中國(guó)民用航空局第二研究所 程 靖

成都航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 楊 芳

一、引言

隨著機(jī)場(chǎng)規(guī)模的擴(kuò)大，信息弱電系統(tǒng)在機(jī)場(chǎng)的安全生產(chǎn)運(yùn)營(yíng)中起到越來(lái)越重要的作用，而UPS電源系統(tǒng)又是信息弱電系統(tǒng)的基礎(chǔ)保障條件，為信息弱電系統(tǒng)提供不間斷的、低諧波的、電壓頻率穩(wěn)定的電源。根據(jù)不同等級(jí)的負(fù)載合理選擇UPS供電方案，對(duì)于提高機(jī)場(chǎng)信息系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性有現(xiàn)實(shí)意義。

二、UPS供電系統(tǒng)分析

1.單機(jī)供電

即采用單臺(tái)UPS對(duì)負(fù)載供電。

優(yōu)點(diǎn)

⊙ 硬件配置成本較低。

⊙ 由于UPS可工作于滿負(fù)荷條件下，效率最高。

⊙ 根據(jù)后期負(fù)荷增長(zhǎng)的需求，可進(jìn)行增加適當(dāng)容量的單臺(tái)UPS或重新構(gòu)建N+1 UPS并聯(lián)系統(tǒng)以滿足要求。

缺點(diǎn)

⊙ 可靠性較低，若UPS整流、逆變模塊出現(xiàn)故障，負(fù)載將切換到旁路，由市電供電。

⊙ 存在多個(gè)單故障點(diǎn)，系統(tǒng)的可靠性由其最薄弱的環(huán)節(jié)決定。

2.串聯(lián)冗余

串聯(lián)冗余系統(tǒng)沒(méi)有并聯(lián)總線，也不要求UPS具有相同的容量，正常情況下由主UPS模塊為負(fù)載供電。同時(shí)，一臺(tái)“串聯(lián)”UPS為主UPS模塊的靜態(tài)旁路供電，該配置要求主UPS模塊的靜態(tài)旁路具有單獨(dú)的輸入電路。圖1為串聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)。

圖1 串聯(lián)冗余系統(tǒng)

在正常運(yùn)行條件下，主UPS承擔(dān)全部負(fù)載的供電，串聯(lián)UPS不承擔(dān)任何負(fù)載。一旦主UPS負(fù)載轉(zhuǎn)換到靜態(tài)旁路上，串聯(lián)UPS將接受全部負(fù)載。這種供電方式輸出線路存在單故障點(diǎn)，系統(tǒng)仍然會(huì)設(shè)置維護(hù)旁路，整個(gè)系統(tǒng)需要定期停機(jī)進(jìn)行預(yù)防性的維護(hù)。

優(yōu)點(diǎn)

⊙ 系統(tǒng)搭建靈活，可以選用不同型號(hào)和品牌的UPS。

⊙ 具備UPS容錯(cuò)功能。

缺點(diǎn)

⊙ 主UPS轉(zhuǎn)換到旁路時(shí)，輔助UPS必須能夠處理突然的負(fù)載變化（空載-滿載）。

⊙ 正常情況下輔助UPS工作在空載狀態(tài)下，建設(shè)成本和運(yùn)營(yíng)成本較高。

⊙ 每臺(tái)UPS均需要采用靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)來(lái)啟用冗余模塊或市電。

⊙ 存在單故障點(diǎn)。

3.并聯(lián)冗余系統(tǒng)

在并聯(lián)冗余配置方案中，當(dāng)單臺(tái)UPS出現(xiàn)故障時(shí)，負(fù)載自動(dòng)由剩余的N臺(tái)UPS分擔(dān)。多臺(tái)并聯(lián)的容量相同的UPS共用一條輸出總線。

并聯(lián)冗余系統(tǒng)要求采用同一制造商生產(chǎn)的相同容量的UPS模塊，由UPS制造商提供并聯(lián)控制電路，以產(chǎn)生同步的輸出電壓。在正常運(yùn)行時(shí)，并聯(lián)冗余系統(tǒng)中的UPS模塊均勻分擔(dān)負(fù)載容量。任何一臺(tái)UPS退出運(yùn)行，剩余的UPS均可以承擔(dān)所有負(fù)載。未來(lái)隨著負(fù)載的增加，可以通過(guò)增加相同容量的UPS并入系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電源系統(tǒng)的擴(kuò)容。圖2為1+1并聯(lián)冗余系統(tǒng)。并聯(lián)總線中仍存在單故障點(diǎn)，與“N”配置方案一樣，為了斷開(kāi)并聯(lián)總線以進(jìn)行定期維護(hù)，在設(shè)計(jì)該方案時(shí)也應(yīng)著重考慮維護(hù)旁路電路。

圖2 并聯(lián)冗余系統(tǒng)

優(yōu)點(diǎn)

⊙ 由于任何一臺(tái)UPS出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)有冗余容量可用，因此該方案可靠性高。

⊙ 可根據(jù)電力需求的增長(zhǎng)進(jìn)行擴(kuò)展。

缺點(diǎn)

⊙ 每臺(tái)UPS模塊必須采用相同品牌和相同容量。

⊙ UPS系統(tǒng)的輸出存在單故障點(diǎn)。

⊙ 在UPS、電池或下游設(shè)備維護(hù)期間，負(fù)載只能由市電供電。

圖3 分布式冗余系統(tǒng)

圖4 分布式冗余系統(tǒng)

⊙ 每臺(tái)UPS的負(fù)載率均低于100%，運(yùn)營(yíng)效率較低。

⊙ 系統(tǒng)需要設(shè)置外部靜態(tài)開(kāi)關(guān)。

⊙ 系統(tǒng)需要一個(gè)公共外部維修旁路。

4.分布式冗余系統(tǒng)

分布式冗余系統(tǒng)以三個(gè)或更多個(gè)UPS模塊為基礎(chǔ)，各自獨(dú)立的輸出總線通過(guò)多個(gè)PDU和STS為負(fù)載供電。

圖3和圖4為兩種不同的分布式冗余供電方案。圖3采用3臺(tái)UPS模塊，模塊3與每個(gè)STS的輔助輸入電路相連，根據(jù)另外兩個(gè)主UPS模塊的故障情況投入系統(tǒng)并向負(fù)載供電，模塊3不承載任何負(fù)載。圖4的分布式冗余設(shè)計(jì)采用3個(gè)STS，正常運(yùn)行狀態(tài)下，負(fù)載平均分配在3個(gè)UPS模塊上。如果其中任何一個(gè)模塊出現(xiàn)故障，則將負(fù)載轉(zhuǎn)換到為該STS供電的另一個(gè)UPS模塊上。雙電源負(fù)載采用兩個(gè)STS設(shè)備供電，而單電源負(fù)載只能由單個(gè)STS供電。因此，STS便成為單電源負(fù)載的單路徑故障點(diǎn)。

對(duì)于大多數(shù)負(fù)載均為單電源負(fù)載的機(jī)房來(lái)說(shuō)，分布式冗余系統(tǒng)是較好的選擇。

該方案的最大缺點(diǎn)便是采用了靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)，它可能會(huì)引起兩條輸入線路短路，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行。

優(yōu)點(diǎn)

⊙ 便于負(fù)載的同步維護(hù)。

⊙ 與2(N+1)設(shè)計(jì)相比，UPS模塊較少，成本較低。

⊙ 無(wú)需將負(fù)載轉(zhuǎn)換到旁路模式，即可對(duì)UPS模塊、開(kāi)關(guān)裝置和其他配電設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。大部分分布式冗余設(shè)計(jì)都不需要維護(hù)旁路電路。

缺點(diǎn)

⊙ 與之前幾種配置相比，由于大量采用開(kāi)關(guān)裝置，因此成本相對(duì)比較高。

⊙ 采用STS存在單故障點(diǎn)以及復(fù)雜的故障模式。

⊙ 要保證各個(gè)UPS系統(tǒng)均分負(fù)載，配置復(fù)雜。

⊙ 每臺(tái)UPS均不可能工作在滿載狀態(tài)下，UPS效率低下。

5.雙系統(tǒng)冗余

圖5 雙系統(tǒng)冗余

圖5是雙系統(tǒng)冗余方案，該方案通過(guò)兩套UPS系統(tǒng)由各自的總線向負(fù)載供電，兩條總線之間同步跟蹤。UPS系統(tǒng)可以是單機(jī)或N+1系統(tǒng)。

優(yōu)點(diǎn)

⊙ 兩條獨(dú)立的供電線路，無(wú)單故障點(diǎn)。

⊙ 該配置為從電力入口到負(fù)載的線路均提供了冗余。

⊙ 無(wú)需將負(fù)載轉(zhuǎn)換到旁路模式即可對(duì)UPS模塊、開(kāi)關(guān)裝置和其他配電設(shè)備進(jìn)行維護(hù)。

⊙ 容易使各UPS系統(tǒng)均分負(fù)載。

缺點(diǎn)

⊙ 冗余組件數(shù)量多，成本高。

⊙ 每臺(tái)UPS均不可能工作在滿載狀態(tài)下，UPS效率低下。

三、機(jī)房分級(jí)和UPS供電建議

1.機(jī)場(chǎng)信息弱電機(jī)房分級(jí)

電子信息系統(tǒng)機(jī)房應(yīng)劃分為A,B,C三級(jí)，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)根據(jù)機(jī)房的使用性質(zhì)、管理要求極其在經(jīng)濟(jì)和社會(huì)中的重要性確定所屬級(jí)別。機(jī)場(chǎng)弱電機(jī)房的定位與機(jī)場(chǎng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相關(guān)。中小機(jī)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)通常為兩層結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的機(jī)房為接入層機(jī)房和核心機(jī)房，大型機(jī)場(chǎng)網(wǎng)絡(luò)通常為三層結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)的機(jī)房為接入層機(jī)房、匯聚層機(jī)房和核心機(jī)房，核心機(jī)房一般兼作數(shù)據(jù)機(jī)房。實(shí)際工程中將核心機(jī)房、匯聚層機(jī)房和接入層機(jī)房分別定為A,B,C級(jí)。

從機(jī)場(chǎng)弱電機(jī)房的負(fù)載性質(zhì)來(lái)看，接入層機(jī)房?jī)?nèi)通常為單電源設(shè)備，如接入層交換機(jī)、編碼器、光端機(jī)、放大器等，匯聚層機(jī)房除匯聚層交換機(jī)外，也多為單電源設(shè)備，核心機(jī)房同時(shí)兼作數(shù)據(jù)機(jī)房，機(jī)房?jī)?nèi)設(shè)備核心交換機(jī)、匯聚交換機(jī)、服務(wù)器、小型機(jī)、磁盤陣列等均為雙電源設(shè)備。

2.機(jī)房UPS供電建議方案

（1）接入層機(jī)房可考慮在每個(gè)接入層機(jī)房設(shè)置一臺(tái)UPS單機(jī)供電，這種方式由于UPS設(shè)在負(fù)荷中心，可有效減小零地電壓，但UPS數(shù)量會(huì)很多，增加后期運(yùn)行維護(hù)工作量；也可以考慮相對(duì)集中供電，每4～5個(gè)接入層機(jī)房設(shè)置一臺(tái)UPS集中供電，由于接入層設(shè)備對(duì)零地電壓要求并不嚴(yán)格，這種方式工程上更有意義，可大大減少UPS設(shè)備數(shù)量，提高UPS負(fù)載率，同時(shí)，在項(xiàng)目投資充裕的情況下，可采用1+1并聯(lián)系統(tǒng)對(duì)接入層機(jī)房供電，進(jìn)一步提高供電可靠性。

（2）每個(gè)匯聚層機(jī)房通常承擔(dān)1/4-1/3航站樓的業(yè)務(wù)，其供電可靠性對(duì)機(jī)場(chǎng)的運(yùn)行有重大影響，作為B級(jí)機(jī)房，一般考慮1+1并聯(lián)系統(tǒng)供電。

（3）核心機(jī)房是機(jī)場(chǎng)最重要的機(jī)房，其供電可靠性直接影響到所有信息弱電系統(tǒng)的運(yùn)行。核心機(jī)房供電方式建議采用雙系統(tǒng)冗余，從UPS電源到分配總線和電纜均實(shí)現(xiàn)冗余，滿足核心機(jī)房?jī)?nèi)重要雙電源負(fù)載兩路獨(dú)立UPS電源的需求。出于減小投資考慮，每條總線對(duì)應(yīng)的UPS系統(tǒng)建議采用UPS單機(jī)，而不采用N+1并聯(lián)系統(tǒng)，這樣在保證可靠性的同時(shí)可大大提高UPS利用率并將投資降低40%左右。同時(shí)，考慮到靜態(tài)切換開(kāi)關(guān)STS的復(fù)雜性，為避免STS故障導(dǎo)致整個(gè)UPS供電系統(tǒng)受影響，建議核心機(jī)房UPS供電系統(tǒng)不采用靜態(tài)切換開(kāi)關(guān)STS，即便對(duì)于單電源設(shè)備，也只是采用單總線供電。單電源設(shè)備機(jī)柜設(shè)置兩臺(tái)PDU分別由兩條總線供電，電源故障情況下，人工進(jìn)行切換。實(shí)際上，核心機(jī)房?jī)?nèi)的單電源設(shè)備本身也是諸如有線電視等次要系統(tǒng)的設(shè)備，短時(shí)停電切換對(duì)航站樓的生產(chǎn)營(yíng)運(yùn)并無(wú)太大影響，以犧牲部分單電源設(shè)備供電可靠性來(lái)保障整個(gè)核心機(jī)房UPS供電系統(tǒng)的高可靠性是值得和必要的。

四、結(jié)束語(yǔ)

UPS供電系統(tǒng)是機(jī)場(chǎng)信息弱電機(jī)房的基礎(chǔ)條件，應(yīng)該在充分了解機(jī)場(chǎng)對(duì)各信息弱電系統(tǒng)的可靠性要求、風(fēng)險(xiǎn)承受能力以及投資預(yù)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同機(jī)房的重要等級(jí)，選擇對(duì)應(yīng)可靠等級(jí)的UPS供電方案，同時(shí)兼顧UPS供電系統(tǒng)的運(yùn)營(yíng)維護(hù)方便，讓UPS電源為所有信息弱電系統(tǒng)的可靠運(yùn)行提供技術(shù)保障。

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