用开关电源并联运行实现仪表24V冗余电源的可靠性问题

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25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 1PSU 2PSU n+mR0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出参数（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110、冗余数量m为010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（km）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。三 三状态的N+M并联冗余系统的可靠性分析在以往N+M并联冗余系统的可靠性分析和设计中，多把系统作为二状态系统进行分析和处理，即认为组成系统的部件和系统本身只有正常和失效两种状态，但实际上电源系统中的很多元部件都具有多种失效状态，例如：电源具有失电状态和输出的性能指标不合格状态；二极管等电子元器件具有开路失效和短路失效状态；继电器、接触器具有固定开失效状态和固定闭失效状态等等。若对这样的部件或由这类部件组成的系统进行可靠性冗余设计和分析时，仍把其作为二状态系统进行分析计算将导致计算结果的不准确甚至错误。为了提高冗余系统可靠性计算精度并确定系统最优的冗余数，N+M并联冗余系统应作为三状态冗余系统进行可靠性建模、分析和设计。n+m个单元组成的并联冗余系统框图如图6所示。1号单元2号单元n+m号单元图6 N+M并联冗余系统框图三状态并联系统的失效模式为：(1)至少有 m+1个单元部件均开路失效导致系统开路失效；(2)至少一个元部件短路失效导致系统短路失效。三状态N+M并联冗余系统的可靠度函数即系统正常工作的概率为式中：为系统开路失效的概率；为系统短路失效的概率。对三状态N+M并联冗余系统，其开路失效概率为二状态N+M并联冗余系统相应的计算公式，其短路失效概率为二状态非冗余系统系统相应的计算公式。在n+m个单元相同的情况下。- （2）式中：为第i个单元部件开路失效概率；为第i个单元部件短路失效概率。通过比较分析1、2式，在二状态并联系统中，冗余数的增加必然导致系统可靠性指标的提高，但在三状态并联系统中，这个结论并不成立。这是因为若增加三状态并联系统的冗余数，可减少系统开路失效概率，但却增加了系统短路失效概率。N+M并联冗余系统可靠性最大存在优化并联数和冗余数的问题，可以通过式2，在最优化的、时的，大于、和、时的，建立方程求得。例如某电源的开路失效率和短路失效率分别为、，不失一般，设电源模块的寿命分布服从指数分布，电源运行10小时，并联冗余电源可靠性最大时的并联数和冗余数为=2。此时，单电源模块、三状态及二状态并联冗余电源的可靠度分别为0.99230、0.99861、0.99999。可见，并非如二状态并联冗余模型那样的并联数和冗余数越大可靠度越大，且二状态并联冗余模型计算出的可靠度误差是很大的。四 相关失效的N+M并联冗余系统的可靠性分析相关失效是指在同一时间或在规定时间段内，由于系统间或单元间在空间上、环境上、设计上以及人为因素所造成的失误等原因，而引起的两个或多个零件的失效或不可用状态。其中，由于某种共同原因所导致的失效，即共因失效(CCF)是相关失效的一种最主要的形式；此外，相关失效还包括一种较常见形式，叫传播失效(也叫级联失效或因果失效)，即一个单元的失效会造成操作条件、环境应力或需求的改变，从而使其它单元也相继失效；另外，互斥事件的失效也是相关失效的特例。在相关失效的这些形式中，由于共因失效广泛存在于各类系统中，且严重影响冗余系统的安全作用，也使得一般系统的可靠性模型变得更为复杂，共因失效事件无法显现地表示于系统模型中。目前绝大多数只能进行定性分析（包括问题的定义、可靠性框图、事件树、故障树、数据分析等）和以系统出现过的相关失效事件为背景的经验模型（包括因子模型、二项失效率BFR模型、共同载荷CLM模型、基本参数BP模型、多希腊字母MGL模型、因子模型等），由于特定工厂或系统自己发生过的相关失效事件十分稀少、数据缺乏，计算的失效概率是极其不准确的。因篇幅关系，不一一介绍。可参阅有关文献1、2、3、4。虽然相关失效还不能准确地计算，但相关失效是系统的普遍特征，它严重地削弱了冗余的作用，降低了冗余系统的可靠性，而且在那些高可靠性要求的系统中占有较大的比重。忽略系统各失效形式的相关性，简单地在系统各部分失效相互独立的假设下进行系统可靠性分析与设计，常常会导致过大误差，甚至得出错误结论5。相关失效是系统失效和设备不可用的主要原因之一，要以相当重要的力量进行相关失效的研究，它是不可忽视的风险来源之一。五 N+M并联冗余电源系统的均流分析在电源模块并联运行时，由于各个模块参数的分散性，其输出的电流不可能完全一样，使外特性好（电压调整率小、的斜率小）的模块承担较大的电流甚至过载，热应力大；外特性较差（电压调整率大、的斜率大）的模块运行于轻载其至是空载。有资料表明，工作环境温度每提高10，电子元器件寿命约降低1/2，这就是有名的阿雷尼厄10度法则。因此，使各并联电源模块的输出电流平均分配，是保证模块间电流应力和热应力的均匀分配，防止单个或多个模块运行在过载或电流极限值状态，提高并联电源系统稳定性的一个必须解决的问题6。对于多个模块并联运行电源系统的基本要求是7：一是输入电压或者负载发生变化时，保持输出电压稳定；二是控制各模块的输出电流，实现负载电流平均分配，均流动态响应良好。均流的实质即是通过均流控制电路，调整各模块的输出电压，从而调整输出电流，以达到电流均分的目的。一般开关电源模块是一个电压型控制的闭环系统，均流的基本思想是采样各自输出电流信号，并把该信号引入控制环路中，来参与调整输出电压。选择不同的电流信号注入点，可以直接调节系统基准电压、反馈电压误差、或者反馈电流误差，形成多种均流方案。按照并联电源系统中模块之间有无传递均流信号的互连线，所有均流方法可归成两大类：下垂均流法和有源均流法。下垂法为模块之间只有输出端导线相连；有源均流法除了连接输出导线外，还用均流母线把各模块连在一起。依据上述并联电源均流分类方法，本工程中的仪表24V并联冗余电源系统仅有可能为下垂法均流，甚至是无均流措施（该电源的技术文件中未作说明，电路图作为商业秘密也未能提供查阅）。下面，我们不妨对无均流措施、下垂均流和有源均流等三种并联电源的工作情况进行一下简单分析，以了解本工程中的仪表24V并联冗余电源系统设计是否合理。1 无均流措施开关电源的输出电压一般可以设定在一定范围内的某一个值，一旦将输出电压设定在某一值，无论在空载还是有载情况下，开关电源会使输出保持在这一电压，单台电源模块表现出较好的电压/电流的特性，如图2所示：在24-28V之内可以任意设定输出电压。而当输出电流过大，大于其额定值时，电源就进入过载状态，电压会降低，电源的部分电子元器件处于非理想工作区，导致电源综合性能和可靠性降低。图1的并联冗余电源，在应用中，理论上如果将各个电源模块的输出电压设为完全相同，则它们会彼此平分电流。但事实上，由于电源模块电压设定旋钮一般只能粗调和输出特性差异，其输出电压设定值不可能完全相同。设定电压较高的电源模块会优先分担大部分电流，直至处于过载，其输出电压下降；当下降到与另一台电源模块输出电压相同，另一电源才起动，开始分担电流，如果两台电源总的输出电流仍无法满足负载，则第2台电源也进入过载，输出电压又下降；直至第3、4台电源也起动，总输出电流可以满足负载需要为止。此时，负载端实际的电压决定于设定输出电压较低的电源模块，较该电压高的电源模块则处于过载状态。这是并联开关电源在无均流措施时，仅经过简单的并联，增加输出功率并构成N+M并联电源的工作情况。而长期处于过载的电源模块极易损坏，可靠性难以保证。2 下垂法均流下垂法全称外特性下垂法，也叫斜率控制法。在并联电源系统中，各个电源模块是相对独立工作的（只有输入、输出上联系）。每个电源模块根据其外特性以及电压参数值来确定输出电流。在下垂法中，主要是利用电流反馈信号来调节各模块的输出阻抗，也就是调节的斜率，来调节输出电流。其工作原理图如图7所示。 图7下垂法均流工作原理图为任一并联模块电源输出电流的采样电阻，经电流放大产生电流反馈电压信号，为输出电压反馈，为与的和，为控制基准电压，为误差电压。当某一模块输出电流偏大时，电压与电流反馈合成信号增大，与进行比较后，使减小，反馈回电源模块的控制部分，使该模块的输出电压下降，则减小，即外特性下调。每个模块各自调整自己的输出电流，就可以实现各模块的并联均流。这种方法的优点是简单，不需要外加专门的均流装置，属于开环控制，小电流时均流效果差，随着负载增加均流效果有所改善。对仪表24V电源而言，希望外特性斜率越小越好，而下垂法则以降低电压调整率为代价来获取均流，该法可以应用在均流精度大于或等于10%的场合8。对重要的仪表控制系统需要慎重使用。3 有源法均流有源均流法是均流方法中的一大类别，其特征是在每一个电源模块内设计一个输出电流检测电路来检测它的电流，采用互连通讯线连接所有的并联电源模块，提供共同的电流参考信号调节每个单元的电流，按控制结构和母线连接方式的不同，形成各类有源均流法，如主从法、平均电流法、最大电流法、外部控制器法等。因篇幅关系，这些均流方法的原理、电路不一一介绍。可参阅有关文献6、9。有源均流法具有均流精度高和动态响应速度快的优点，但是对于有冗余要求、较重要的控制系统仪表电源，主从法和平均电流法不得采用，因其无法实现冗余，并联冗余电源系统的可靠性得不到保证。对仪表N+M冗余电源较理想的均流方法是最大电流法和外部控制器法，美国Unitrode公司开发的UC3907系列集成均流控制芯片正是基于最大电流均流的思想，简化了并联电源系统的设计与调试，得到广泛应用。由于最大电流法和外部控制器法增加了控制单元，相当于在N+M并联冗余电源系统中串联了工作单元，串联控制单元的可靠性也必须给予充分关注。通过以上分析，均流措施是开关电源并联运行实现大功率电源系统的关键。本工程各装置仪表24V N+M并联冗余电源系统采用的开关电源模块的外特性好（图2），未采取有效的均流措施直接并联运行，开关电源模块间电流应力和热应力得不到均匀分配，该并联冗余电源系统的平均无故障时间将大大缩短、可靠性降低、质量风险增大。从执行工程建设标准的角度看，本工程工程各装置仪表24V N+M并联冗余电源的品质，难以满足石油化工仪表供电设计规范SH/T3082-2003条文说明第5.3.4 条第4款有关“并联运行的直流稳压电源应有负载平衡功能（Current Share-Line）。该功能可使所并联运行的直流稳压电源输出完全相同，保证所有电源能够安全、平稳、可靠地运行” 的要求。【处置】通过运用三状态、相关失效等理论对并联冗余系统的可靠性进行分析，并与传统的在各单元相互独立假定条件下的可靠性分析比较，以及对并联电源均流技术要求的分析和类似并联冗余问题的查询了解，认为本工程的N+M并联冗余电源存在质量隐患，可靠性得不到保证。质量监督工程师签发了工程质量问题书面通知，在工程质量检查总结讲评会上，对仪表24V N+M并联冗余电源系统存在的问题，进行了重点讲评。要求建设、设计、DCS供应商、监理等单位在控制系统投用后，对各装置仪表N+M并联冗余电源的工作情况进行全面检测，使用维护单位强化对仪表N+M并联冗余电源工作温度的检查，适时改造仪表24V N+M并联冗余电源系统。【拓展】N+M并联冗余系统涉及核电、航空航天、军事、交通运输、海洋结构、化工过程、以及与IT相关的通信、银行业务等高可靠性要求的大型工业系统，具有相当的重要性。近三十多年来，已逐渐被许多国家所重视，且在各国工程技术人员的努力下，至今已有十几种模型和方法被提出，有些还被应用到工程实际中，但都只能用作预估，而得不到精确的结果。开展这方面研究具有现实意义。参考文献1 蒋仁言,左明键.可靠性模型与应用M.北京:机械工业出版社,1999.2 李翠玲等.相关失效分析方法评述与探讨J.机械设计与制造.2003,(3):1-33 周金宇等.失效相关结构系统可靠性分析及近似求解J.东北大学学报( 自然科学版).2004,25(1):74-764 美E.J.亨利等著,吕应中等译.可靠性工程与风险分析M.北京:原子能出版社,1988.5 谢里阳等.共因失效概率预测的离散化模型J.核科学与工程.2002,22(2):l86-l926 张占松,蔡宜三.开关电源的原理与设计M.北京:电了工业出版社,2005.7 Mark Jordan,“UC3907 load share IC simplifies parallel power supply design”, Unitronde application note U-129,1993-1994.8 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