性的途径。
关键词：地铁UPSUPS设备可靠性冗余设计
中图分类号： S611文献标识码：A 文章编号：
一、前言
通信、信号、供电等系统在地铁的正常运营中起着重要作用，为了保证这些系统在主供电电源断电、过欠电压、电压尖峰、电压浪涌、谐波失真、频率漂移及噪声干扰等各种恶劣供电环境下仍能可靠正常地工作，通常在地铁建设中为这些系统设置了独立的UPS电源系统来实现可靠安全的供电。
近年来，在外部供电完全正常的情况下，由于UPS自身内部部件的故障，导致这些系统供电中断或酿成重大安全事故的事件却时有发生。为此，本文结合南京地铁UPS在使用中的经验与实践，对UPS内部组成部件可能存在的失效模式進行探讨，提出在地铁UPS设备的应用中考虑内部关键部件冗余设计的重要性。
二、地铁通信信号供电系统中UPS的作用
UPS设备在地铁通信、信号电源系统中的原理如图（1）所示。
图（1）地铁通信信号供电系统原理图
这里，交流切换配电柜将交流电源进行自动或手动切换并为交流用电负载配电，UPS电源将来自交流切换配电柜的交流电经过内部变换，使其成为纯净、无瞬变、不间断的交流电源向通信信号负载供电。
三、UPS基本组成及可能的失效模式
UPS设备由整流器、逆变器、旁路、电池及其控制系统等部件组成，其工作原理可简述如下：系统正常时，UPS将来自主供电源的380/220V交流电经过整流器变换成直流，一方面给蓄电池充电，另一方面通过逆变器将直流再变换成交流向设备系统供电；在主供电源中断时，关闭整流器，将储存在蓄电池中的直流电能通过逆变器变换成交流电，维持主供电源停电时设备的不间断供电。如果UPS自身故障，理论上来说，应该由旁路将主供电源不经任何变换直接输送到UPS的输出端，维持正常的应用子系统供电，但实际上存在切换失败导致输出供电中断的可能风险始终存在；退一步说，即使切换成功，在市电供电下的地铁应用子系统仍然存在极大的安全供电隐患，因为电网的任何扰动，可能都会对设备系统带来系统中断的严重事故。
UPS内部的故障主要由UPS内部部件的失效引起，这些部件失效可能造成的故障可分析如下：
1．系统控制单元失效
系统控制单元是整个UPS系统的中樞，包括数字信号处理（DSP）控制板，逻辑信号控制电源板，包含整流器、逆变器的驱动信号，静态旁路的驱动信号，输入输出电压，输入输出电流采样信号处理，整流器和逆变器的状态监控及限流保护信号等。若系统控制单元出现失效带来的主要故障现象如下：
(1)UPS各种奇怪告警，无法开机。
(2)UPS整流器或逆变器故障炸毁。
(3)出现整流器或者逆变器故障时无法紧急切换到备用旁路供电。
(4)输入输出电压电流采样错误并引起UPS误动作。
2．电气连接单元失效
电气连接单元主要包括输入输出接线端子，输入输出隔离开关等。此部分较为简单，失效后的故障主要是UPS会由于供电异常导致无法开机。
3．整流逆变单元失效
整流和逆变单元主要包括高频开关IGBT及其相应的驱动线路。此部分失效则直接导致整流器或逆变器无法工作。
4．旁路单元失效
旁路单元包括旁路保险，双向可控硅以及可控硅的驱动模块。此部分的失效会引起UPS无法在紧急状态下切换至旁路供电。
四、UPS设备内部的冗余设计
由上述的单元失效模式来看，若要提高UPS设备工作的可靠性，必须减少各个单元的失效概率，最有效的一个方式就是UPS的内部部件采用冗余设计。但由于冗余会成倍增加成本，因此通常只对关键的单元或模块进行冗余设计。下面结合南京地铁广泛使用的美国伊顿公司93系列UPS的设计特点为例来进行分析：
1．数字信号控制模块的冗余设计
现在的UPS设备基本采用数字处理器DSP进行系统的数字运算处理， DSP芯片及其相应的控制板是整个UPS的大脑，其冗余设计十分关键。
UPS的系统输出由逆变模块输出及应急旁路输出组成，当UPS的整流模块或者逆变模块发生故障而导致逆变电压无法正常工作时，UPS会转换到应急旁路来继续带载。常见的UPS设计中，UPS逆变模块及应急旁路控制都是由DSP来进行。如果UPS在运行中出现故障导致DSP异常或损坏，那么UPS的逆变模块会中断输出，并且无法顺利启动应急旁路的可控硅，从而导致UPS整个系统输出中断。
为提高这一转换的可靠性，一般需要在旁路增加一块控制板单独用于应急旁路的控制，这一控制板与DSP控制板之间应通过多个I/O信号进行连接，实现信息的交互与控制。若是DSP控制板损坏或异常，则相应的I/O信号无法产生，此种情况下旁路控制板会直接忽略DSP的指令而直接导通应急旁路，确保整个UPS系统输出不会中断。
2．辅助电源模块的冗余设计
UPS的核心控制芯片为DSP及相关的外围电路组成的控制板，其供电电源辅助模块（48V/12V/5V等等）也是至关重要的，此冗余设计也就十分必要。
通常的辅助电源输入均为双电源输入，例如市电输入+电池输入，或者市电输入+UPS直流母线电压输入。双路电源的用处在于当市电中断后，逻辑电源依然能够有稳定的电源输入来支持给各芯片供电。而每个冗余的电源模块的输出通过二极管并联，这样任意的一块电源模块故障后，其余的电源模块依旧可以提供稳定的电压给各芯片。同时输出正常的电源模块的电压也会因为有二极管的隔断而不会影响故障的电源模块。
这种电源模块的双冗余设计，基本可以使在任何时候整机的逻辑电源都能够得到可靠的保证，从而极大地提高了整个UPS系统的可靠性。
3．风扇的冗余设计
风扇是UPS功率模块中非常重要的一个组成部分，它是大功率元器件降温散热的部件。如果出现故障，则会导致UPS过温保护或使得功率元器件因过热而损坏。因此风扇的冗余也十分必要。
所有的风扇通常集中安装在一个风扇模块内，以伊顿93系列UPS为例，每个功率模块采用了8个80W的风扇并联，整个风扇模块由两块冗余的电源一同供电，提高了风扇工作的可靠性。整个风扇模块内8个风扇可以满足最多2个风扇的冗余规格，即使同時故障2个风扇，剩余的风扇依旧可以提供足够的散热效果来满足UPS的稳定运行。
另外在设计上每个风扇均有风扇侦测信号，当其中任意风扇发生故障时，则会有声光告警，可以从LED指示灯的位置迅速判断故障风扇的位置。
4. CAN总线通讯冗余
在高端UPS设备中，控制模块与功率模块等的通讯通常是采用CAN（Controller Area Network）总线网络来实现。
CAN通讯相当于UPS设备的血管，将控制模块的各种指令传输至功率模块及其他模块。在UPS的并机系统中，CAN通讯又分为内部CAN通讯与外部CAN通讯。外部的CAN通讯则实现一个并机系统中不同UPS之间的通讯，以便于任意一台UPS都能了解其他UPS的各种信息。因此对于提高整个UPS系统，尤其是多台并机系统的可靠性而言，CAN总线的冗余则也是一项较为重要的设计。双冗余的CAN总线连接方式如图（2）所示：
图（2）双冗余的CAN总线连接方式图
五、UPS设备之间的冗余设计
UPS设备内部的冗余设计实际上无法做到完全的冗余，对于核心负载，需要考虑在UPS设备之间，通过并联技术来实现UPS之间的冗余。
该系统在构架上通过两台品牌、型号、容量完全相同的UPS组成(1+1)冗余并联系统来实现。正常时，两台UPS输出保持同步输出，并均分负载；当一台UPS出现故障时，该台UPS退出运行，另一台 UPS承担负载。退出的UPS可以通过隔离维修，再重新并入系统。
这一冗余系統通常需要在两台UPS之间配置额外的并机卡与通信电缆。如果并机卡和通信电缆因某种原因失效，同步系统将立刻失步，造成并机系统损坏和整个系统中断输出。在实际中，伊顿93系列UPS已经采用了专利的“热同步并机技术”，即使在并机卡与并机线完全失效的情况下，依然能保证并机系统的正常工作，实现了UPS设备之间真正的全冗余。
六．结论
UPS运行的正常与否，直接关系到设备系统的稳定。基于上述分析，建议在地铁UPS的应用中，应该注重通过冗余系统设计来提高UPS供电系统的可靠性，以减少因UPS设备自身事故导致地铁系统安全隐患的概率。
关键词：地铁UPSUPS设备可靠性冗余设计
中图分类号： S611文献标识码：A 文章编号：
一、前言
通信、信号、供电等系统在地铁的正常运营中起着重要作用，为了保证这些系统在主供电电源断电、过欠电压、电压尖峰、电压浪涌、谐波失真、频率漂移及噪声干扰等各种恶劣供电环境下仍能可靠正常地工作，通常在地铁建设中为这些系统设置了独立的UPS电源系统来实现可靠安全的供电。
近年来，在外部供电完全正常的情况下，由于UPS自身内部部件的故障，导致这些系统供电中断或酿成重大安全事故的事件却时有发生。为此，本文结合南京地铁UPS在使用中的经验与实践，对UPS内部组成部件可能存在的失效模式進行探讨，提出在地铁UPS设备的应用中考虑内部关键部件冗余设计的重要性。
二、地铁通信信号供电系统中UPS的作用
UPS设备在地铁通信、信号电源系统中的原理如图（1）所示。
图（1）地铁通信信号供电系统原理图
这里，交流切换配电柜将交流电源进行自动或手动切换并为交流用电负载配电，UPS电源将来自交流切换配电柜的交流电经过内部变换，使其成为纯净、无瞬变、不间断的交流电源向通信信号负载供电。
三、UPS基本组成及可能的失效模式
UPS设备由整流器、逆变器、旁路、电池及其控制系统等部件组成，其工作原理可简述如下：系统正常时，UPS将来自主供电源的380/220V交流电经过整流器变换成直流，一方面给蓄电池充电，另一方面通过逆变器将直流再变换成交流向设备系统供电；在主供电源中断时，关闭整流器，将储存在蓄电池中的直流电能通过逆变器变换成交流电，维持主供电源停电时设备的不间断供电。如果UPS自身故障，理论上来说，应该由旁路将主供电源不经任何变换直接输送到UPS的输出端，维持正常的应用子系统供电，但实际上存在切换失败导致输出供电中断的可能风险始终存在；退一步说，即使切换成功，在市电供电下的地铁应用子系统仍然存在极大的安全供电隐患，因为电网的任何扰动，可能都会对设备系统带来系统中断的严重事故。
UPS内部的故障主要由UPS内部部件的失效引起，这些部件失效可能造成的故障可分析如下：
1．系统控制单元失效
系统控制单元是整个UPS系统的中樞，包括数字信号处理（DSP）控制板，逻辑信号控制电源板，包含整流器、逆变器的驱动信号，静态旁路的驱动信号，输入输出电压，输入输出电流采样信号处理，整流器和逆变器的状态监控及限流保护信号等。若系统控制单元出现失效带来的主要故障现象如下：
(1)UPS各种奇怪告警，无法开机。
(2)UPS整流器或逆变器故障炸毁。
(3)出现整流器或者逆变器故障时无法紧急切换到备用旁路供电。
(4)输入输出电压电流采样错误并引起UPS误动作。
2．电气连接单元失效
电气连接单元主要包括输入输出接线端子，输入输出隔离开关等。此部分较为简单，失效后的故障主要是UPS会由于供电异常导致无法开机。
3．整流逆变单元失效
整流和逆变单元主要包括高频开关IGBT及其相应的驱动线路。此部分失效则直接导致整流器或逆变器无法工作。
4．旁路单元失效
旁路单元包括旁路保险，双向可控硅以及可控硅的驱动模块。此部分的失效会引起UPS无法在紧急状态下切换至旁路供电。
四、UPS设备内部的冗余设计
由上述的单元失效模式来看，若要提高UPS设备工作的可靠性，必须减少各个单元的失效概率，最有效的一个方式就是UPS的内部部件采用冗余设计。但由于冗余会成倍增加成本，因此通常只对关键的单元或模块进行冗余设计。下面结合南京地铁广泛使用的美国伊顿公司93系列UPS的设计特点为例来进行分析：
1．数字信号控制模块的冗余设计
现在的UPS设备基本采用数字处理器DSP进行系统的数字运算处理， DSP芯片及其相应的控制板是整个UPS的大脑，其冗余设计十分关键。
UPS的系统输出由逆变模块输出及应急旁路输出组成，当UPS的整流模块或者逆变模块发生故障而导致逆变电压无法正常工作时，UPS会转换到应急旁路来继续带载。常见的UPS设计中，UPS逆变模块及应急旁路控制都是由DSP来进行。如果UPS在运行中出现故障导致DSP异常或损坏，那么UPS的逆变模块会中断输出，并且无法顺利启动应急旁路的可控硅，从而导致UPS整个系统输出中断。
为提高这一转换的可靠性，一般需要在旁路增加一块控制板单独用于应急旁路的控制，这一控制板与DSP控制板之间应通过多个I/O信号进行连接，实现信息的交互与控制。若是DSP控制板损坏或异常，则相应的I/O信号无法产生，此种情况下旁路控制板会直接忽略DSP的指令而直接导通应急旁路，确保整个UPS系统输出不会中断。
2．辅助电源模块的冗余设计
UPS的核心控制芯片为DSP及相关的外围电路组成的控制板，其供电电源辅助模块（48V/12V/5V等等）也是至关重要的，此冗余设计也就十分必要。
通常的辅助电源输入均为双电源输入，例如市电输入+电池输入，或者市电输入+UPS直流母线电压输入。双路电源的用处在于当市电中断后，逻辑电源依然能够有稳定的电源输入来支持给各芯片供电。而每个冗余的电源模块的输出通过二极管并联，这样任意的一块电源模块故障后，其余的电源模块依旧可以提供稳定的电压给各芯片。同时输出正常的电源模块的电压也会因为有二极管的隔断而不会影响故障的电源模块。
这种电源模块的双冗余设计，基本可以使在任何时候整机的逻辑电源都能够得到可靠的保证，从而极大地提高了整个UPS系统的可靠性。
3．风扇的冗余设计
风扇是UPS功率模块中非常重要的一个组成部分，它是大功率元器件降温散热的部件。如果出现故障，则会导致UPS过温保护或使得功率元器件因过热而损坏。因此风扇的冗余也十分必要。
所有的风扇通常集中安装在一个风扇模块内，以伊顿93系列UPS为例，每个功率模块采用了8个80W的风扇并联，整个风扇模块由两块冗余的电源一同供电，提高了风扇工作的可靠性。整个风扇模块内8个风扇可以满足最多2个风扇的冗余规格，即使同時故障2个风扇，剩余的风扇依旧可以提供足够的散热效果来满足UPS的稳定运行。
另外在设计上每个风扇均有风扇侦测信号，当其中任意风扇发生故障时，则会有声光告警，可以从LED指示灯的位置迅速判断故障风扇的位置。
4. CAN总线通讯冗余
在高端UPS设备中，控制模块与功率模块等的通讯通常是采用CAN（Controller Area Network）总线网络来实现。
CAN通讯相当于UPS设备的血管，将控制模块的各种指令传输至功率模块及其他模块。在UPS的并机系统中，CAN通讯又分为内部CAN通讯与外部CAN通讯。外部的CAN通讯则实现一个并机系统中不同UPS之间的通讯，以便于任意一台UPS都能了解其他UPS的各种信息。因此对于提高整个UPS系统，尤其是多台并机系统的可靠性而言，CAN总线的冗余则也是一项较为重要的设计。双冗余的CAN总线连接方式如图（2）所示：
图（2）双冗余的CAN总线连接方式图
五、UPS设备之间的冗余设计
UPS设备内部的冗余设计实际上无法做到完全的冗余，对于核心负载，需要考虑在UPS设备之间，通过并联技术来实现UPS之间的冗余。
该系统在构架上通过两台品牌、型号、容量完全相同的UPS组成(1+1)冗余并联系统来实现。正常时，两台UPS输出保持同步输出，并均分负载；当一台UPS出现故障时，该台UPS退出运行，另一台 UPS承担负载。退出的UPS可以通过隔离维修，再重新并入系统。
这一冗余系統通常需要在两台UPS之间配置额外的并机卡与通信电缆。如果并机卡和通信电缆因某种原因失效，同步系统将立刻失步，造成并机系统损坏和整个系统中断输出。在实际中，伊顿93系列UPS已经采用了专利的“热同步并机技术”，即使在并机卡与并机线完全失效的情况下，依然能保证并机系统的正常工作，实现了UPS设备之间真正的全冗余。
六．结论
UPS运行的正常与否，直接关系到设备系统的稳定。基于上述分析，建议在地铁UPS的应用中，应该注重通过冗余系统设计来提高UPS供电系统的可靠性，以减少因UPS设备自身事故导致地铁系统安全隐患的概率。