用开关电源并联运行实现仪表24V冗余电源的可靠性问题用开关电源并联运行实现仪表24V冗余电源的可靠性问题.doc

仪表24V N+M并联冗余电源的可靠性问题 【背景】 2009年12月，我在代表中国石化集团公司总部对某（天津石化、镇海炼化100万吨/年）乙烯工程进行质量检查时，发现各装置仪表24V电源是应用模块化开关电源并联运行实现N+M（其中，N表示向负载提供额定电流需要的模块个数、M表示系统冗余模块个数，本次检查中的N和M相等、在2～5之间）冗余的，各开关电源模块间没有通讯线或均流母线等联系，仅在输出端设计了“解偶二极管”，以防止某一或某些开关电源输出电压较低或短路时成为其它电源的负载，其电路原理如图1所示。查阅该开关电源技术说明书，其电压/电流的特性如图2所示。 PSU 1 PSU 2 …… PSU n+m R0负载 图1 ??仪表24V并联电源原理图 图2? ?开关电源电压/电流特性曲线 【问题】 用模块化开关电源实现N+M并联冗余仪表24V电源，目前尚无国家标准支持，石化行业标准《石油化工仪表供电设计规范》SH/T3082-2003第5.3.4条只有简单要求，不能足以判定N+M并联冗余仪表24V电源的可靠性。 签于仪表24V电源直接涉及化工石油装置安全运行的重要性，本人与（中国石化）业内最具权威性的工程设计单位（中国石化工程公司的副总、自动化仪表总工林融）就上述电源运行中可能存在的各模块的均流、可靠性等问题进行了沟通，据（林总）介绍他们也曾经设计过类似的电源装置，在使用不到一年的时间里，因部分开关电源模块过热、使用寿命短、可靠性低的问题，致使整个化工石油装置安全运行存在质量隐患，他们重新对仪表负荷进行了组合、分配，构建了较成熟的多个1+1冗余仪表24V电源，使用情况较好。 为什么会发生实际使用中N+M（N、M大于1）比1+1并联冗余仪表24V电源的可靠性低、出现与冗余可靠性模型计算结果相反的结论呢？ 本人在工程质量检查讲评会上，从冗余可提高设备可靠性理论的限制条件、电源各模块间均流技术对电子线路的要求二个方面进行如下分析。 【评析】 随着化工石油装置大型化及其自动化程度的提高，控制系统需要组建一个大容量、安全可靠的仪表24V电源系统。但受构成开关电源模块的半导体功率器件、磁性材料等自身性能的影响，单个开关电源模块的输???参数（如电压、电流、功率）往往不能满足要求。于是人们采用多个电源模块并联供电，如图1所示。这不但可以提供所需电流，而且还可以形成N+M并联冗余结构，用传统的数学理论计算N+M冗余系统的可靠性和稳定性，其指标还可大幅提高，可谓一举两得，这也成为目前提供大功率电源的一种流行设计方法。 首先，该方法计算N+M并联冗余系统的可靠度时，是在假设组成系统的各个单元的失效是相互独立、只有正常和失效二状态的条件下，而得出了非常乐观的结果。但在实际应用中，N+M并联冗余电源各模块间相互独立、二状态的假设是不合理的，这是导致使用中的可靠性低于假设条件下预测值，而且通常偏差很大的根源所在。 其次，该方法忽视了在电源模块并联运行时的均流问题。由于电子元器件参数的分散性，在无均流或均流措施不利的情况下，并联运行的电源模块输出电流不可能完全一样，其结果必然使各电源模块的热应力分配不均，寿命减小，可靠性降低。这是N+M并联冗余电源模块易损的技术原因所在。 下面，分别按相互独立假设条件和切合实际的情况下，对N+M并联冗余系统可靠性进行分析。 一 各单元相互独立、二状态假设下的冗余系统的可靠性分析 N+M冗余系统在各单元相互独立且不相关时，构成N/(N+M)表决系统，其可靠度的计算如式1。 （1） 单元可靠度为0.9、0.8、0.7时，并联数量n为1～10、冗余数量m为0～10的冗余系统可靠度分布如图3、图4、图5所示。 图3 单元可靠度R为0.9时N+M冗余系统可靠度 图4 单元可靠度R为0.8时N+M冗余系统可靠度 图5 单元可靠度R为0.7时N+M冗余系统可靠度 比较图3、图4、图5三个图形可以看出：各单元相互独立且不相关的N+M冗余系统，随着冗余数量m增加，N+M冗余系统的可靠度快速增加，以后趋缓，也就是说冗余数量m超过并机数量n时，再继续增加m，对于提高N+M冗余系统的可靠度没有明显效果；并机数量n和冗余数量m越大可靠度超高，也就出现了N+M优于1+1冗余系统可靠度的假设条件下的结论。 二 各电源模块完全相同条件下的并联冗余电源系统的工作分析 在各电源模块技术参数完全相同条件下，N+M并联冗余电源系统向负载供电时，每个开关电源模块平均负担1/(n+m)的负载电流，当其中某一个或k个（k≤m）模块故障时，就自行退出供电，而由剩下的n+（m-k）个模块继续向负载提供100%的电流，从而保证了供电的可靠性。