双UPS并机直流母线过压故障研究

双UPS并机直流母线过压故障研究
廖百睿，刘鹍鹏，江梁智，孙晓伟，易炳强
（广州地铁集团有限公司，广州 510415）
摘要：
针对广州地铁6号线海珠广场站信号系统UPS 并机改造后频繁报直流母线过压等报警故障，深入分析论证报警故障原因，提出故障解决方案，总结UPS 并机改造注意事项，以期对各城市同行提供借鉴、参考。

关键词：
UPS 并机；直流母线；过压中图分类号：
U231.7 文献标志码：A 文章编号：1673-4440(2023)12-0088-05Research on DC Bus Overvoltage Fault in Double UPS Parallel Operation
Liao Bairui, Liu Kunpeng, Jiang Liangzhi, Sun Xiaowei, Yi Bingqiang
(Guangzhou Metro Group Co., Ltd., Guangzhou 510415, China)
Abstract: In view of such frequent alarm-triggering failures as DC bus overvoltage reported by the signal system of Haizhu Square Station of Guangzhou Metro Line 6 after the transformation into UPS parallel operation, this paper provides an in-depth analysis, demonstrates the causes, and puts forward a solution of such failures. It also summarizes the matters needing attention in the transformation into UPS parallel operation, with a view to providing reference for peers in various cities.Keywords: UPS parallel operation; DC bus; overvoltage
DOI: 10.3969/j.issn.1673-4440.2023.12.016
收稿日期：2022-11-16；修回日期：
2023-11-24基金项目：
广州地铁集团有限公司技术改造（包括国产化）项目（16B0040）
第一作者：廖百睿（1989—）
，男，工程师，本科，主要研究方向：城市轨道交通信号，邮箱：
********************。

不间断电源（Uninterruptible Power Supply，
UPS）在城市轨道交通信号系统中应用广泛，为各类信号设备提供稳定可靠的、不间断的电源。

随着城市轨道交通发展，信号系统电源设备逐渐向着双UPS
冗余设计方向发展。

但既有线路信号电源大多为单UPS 设计，一旦UPS 发生故障，将导致全部负载设备断电，广州地铁6号线曾因此导致大面积晚点。

2018年，为了提高信号系统电源可靠性，在广
州地铁6号线海珠广场站和天平架站进行了UPS 并机改造，在原来1套UHA3R-0160L 小型UPS 和
蓄电池组的基础上新增1套同型号的UPS 和蓄电池组，实现双UPS 并机供电。

然而改造完成后，海珠广场站UPS 频繁发生故障，给信号系统供电带来了较大隐患。

1 双UPS并机实现方式
海珠广场站原信号电源系统包括1套电源屏、稳
压器，1台UHA3R-0160L 小型UPS 和1组蓄电池。

并机改造增加1套相同型号UPS 及1组蓄电池组，
与原UPS 做1+1并机冗余输出。

2台UPS 主路输入、旁路输入同源，保证了并机系统转旁路工作时，每个
UPS的输出电源、频率和相位仍为同步。

旁路输入前级接1台稳压器提供稳定电压。

输出端并联接入电源屏端子。

改造后的系统设计如图1所示。

另根据UPS技术资料要求，每台UPS必须加配外部输入空开和外部输出空开。

于是在设备房墙面增加了1套电源空开箱，将2台UPS输入、输出空开和蓄电池组空开放置在空开箱内，重新布放了配线电缆，如图1所示。

Fig.1 System diagram of transformation into UPS parallel operation 自电源屏XT��UPS
输出端
并机逻辑控制电路采用平均电流法设计方式，通过并机线连接在2台UPS并机逻辑控制电路的接口端。

并机逻辑控制电路采集到两UPS逆变器输出参数差值信号后进行比对，再对各自的UPS逆变器进行微调，使输出参数保持同步。

正常情况下2台UPS主路逆变供电，各自承担50%的系统负载。

单台UPS故障不影响系统供电，故障的UPS自动退出并机系统，负载由另一台UPS继续供电。

故障消除后，人工手动开启逆变器，2台UPS恢复并机工作状态，如表1所示。

2 广州地铁6号线并机故障
2.1 故障概述
2018年3月2日，海珠广场站UPS故障报警，现场检查UPS1停止工作，UPS2工作正常。

UPS1显示告警内容：直流母线过压、整流器故障、电池变换器故障、均不供电。

此后海珠广场站UPS1和UPS2频繁发生故障，无任何规律，现象和告警内容均与3月2日首次故障一致。

发生故障后，人工按压UPS主机的故障消除按钮，重新开启逆变器，UPS可以恢复正常工作。

2.2 故障排查及处理情况
2018年至2021年3年，海珠广场站UPS同类故障多次出现。

故障发生周期长短不一，有的相隔数天，有的相隔数周、数月。

为解决故障，对所有涉及并机改造的设备、线缆进行了逐一检查、排除，故障没有消除。

处理情况如表2所示。

此外对比了同样实施改造但无一故障的天平架站，查找可疑问题点。

除房间内设备布局不同，两
缆、空开型号一致，输入电源和输出负载设备一致。

未发现两站改造存在明显差异。

2.3 故障原因分析
根据故障告警信息“直流母线过压、整流器故
障、电池变换器故障、均不供电”，首先判断故障关
键点在于直流母线过压。

直流母线的电压指的是当交流输入电网正常时，由交流输入电网经过整流器变换为直流母线电压，作为逆变器的输入源。

当交流输入电网发生故障或者无法提供足够的能量时，
UPS 的输入电源由交流输入电网切换至蓄电池组供电。

蓄电池组经过放电器转换为直流母线电压，作为逆变器的输入。

由于整流器、逆变器、电池变换器均接在直流母线上，当UPS 检测直流母线异常后，设备内部软件逻辑认为整流器、逆变器和电池变换器存在异常，所以产生上述报警信息并停止输出。

再结合故障后可以重新开启逆变器恢复正常工作的情况，分析直流母线电压为瞬时异常，当直流母线电压恢复正常，UPS 可恢复正常工作。

为进一步判断故障位于UPS 前级或者后级，在
2台UPS 的输入端和输出端分别加装1组电流传感器，共加装了4组，监测发生故障时2台UPS 三相电流变化情况。

随后通过监测发现了电流异常情况。

并机正常工作时，UPS 输出端三相电流经常发生突变，在监测曲线上形成向上尖峰；在故障发生时，输出端电流波动变得剧烈，而UPS 输入端电流从始
图�　故障时输出端电流曲线
Fig.2 Current curve at output end during failure
电流/A
经过一段时间的UPS 输出电流监测，发现
UPS 输出端电流出现尖峰时间与故障的发生时间具有很强的关联性。

同时输出端电流变化也为瞬时变
化，与直流母线电压瞬时异常的情况相吻合，判断UPS 输出端电流瞬时尖峰变化是引起直流母线过压的原因。

由于前期已经尝试替换UPS 主机硬件，可
表1 并机工作逻辑
排除UPS整流器、逆变器和电池变换器等内部硬件问题，将故障原因基本锁定在UPS输出端外部环境。

通过仔细检查UPS输出端配线及负载设备情况，发现海珠广场站2台UPS输出电缆长度存在差异，UPS1电缆长度3.3 m，UPS2电缆长度3.7 m，而天平架站2台UPS输出电缆长度相当。

查阅相关资料，多台UPS并机时，输入/输出电缆的截面积和长度应尽量相同，以提高UPS工作均流程度。

均流是指2台UPS并机运行时，需要确保UPS中逆变器输出电压的幅值、相位以及频率保持同步，给负载均流供电。

而UPS内部功率元器件的差异、采集采样电路元件差异、两逆变器输出端连接电缆的等效电阻差异都会影响并机系统均流效果，产生并机环流。

并机环流导致了2台UPS逆变器所输出的电流不是全部流向负载，而会有部分电流在2台UPS逆变器之间流动。

较大的环流会冲击其中一台UPS，造成设备过载。

海珠广场站施工放缆时，考虑设备布置以及电缆余量，在静电地板下对电缆进行了盘圈处理。

在随后故障处理换缆时，亦未关注双机输出电缆的长度要求。

所以布放的电缆仅满足技术资料中关于截面积的要求，未考虑电缆长度的一致性。

因此，海珠广场站UPS并机后频繁发生直流母线过压等故障告警，原因在于2台UPS输出电缆长度不一致引起的逆变器等效阻抗差异，造成并联系统模块之间产生较大环流。

3 故障解决方案
抑制环流有以下措施。

1）控制两逆变器输出端至电源屏的连接电缆的等效电阻，保证逆变器的等效阻抗相同。

2）控制2台UPS并机逆变器输出电压的差值。

因此海珠广场站采取以下解决方案。

1）替换UPS输入/输出电缆。

2台UPS的输入和输出电缆都采用最高等级WDZAN型号电缆，逆变器输出侧至电源屏端子之间的电缆截面积和长度相同。

2）重新调校UPS逆变输出参数。

更换电缆后，对逆变器输出电压、频率和幅值参数进行调校，尽量保证2台UPS逆变器输出电压一致。

经过以上整改后，海珠广场站2台UPS供电系统运行至今近1年的时间，未再发生直流母线过压等故障告警。

通过监测观察2台UPS输出端电流曲线，亦未再出现尖峰变化，可以确定故障已经解决。

4 总结
海珠广场站UPS故障的根本原因是2台UPS 输出电缆长度不同带来等效阻抗差异，在UPS间产生并机环流，造成UPS过载。

通过本次故障处理得到的经验是：
1）并机环流是UPS并机系统中的重大隐患，在后续并机改造工作中应当引起重视。

2）为避免产生环流问题，实现并机均流供电，在并机系统安装调试阶段，一方面要调校UPS输出参数，将逆变器输出电压差控制在最小范围；另一方面输入/输出电缆的型号、截面积应该符合技术资料要求，UPS输出端至电源屏的电缆长度应尽量相等。

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