CN114665596A - 一种ups电源的在线监控与预警系统 - Google Patents

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Guangdong Cemdeo Co ltd
Guangzhou Vocational College of Technology and Business
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Abstract

本发明适用于不间断电源领域，公开了UPS电源的在线监控与预警系统，包括数据监测单元、预警提醒单元和控制中心，预警提醒单元和数据监测单元分别与控制中心连接；数据监测单元用于监测UPS电源，并输出监测数据给控制中心；控制中心存储有故障数据库，控制中心根据数据监测单元输出的监测数据判断UPS电源是否存在异常，若是，则基于故障数据库分析UPS电源存在的故障风险类型，并输出故障风险类型以及触发预警提醒单元发出预警；该系统通过数据监测单元实时监控UPS电源的相关数据，然后利用控制中心根据判断UPS电源是否存在异常，并在异常时触发预警提醒单元发出预警，能在UPS设备故障发生前，及时发现UPS电源存在的隐患，发出预警，减少故障发生率。

Description

一种UPS电源的在线监控与预警系统
技术领域
本发明涉及不间断电源领域，尤其涉及一种UPS电源的在线监控与预警系统。
背景技术
不间断电源(简称UPS电源)，是一种含有储能装置，以逆变器为主要组成部分的恒压恒频的不间断电源。主要用于给单台计算机、计算机网络系统或其它重要负载提供不间断的电力供应。当市电输入正常时，UPS电源将市电稳压后供应给负载使用，此时的UPS就是一台交流市电稳压器，同时它还向机内电池充电；当市电中断(事故停电)时，UPS电源立即将机内电池的电能，通过逆变转换的方法向负载继续供应220V交流电，使负载维持正常工作并保护负载软、硬件不受损坏。
目前的UPS电源虽然能够实现智能化监控，但是不能判断UPS电源是否存在异常，而且不能发出预警，运维部门无法提前采取措施避免故障发生，造成较大经济损失。
发明内容
本发明的目的在于提供一种UPS电源的在线监控与预警系统，其旨在解决现有的UPS电源虽然能够实现智能化监控，但是不能判断UPS电源是否存在异常，而且不能发出预警的技术问题。
为达到上述目的，本发明提供的方案是：
一种UPS电源的在线监控与预警系统，包括数据监测单元、预警提醒单元和控制中心，所述预警提醒单元和所述数据监测单元分别与所述控制中心连接；所述数据监测单元用于监测UPS电源，并输出监测数据给所述控制中心；所述控制中心存储有故障数据库，所述控制中心根据所述数据监测单元输出的监测数据判断UPS电源是否存在异常，若是，则基于所述故障数据库分析UPS电源存在的故障风险类型，并输出故障风险类型以及触发所述预警提醒单元发出预警。
优选地，控制中心包括数据存储模块、数据分析处理模块和显示模块，所述预警提醒单元、所述数据监测单元、所述数据存储模块和所述显示模块分别与所述数据分析处理模块连接，所述数据监测单元还与所述数据存储模块连接；所述数据存储模块存储有所述故障数据库；所述数据监测单元用于监测UPS电源，并输出监测数据给所述数据存储模块和所述数据分析处理模块；所述数据分析处理模块根据所述数据监测单元输出的监测数据判断UPS电源是否存在异常，若是，则基于所述故障数据库分析UPS电源存在的故障风险类型，并输出故障风险类型给所述显示模块，以及触发所述预警提醒单元发出预警。
优选地，所述数据监测单元用于监测UPS电源的主机数据、UPS电源的环境数据和电池数据；所述主机数据包括主机的电流、电压、频率输入数据，整流器的电流、电压、频率输入输出数据以及工作温度数据，逆变器的电流、电压、频率输入输出数据以及工作温度数据，静态开关的电流、电压、频率输入输出数据以及工作温度数据；所述环境数据主要包括UPS电源的工作环境温度和湿度数据；所述电池数据主要包括电池的电流、电压、温度数据。
优选地，所述数据监测单元包括主机数据采集模块，所述主机数据采集模块用于对主机每个采样点的三相电压或电流的瞬时值进行连续采样，并输出采样数据给UPS电源的DSP控制器，UPS电源的DSP控制器与所述控制中心连接。
优选地，所述主机数据采集模块包括时分复用电路，所述时分复用电路包括插座、降压电路、多路复用器、第一电压跟随器、第二电压跟随器和隔离放大器，所述插座的N引脚连接UPS的中性线，所述插座的输入端J0、J1、J2、J3、J4、J5分别连接UPS电源电路的逆变A、B、C相和旁路A、B、C相，所述插座的第一输出端、第二输出端、第三输出端、第四输出端、第五输出端和第六输出端分别连接至对应的降压电路的输入端，多个所述降压电路的输出端分别与所述多路复用器和所述第一电压跟随器相连，所述多路复用器通过所述第二电压跟随器连接至所述隔离放大器的正相输入端，所述第一电压跟随器连接至所述隔离放大器的负相输入端，所述隔离放大器输出信号给UPS电源的DSP控制器。
优选地，所述数据监测单元还包括环境数据采集模块和电池数据采集模块；所述环境数据采集模块包括用于采集UPS电源的工作环境温度的温度传感器和用于采集UPS电源的工作环境湿度的湿度传感器；所述电池数据采集模块连接在电池的两端，用于采集每节电池的电压、电流和温度；所述温度传感器、所述湿度传感器和所述电池数据采集模块分别与所述控制中心连接。
优选地，所述UPS电源的在线监控与预警系统还包括故障数据库构建单元，所述故障数据库构建单元包括数据获取模块、数据处理模块、故障数据库构建模块，所述数据获取模块和所述故障数据库构建模块均与所述控制中心连接；所述数据获取模块用于获取UPS电源的实际测量数据、UPS电源的内部数据、以及数据监测单元输出的主机数据、UPS电源的环境数据和电池数据；所述数据处理模块用于处理所述数据获取模块得到的数据以得到异常数据；所述故障数据库构建模块用于根据UPS电源故障类型以及异常数据建模分析以得到UPS电源各种故障类型对应的表征信号、隐患和案例，从而形成所述故障数据库，并存储在所述控制中心。
优选地，所述UPS电源的在线监控与预警系统还包括预警计时单元，所述预警计时单元与所述预警提醒单元连接，所述预警计时单元还与UPS电源的DSP控制器连接，所述预警提醒单元发出预警后，所述预警计时单元开始计时，所述预警计时单元计时达到预设时间后，所述预警计时单元给DSP控制器发送预警超时指令，UPS电源自主决策进入保护模式。
优选地，所述UPS电源的在线监控与预警系统还包括与所述控制中心连接的故障临界安全预警单元，所述故障临界安全预警单元还与UPS电源的DSP控制器连接，所述控制中心根据所述数据监测单元输出的监测数据判断UPS电源存在异常，并且异常值达到最大阈值，则触发所述故障临界安全预警单元给DSP控制器发送安全预警，UPS电源自主决策进入安全保护模式。
优选地，所述控制中心还包括人机交互模块，所述人机交互模块与所述数据存储模块连接，用于查询各种故障风险的表征信号、隐患现象以及相关案例。
本发明提供的UPS电源的在线监控与预警系统包括数据监测单元、预警提醒单元和控制中心，通过数据监测单元实时监控UPS电源的相关数据，然后利用控制中心根据判断UPS电源是否存在异常，若是，则分析UPS电源存在的故障风险类型，并输出故障风险类型给所述显示模块，以及触发预警提醒单元发出预警，能在UPS设备故障发生前，及时发现UPS电源存在的隐患，发出预警，减少故障发生率；而且在UPS电源发生故障后，能够辅助准确定位故障原因，提升维修有效性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的UPS电源的在线监控与预警系统流程框图；
图2是本发明实施例提供的UPS电源的主机数据的采样点示意图；
图3是本发明实施例提供的时分复用电路的结构示意图；
图4是图3中A的放大图；
图5是图3中B的放大图；
图6是图3中C的放大图；
图7是UPS电源的IGBT功率器件的结构示意图；
图8是本发明实施例提供的IGBT功率器件老化试验电路原理图。
附图标号说明：
10、数据监测单元；11、主机数据采集模块；12、环境数据采集模块；13、电池数据采集模块；20、预警提醒单元；30、控制中心；31、数据存储模块；32、数据分析处理模块；33、显示模块；34、人机交互模块；40、故障数据库构建单元；41、数据获取模块；42、数据处理模块；43、故障数据库构建模块；50、预警计时单元；60、故障临界安全预警单元；70、IGBT寿命预测单元；80、电解电容寿命预测单元；90、UPS电源的DSP控制器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
还需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件上时，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接另一个元件或者可能同时存在居中元件。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
如图1至图6所示，其为本发明的一种实施例的UPS电源的在线监控与预警系统，UPS电源一般包括主机和电池组，主机主要包括DSP控制器、输入开关、整流器、逆变器、静态开关、输出开关、旁路开关和维修开关。主机主要由主电源、旁路电源和电池组三种方式供电。
请参阅图1-图6，本发明实施例的UPS电源的在线监控与预警系统，包括数据监测单元10、预警提醒单元20和控制中心30。数据监测单元10用于监测UPS电源的相关数据，并输出监测数据给所述控制中心30；所述控制中心30存储有故障数据库，所述控制中心30根据所述数据监测单元10输出的监测数据判断UPS电源是否存在异常，若是，则基于所述故障数据库分析UPS电源存在的故障风险类型，并输出故障风险类型给所述显示模块33，以及触发所述预警提醒单元20发出预警。
优选地，控制中心30包括数据存储模块31、数据分析处理模块32和显示模块33，预警提醒单元20、数据监测单元10、数据存储模块31和显示模块33分别与数据分析处理模块32连接，数据监测单元10还与数据存储模块31连接，数据存储模块31存储有故障数据库，数据监测单元10用于监测UPS电源的相关数据，并输出监测数据给数据存储模块31和数据分析处理模块32。数据分析处理模块32根据数据监测单元10输出的监测数据判断UPS电源是否存在异常，若是，则基于故障数据库分析UPS电源存在的故障风险类型，并输出故障风险类型给显示模块33以及触发预警提醒单元20发出预警。
可以理解地，数据监测单元10的输出数据也可以通过数据分析处理模块32传输给数据存储模块31，而不是直接传输给数据存储模块31。
UPS电源的相关数据包括主机数据、UPS电源的环境数据和电池数据。主机数据包括主机的电流、电压、频率等输入数据，整流器的电流、电压、频率等输入输出数据以及工作温度数据，逆变器的电流、电压、频率输入输出数据以及工作温度数据，静态开关的电流、电压、频率输入输出数据以及工作温度数据。环境数据主要包括UPS工作的环境温度、湿度等影响UPS工作的相关数据。电池数据主要包括电池的电流、电压、温度等相关数据。
可以理解地，采集UPS电源的相关数据前可事先对相关采样点进行设计，主机数据的采样点分布如图2所示，其中点①是对主机输入数据的采集；采集到的数据作为输入情况的判断依据，如果市电输入中断或者输入电压过低、过高，系统及时进行预警，提示输入异常情况，提示对输出进行检修。因为有电池供电补偿，电源仍能输出稳定的电能。点②是对整流器输入数据的采集，采集到的数据作为整流器输入情况的判断依据，随时可以了解整流器的输入情况。点③是整流器输出数据的采样点，采集整流器输出电压、电流等相关数据，整流器输出应该是平稳的直流电流。点④是电池数据的采样点，采集电池组的输入、输出情况。点⑤是逆变器输入信号的采样点。点⑥为逆变器输出信号的采样点；点⑦是旁路数据的采样点，对旁路的输入进行监控。同时点⑥与点⑦也是静态开关输入数据的采样点；点⑧是静态开关输出信号的采样点。
UPS电源的环境数据的采样点主要设计在UPS电源工作附近，包括主机、蓄电池附近，主要是采集UPS电源工作的环境数据，包括温度、湿度等数据，如果这些数据不满足UPS电源工作的要求，及时向系统报警，提示采取相应的措施，以保护UPS电源设备的安全。
电池组的采样点分布在电池组的每节电池上。
优选地，数据监测单元10包括主机数据采集模块11、环境数据采集模块12以及电池数据采集模块13，主机数据采集模块11用于对主机每个采样点的三相电压或电流的瞬时值进行连续采样，并输出采样数据给UPS电源的DSP控制器90。环境数据采集模块12包括用于采集UPS电源的工作环境温度的温度传感器和用于采集UPS电源的工作环境湿度的湿度传感器。电池数据采集模块13连接在电池的两端，用于采集每节电池的电压、电流和温度。DSP控制器、温度传感器、湿度传感器以及电池数据采集模块13均分别与数据分析处理模块32和数据存储模块31通信。
可选地，电池数据采集模块13与数据分析处理模块32无线连接，通过无线传输数据，实时监测每节电池的电压、电流和温度，无线传输能避免有线传输存在的电池系统短路隐患。
请参阅图3-图6所示，主机数据采集模块11包括时分复用电路，时分复用电路包括插座P1、降压电路、多路复用器U5、第一电压跟随器U1B、第二电压跟随器U1C和隔离放大器U6，插座P1的N引脚连接UPS的中性线，插座P1的输入端J0、J1、J2、J3、J4、J5分别连接UPS电源电路的逆变A、B、C相和旁路A、B、C相，插座P1的各输出端第一输出端、第二输出端、第三输出端、第四输出端、第五输出端和第六输出端分别连接至对应的降压电路的输入端，多个所述降压电路的输出端分别与多路复用器U5和第一电压跟随器U1B相连，多路复用器U5通过第二电压跟随器U1C连接至隔离放大器U6的正相输入端，第一电压跟随器U1B连接至隔离放大器U6的负相输入端，隔离放大器U6输出信号给DSP控制器。
也就是说，降压电路的数量与插座P1的输出端数量对应，插座P1的第一输出端连接一降压电路后分两路输出，一路输出至多路复用器U5，另一路输出至第一电压跟随器U1B，同理，插座P1的第二输出端、第三输出端、第四输出端、第五输出端和第六输出端的输出方式与第一输出端的输出方式一样。
降压电路包括多个串联电阻，用于将220V电压缩小至0.2V左右。
多路复用器U5的A2、A1、A0信号由DSP控制器提供，当A2 A1 A0＝0 0 0时，Y0与COM导通，当A2 A1 A0＝0 0 1时，Y1与COM导通，当A2 A1 A0＝0 1 0时，Y2与COM导通，当A2 A1A0＝0 1 1时，Y3与COM导通，当A2 A1 A0＝1 0 0时，Y4与COM导通，当A2 A1 A0＝1 0 1时，Y5与COM导通。
第一电压跟随器U1B和第二电压跟随器U1C，用于传递信号同时防止电压跟随器后面的电路影响电压跟随器前面的电路。
隔离放大器U6用于隔离强电(逆变和旁路)和弱电(DSP控制相关电路)同时将信号放大8倍。
需要说明的是，时分复用电路还可以包括由电阻和电容构成的滤波模块，用于进行简单的滤波功能。
主机数据采集模块11通过使用时分复用电路采集把UPS的逆变电压A、B、C相和旁路电压A、B、C相(总共6路信号)合并成1路信号，只需要配置一个隔离放大器U6，能够极大地节省成本。
本发明实施例的UPS电源的在线监控与预警系统还包括故障数据库构建单元40，故障数据库构建单元40包括数据获取模块41、数据处理模块42、故障数据库构建模块43。数据获取模块41和故障数据库构建模块43均与数据存储模块31连接。
数据获取模块41用于获取UPS电源的实际测量数据、UPS电源的内部数据、以及数据监测单元10输出的主机数据、UPS电源的环境数据和电池数据。
数据处理模块42用于处理数据获取模块41得到的数据以得到异常数据。
故障数据库构建模块43用于根据UPS电源故障类型以及异常数据建模分析以得到UPS电源各种故障类型对应的表征信号、隐患和案例，从而形成故障数据库，并存储在数据存储模块31。
UPS电源部分故障类型对应的表征信号、隐患和案例如下表1所示。
表1
Figure BDA0003527054210000091
Figure BDA0003527054210000101
Figure BDA0003527054210000111
可以理解地，数据分析处理模块32接收数据监测单元10输出的监测数据后，判断监测数据是否异常，如果异常，则输出告警信息，并进一步判断UPS电源可能存在的故障风险类型，分析时，将告警信息与故障数据库里的表征信号进行匹配，如果能够匹配到，则同时输出故障风险类型给控制中心30，管理人员通过显示模块33可以看到告警信息和故障风险的表征信号、隐患现象以及相关案例，管理人员就可以根据相关信息进行设备的维修，提高维护效率，降低故障风险。
UPS电源部分告警信息如下表2所示。
表2
Figure BDA0003527054210000112
Figure BDA0003527054210000121
上述信息主要是从电压、电流方面进行预警，当某监测点的电流、电压在允许的范围内，认为UPS电源工作正常，系统健康。当某监测点的电流、电压出现严重偏差，超出允许的最大范围，认为异常，预警提醒单元20发出声光报警，同时，显示模块33提示具体哪路电源出现了故障。
组成UPS电源的器件基本上可以分为电阻、电容、二极管、功率器件(IGBT或者MOS管)、电感和变压器、电流传感器、IC、光耦、继电器等。电阻、贴片电容和瓷片电容的使用寿命一般都可以达到20年以上，电感和变压器在设计时，只要不超过其材料温度，理论上认为是可以长期工作而不失效的；小功率的二极管，三极管基本可以工作10万小时以上；继电器的机械寿命一般在100万次以上，电气寿命大于1万次；风扇和保险丝属于易损元器件，对逆变器寿命不会造成影响，发生故障只需及时更换就可以。
以IGBT功率器件和电解电容为例，由于IGBT功率器件与电解电容对温度敏感，受温度影响最大，关系到整个系统的健康状况，因此，系统重点关注IGBT功率器件与电解电容的问题，当前IGBT功率器件内部PN结的最高耐温一般为150℃，超过这个温度IGBT会损坏，因此必须要对IGBT的温度进行严格的控制，除了添加散热片及采取主动散热措施以外，还要进行过热关断保护，即温度超过警戒值便停止电源的工作。由于150℃是IGBT功率器件内部的温度，因此警戒温度的阀值要充分考虑到热传导的损失来留出合适的裕量。根据设计经验，通常把预警温度设定在75℃，超过设计设定值，就进行预警。电解电容的标识最高工作温度一般是105℃，超过这个温度，严重影响电解电容的寿命，进而影响UPS的寿命。根据设计经验，通常把预警温度设定在75℃，超过设计设定值，就进行预警。
因此，当环境数据采集模块12采集到UPS电源的工作环境温度高于75℃时，数据分析处理模块32则输出告警信息。
本发明实施例的UPS电源的在线监控与预警系统还包括预警计时单元50，预警计时单元50与预警提醒单元20连接，预警计时单元50还与UPS电源的DSP控制器90连接，预警提醒单元20发出预警后，预警计时单元50开始计时，当预警发出预设时间后，如维修部门未在规定时间内对预警内容进行有效处置，预警计时单元50给DSP控制器发送预警超时指令，为了避免UPS电源质量继续下降而发生故障，UPS电源将自主决策进入保护模式，UPS电源供电由逆变状态转入自动旁路状态，UPS电源的主要部件停止工作。
在发出预警之后至自主决策处置措施之前这段时间，如发生UPS电源质量急剧下降情况，已经濒临故障临界值，UPS电源系统将自主采取安全保护措施，直接自动转入手动旁路供电模式，彻底退出供电运行系统。
本发明实施例的UPS电源的在线监控与预警系统还包括故障临界安全预警单元60，故障临界安全预警单元60与数据分析处理模块32连接故障临界安全预警单元60还与UPS电源的DSP控制器90连接，数据分析处理模块32根据数据监测单元10输出的监测数据判断UPS电源存在异常，并且异常值达到最大阈值，则触发故障临界安全预警单元60给DSP控制器发送安全预警，UPS电源自主决策进入安全保护模式。
还是以IGBT功率器件和电解电容为例，根据设计经验，IGBT功率器件和电解电容的过温保护值一般设定为85℃，超出这温度，损坏的概率将非常高。所以，我们认为85℃就是IGBT功率器件和电解电容的故障临界值，因此，当环境数据采集模块12采集到UPS电源的工作环境温度高于85℃时，UPS电源系统将自主采取安全保护措施，直接自动转入手动旁路供电模式，彻底退出供电运行系统。
控制中心30还包括人机交互模块34，人机交互模块34与数据存储模块31连接，维修人员通过人机交互模块34输入相关的故障特征，控制中心30就能智能的做出分析，输出故障风险类型给显示模块33，为维修提供重要的参考，维修人员通过显示模块33可以看到故障风险的表征信号、隐患现象以及相关案例，创造自主维修条件，提高自主维修水平，实行自主离线式维护维修模式。
本发明实施例的UPS电源的在线监控与预警系统还包括IGBT寿命预测单元70，IGBT寿命预测单元70与数据监测单元10连接，接收数据监测单元10输出的监测数据，并根据IGBT寿命预测模型预测IGBT功率器件的剩余寿命。
请参阅图7-图8，IGBT寿命预测模型的推导过程如下：
目前，对电力电子器件的失效机理研究通常分为两类，即与芯片相关的内部故障失效和与封装相关的外部故障失效。内部故障失效主要与电气过应力有关，即高电流和高电压。外部故障失效通常是由热机械过应力引起的。而不同材料之间的热膨胀系数(Coefficients of Ther-mal Expansion，CTE)的不匹配是引起封装相关故障的根本原因。
IGBT功率器件通常以多层结构构建，如图7所示，其主要由芯片、直接覆铜(DirectBonded Cop-per，DBC)陶瓷基板和底板构成，层间通过焊料焊接。图中，键合线通常用于连接不同的芯片并实现内部芯片与外部电路的连接。
根据IGBT结构组成，其失效机理主要体现在以下两种情况：
(A)键合线失效。键合线失效进一步分为两种：焊线剥离和焊线脚跟开裂。键合线剥离的主要原因是Si和Al接触区域之间的CTE不匹配。在温度循环期间，导线和器件之间会产生裂纹，最终导致键合线脱落。断裂疲劳被认为是造成键合线脚跟开裂主要原因。当器件经受温度循环时，键合线顶部的位移循环会造成弯曲角的交替现象。
(B)焊料疲劳。如图7所示，在典型的电源模块中通常有两层焊接层。一层在Si芯片和DBC之间，另一层在DBC和底板之间。DBC和底板之间较大的CTE不匹配使其更容易受到焊接疲劳的影响。温度和功率循环会焊接附着层中产生空隙和裂纹，随着温度循环的升高，这一现象会更加严重。空隙会导致热阻抗的增加，导致温度升高加速空隙的形成。换言之，芯片温度与空隙的形成呈正相关。最终，过多热量的聚集会对器件造成严重的损害。而过热可能是造成闩锁的根本原因。因此，与封装相关的故障有时会导致与芯片相关的故障。
图8所示为加速老化实验的电路原理图，Vg为控制IGBT的G脚电源0～15V；R为IGBTG脚串联电阻，采用10Ω/2W；LH为电流互感器0～300A；PWR为试验用电源5V/300A。
试验方案对9个IGBT功率器件进行温度循环老化试验，试验条件参数设置如表3所示，IC为加热电流值，单位为A；ΔTc为IGBT的壳温波动范围，单位为℃，在不同的IC以及对应的壳温波动范围下，测试对应模块在失效前的温度循环周期数。
表3：IGBT老化实验参数方案
模块序号 1 2 3 4 5 6 7 8 9
I<sub>C</sub>(A) 50 50 50 60 60 60 70 70 70
△T<sub>C</sub>(℃) 40～90 50～90 60～90 40～90 50～90 60～90 40～90 50～90 60～90
老化实验区由加热电路、驱动电路和冷却系统(散热器和风机)组成。温度传感器安装在IGBT功率器件底部，将IGBT温度实时传递给上位机，通过上位机中的程序控制IGBT的通断，控制IGBT到环境条件的临界温度的通断，以40～90℃为例，当温度达到90℃后通过指令关断模块，在散热器的作用下，当模块冷却到40℃后重新启动模块，使模块在相同的温度区间内循环试验。表4为加速循环寿命试验的结果。
表4：IGBT功率器件加速寿命试验数据
模块序号 I<sub>C</sub>(A) △T<sub>C</sub>(℃) t<sub>on</sub> N<sub>f</sub>
1 50 50 220 3985
2 50 40 260 5700
3 50 40 140 8567
4 60 60 210 2201
5 60 50 213 3400
6 60 40 194 4230
7 70 60 168 2582
8 70 50 172 2954
9 70 40 210 3124
在工程实际应用中发现，加热电流和循环时间是影响IGBT功率器件寿命的因素，而Coffin-Manson模型没有考虑这方面的参数，基于此，将加热电流和循环时间也考虑Coffin-Manson模型。实际上，IGBT功率器件寿命还受其他因素的综合影响，比如温度的波动范围影响、温度变化速率等，根据相关理论及工程实际发现，导通时间影响最大，在IGBT功率器件正常工作中，其他因素影响有限，为简化模型，本模型加入导通时间作为参考因素，具体模型如下：
Figure BDA0003527054210000161
式中，ΔTC为温度的变化值；ton为每个温度循环试验中IGBT功率器件的导通时间，如表2所示，根据ΔTC与ton就可以算得ΔTC/ton，即温度变化速率；IC为加速寿命试验中模块的加热电流，单位为(A)；n1，n2，n3，n4为无量纲的未知参数，由试验数据拟合得到。本模型利用表2的数据，对上述模型作最小二乘法拟合，得n1＝5416257，n2＝-0.012 87，n3＝-2.04079，n4＝-1.02198，将这些数值待遇，可得IGBT的剩余寿命预测模型：
Figure BDA0003527054210000162
上述模型中，ΔTC，IC，ton可以从监测数据得到，对IGBT健康状态判断，具体通过设计计算机程序实现。在预测时，根据用于采集UPS电源的工作环境温度的温度传感器返回的温度可以得到温度的变化值ΔTC，IGBT功率器件的工作电流作为模型中的IC，导通时间ton可以通过数据监测单元监测得到。
本发明实施例的UPS电源的在线监控与预警系统还包括电解电容寿命预测单元80，电解电容寿命预测单元80与数据监测单元10连接，接收数据监测单元10输出的监测数据，并根据电解电容寿命预测模型预测电解电容的使用寿命。
可以理解地，电解电容寿命在105℃情况下一般在2000-3000H，寿命长的也只有5000-6000H，但是随着每升高10℃寿命则折半，电解电容在UPS中起着不可或缺的作用，它的使用寿命和工作状况与UPS的健康息息相关。
阿列纽斯方程是用来描述化学物质反应速率随温度变化关系的经验公式。电解电容内部是由金属铝等和电解液等化学物质组成的，所以电解电容的寿命与阿列纽斯方程密切相关，阿列纽斯方程公式如下：
Figure BDA0003527054210000171
式中，k表示化学反应速率，R表示摩尔气体常量，T表示热力学温度，Ea表示表观活化能，A表示频率因子。
根据阿列纽斯方程可知，温度升高，化学反应速率(寿命消耗)增大，一般来说，环境温度每升高10℃，化学反应速率(k值)将增大2-10倍，即电容工作温度每升高10℃，电容寿命减小一倍，电容工作温度每下降10℃，其寿命增加一倍，所以，环境温度是影响电解电容寿命的重要因素。根据阿列纽斯方程结论可以推导出电解电容寿命预测模型，电解电容寿命预测模型表示为：
Figure BDA0003527054210000172
式中，L表示环境温度为T1时电解电容器的使用寿命，单位为H；L0表示额定寿命，单位为H；T0表示额定最高使用温度，单位为℃；T1表示环境温度，单位为℃。
因此，实时采集UPS的工作环境温度，可以判断电解电容的使用寿命，进而可以判断UPS的使用寿命。
温度对IGBT与电解电容的影响很大，属于UPS寿命的短板，根据木桶理论，UPS中IGBT与电解电容的寿命，决定了整个UPS的寿命，因此，本发明实施例的UPS电源的在线监控与预警系统通过IGBT寿命预测单元70和电解电容寿命预测单元80对IGBT功率器件和电解电容的使用寿命进行预测，能够预测出UPS电源的使用寿命。
本发明实施例的UPS电源的在线监控与预警系统包括数据监测单元10、预警提醒单元20和控制中心30，通过数据监测单元10实时监控UPS电源的相关数据，然后利用控制中心30根据判断UPS电源是否存在异常，若是，则分析UPS电源存在的故障风险类型，并输出故障风险类型给所述显示模块33，以及触发预警提醒单元20发出预警，能在UPS设备故障发生前，及时发现UPS电源存在的隐患，发出预警，减少故障发生率；而且在UPS电源发生故障后，能够辅助准确定位故障原因，提升维修有效性。
本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种UPS电源的在线监控与预警系统，其特征在于，包括数据监测单元、预警提醒单元和控制中心，所述预警提醒单元和所述数据监测单元分别与所述控制中心连接；所述数据监测单元用于监测UPS电源，并输出监测数据给所述控制中心；所述控制中心存储有故障数据库，所述控制中心根据所述数据监测单元输出的监测数据判断UPS电源是否存在异常，若是，则基于所述故障数据库分析UPS电源存在的故障风险类型，并输出故障风险类型以及触发所述预警提醒单元发出预警。
2.如权利要求1所述的UPS电源的在线监控与预警系统，其特征在于，控制中心包括数据存储模块、数据分析处理模块和显示模块，所述预警提醒单元、所述数据监测单元、所述数据存储模块和所述显示模块分别与所述数据分析处理模块连接，所述数据监测单元还与所述数据存储模块连接；所述数据存储模块存储有所述故障数据库；所述数据监测单元用于监测UPS电源，并输出监测数据给所述数据存储模块和所述数据分析处理模块；所述数据分析处理模块根据所述数据监测单元输出的监测数据判断UPS电源是否存在异常，若是，则基于所述故障数据库分析UPS电源存在的故障风险类型，并输出故障风险类型给所述显示模块，以及触发所述预警提醒单元发出预警。
3.如权利要求1所述的UPS电源的在线监控与预警系统，其特征在于，所述数据监测单元用于监测UPS电源的主机数据、UPS电源的环境数据和电池数据；所述主机数据包括主机的电流、电压、频率输入数据，整流器的电流、电压、频率输入输出数据以及工作温度数据，逆变器的电流、电压、频率输入输出数据以及工作温度数据，静态开关的电流、电压、频率输入输出数据以及工作温度数据；所述环境数据主要包括UPS电源的工作环境温度和湿度数据；所述电池数据主要包括电池的电流、电压、温度数据。
4.如权利要求3所述的UPS电源的在线监控与预警系统，其特征在于，所述数据监测单元包括主机数据采集模块，所述主机数据采集模块用于对主机每个采样点的三相电压或电流的瞬时值进行连续采样，并输出采样数据给UPS电源的DSP控制器，UPS电源的DSP控制器与所述控制中心连接。
5.如权利要求4所述的UPS电源的在线监控与预警系统，其特征在于，所述主机数据采集模块包括时分复用电路，所述时分复用电路包括插座、多个降压电路、多路复用器、第一电压跟随器、第二电压跟随器和隔离放大器，所述插座的N引脚连接UPS的中性线，所述插座的输入端J0、J1、J2、J3、J4、J5分别连接UPS电源电路的逆变A、B、C相和旁路A、B、C相，所述插座的第一输出端、第二输出端、第三输出端、第四输出端、第五输出端和第六输出端分别连接至对应的降压电路的输入端，多个所述降压电路的输出端分别与所述多路复用器和所述第一电压跟随器相连，所述多路复用器通过所述第二电压跟随器连接至所述隔离放大器的正相输入端，所述第一电压跟随器连接至所述隔离放大器的负相输入端，所述隔离放大器输出信号给UPS电源的DSP控制器。
6.如权利要求4所述的UPS电源的在线监控与预警系统，其特征在于，所述数据监测单元还包括环境数据采集模块和电池数据采集模块；所述环境数据采集模块包括用于采集UPS电源的工作环境温度的温度传感器和用于采集UPS电源的工作环境湿度的湿度传感器；所述电池数据采集模块连接在电池的两端，用于采集每节电池的电压、电流和温度；所述温度传感器、所述湿度传感器和所述电池数据采集模块分别与所述控制中心连接。
7.如权利要求1所述的UPS电源的在线监控与预警系统，其特征在于，还包括故障数据库构建单元，所述故障数据库构建单元包括数据获取模块、数据处理模块、故障数据库构建模块，所述数据获取模块和所述故障数据库构建模块均与所述控制中心连接；所述数据获取模块用于获取UPS电源的实际测量数据、UPS电源的内部数据、以及数据监测单元输出的主机数据、UPS电源的环境数据和电池数据；所述数据处理模块用于处理所述数据获取模块得到的数据以得到异常数据；所述故障数据库构建模块用于根据UPS电源故障类型以及异常数据建模分析以得到UPS电源各种故障类型对应的表征信号、隐患和案例，从而形成所述故障数据库，并存储在所述控制中心。
8.如权利要求1所述的UPS电源的在线监控与预警系统，其特征在于，还包括预警计时单元，所述预警计时单元与所述预警提醒单元连接，所述预警计时单元还与UPS电源的DSP控制器连接，所述预警提醒单元发出预警后，所述预警计时单元开始计时，所述预警计时单元计时达到预设时间后，所述预警计时单元给DSP控制器发送预警超时指令，UPS电源自主决策进入保护模式。
9.如权利要求1所述的UPS电源的在线监控与预警系统，其特征在于，还包括与所述控制中心连接的故障临界安全预警单元，所述故障临界安全预警单元还与UPS电源的DSP控制器连接，所述控制中心根据所述数据监测单元输出的监测数据判断UPS电源存在异常，并且异常值达到最大阈值，则触发所述故障临界安全预警单元给DSP控制器发送安全预警，UPS电源自主决策进入安全保护模式。
10.如权利要求2所述的UPS电源的在线监控与预警系统，其特征在于，所述控制中心还包括人机交互模块，所述人机交互模块与所述数据存储模块连接，用于查询各种故障风险的表征信号、隐患现象以及相关案例。
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