中國民用航空西南地區(qū)空中交通管理局 鐘林恩

1 UPS概述

1.1 UPS分類

UPS是一種依靠蓄電池，以逆變器為核心部件為負(fù)荷設(shè)備“全天候”持續(xù)供電的電源設(shè)備，按照工作原理分為后備式、在線式和在線互動式三種。其中，在線式UPS 因其穩(wěn)定性好、電能質(zhì)量高、無縫切換的優(yōu)點(diǎn)，是目前數(shù)據(jù)中心機(jī)房后備供電的主力機(jī)型。

1.2 UPS容量設(shè)計

UPS 容量過小，將導(dǎo)致負(fù)載過重，整機(jī)使用壽命短、后備時間減少；UPS 電池容量過大，將導(dǎo)致前期資金投入增加，運(yùn)行效率較低。因此，需根據(jù)實(shí)際負(fù)荷情況，兼顧經(jīng)濟(jì)性、冗余性、擴(kuò)容性，合理選擇UPS 的容量。通常，UPS 的負(fù)荷容量可表示為：

式中：∑Pi為負(fù)荷有功功率之和；cosφ為功率因數(shù)。

UPS容量計算值為:

式中：ηUPS為UPS 的轉(zhuǎn)換效率；k∈(0.5,1)為冗余系數(shù)。

在得到UUPS后，通過查閱產(chǎn)品目錄即可確定所選UPS的標(biāo)稱容量NUPS。UPS容量由電池容量確定，工程中常采用免維護(hù)鉛酸蓄電池，其具有無須加酸加水維護(hù)、穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。電池放電容量為:

式中：有功功率PUPS=NUPScosφ；h為后備時間；電池組電壓V=ln，市場上主流電池單體電壓l= 12V；n為每組電池個數(shù)；η逆變?yōu)槟孀兤餍省?/p>

因此，電池容量計算值為:

式中：η電池為電池放電效率。

在得到U電池后，通過查閱產(chǎn)品目錄即可確定所選電池的標(biāo)稱容量N電池。

2 供配電系統(tǒng)設(shè)計

2.1 高壓接線

空管機(jī)房為I類空管負(fù)荷，設(shè)置在航管小區(qū)、區(qū)域管制中心、終端管制中心和塔臺等地點(diǎn)，屬于一級供電保障單位。根據(jù)《民航空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)施設(shè)備供配電配置指導(dǎo)材料》要求，一級供電保障單位需要通過兩個不同源的10kV 獨(dú)立變電站分別引入一路高壓供電專線，且每路供電容量均滿足所有負(fù)荷需求，并留有冗余。兩路高壓采用穩(wěn)定可靠、靈活檢修、方便操作的單母線分段形式。在正常運(yùn)行時，每路高壓各帶部分負(fù)荷。當(dāng)發(fā)生單路掉電時，可自動分閘失電高壓段進(jìn)線開關(guān)，合閘母聯(lián)開關(guān)，雙回路互為備用，每一回路均能承擔(dān)全部負(fù)荷。

2.2 低壓接線

一級供電保障單位低壓供電線路同樣采用成熟的雙母線分段結(jié)構(gòu)，每段母線容量均能帶后端所有負(fù)載，并留有冗余。在正常運(yùn)行時，每路低壓各帶部分負(fù)荷；當(dāng)發(fā)生單路掉電時，失電低壓段進(jìn)線開關(guān)自動分閘，母聯(lián)開關(guān)自動合閘，雙回路互為備用，每一回路均能夠承擔(dān)全部負(fù)荷。

2.3 負(fù)荷等級

根據(jù)《民航空管通信導(dǎo)航監(jiān)視設(shè)施設(shè)備供配電配置指導(dǎo)材料》和《供配電系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》，空管負(fù)荷等級的分類如表1所示。其中，I類負(fù)荷要求持續(xù)供電，不允許停電，即需要接入UPS。

表1 空管負(fù)荷等級分類

2.4 工藝配電系統(tǒng)

空管機(jī)房從高壓側(cè)到低壓側(cè)、UPS 端、STS端、母線端，最后到末端負(fù)荷的完整供配電系統(tǒng)設(shè)計圖如圖1所示。工藝配電系統(tǒng)是連接UPS 和空管設(shè)備的電力通道，具體包括UPS 到靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（Static Transfer Switch，STS）、母線段、負(fù)載轉(zhuǎn)換開關(guān)（Load Transfer Switch，LTS）、電源分配單元（Power Distribution Unit，PDU） 和末端負(fù)荷。

圖1 空管機(jī)房UPS供配電系統(tǒng)圖

STS 在兩路交流電源中承擔(dān)檢測、切換作用。正常時，STS 將優(yōu)選源供給負(fù)載。異常時，切換至備選源供電，切換過程后端負(fù)荷供電不間斷。STS優(yōu)選源、備選源分別引自上級不同源兩組UPS，每組UPS 由兩臺單機(jī)并機(jī)輸出組成，互為備用，單機(jī)均能承擔(dān)全部負(fù)荷。STS 下級為母線段，母線段通過插接箱連接PDU，將末端負(fù)荷設(shè)備插頭接入PDU即可工作。

LTS 是一種單級自動切換裝置，可以看作小型化的STS，其上級引自插接箱，下級為負(fù)荷設(shè)備。如果優(yōu)選源發(fā)生異常，LTS 將自動切換至備選源供電，切換過程同樣供電不間斷。

空管機(jī)房末端負(fù)荷主要是雙電源空管設(shè)備和單電源空管設(shè)備。前者兩路電源分別引自兩臺STS 后端不同優(yōu)選源母線段，后者通過LTS 保障“全天候”（365×24h）供電。

2.5 UPS配置形式

UPS 配置形式主要包括主機(jī)—從機(jī)型“熱備份”“N+1”直接并機(jī)冗余和雙總線冗余供電三種，雙總線冗余供電形式可靠性最高，多應(yīng)用于負(fù)荷特別重要的場景。

UPS 配置形式對比如表2所示。

表2 UPS配置形式對比

3 維護(hù)方法

UPS 在投產(chǎn)前應(yīng)安置在環(huán)境穩(wěn)定的清潔、陰涼、干燥處，避免陽光直射，環(huán)境溫度15～25℃為宜。

3.1 日維護(hù)

日維護(hù)為一天兩次巡檢，包括UPS 面板告警檢查，負(fù)載電流、功率等運(yùn)行參數(shù)的記錄與分析，電池外觀異常檢查（如有無變形、漏液、鼓包等）。

3.2 月維護(hù)

月維護(hù)主要對UPS 面板和機(jī)體進(jìn)行檢查，內(nèi)容包括：監(jiān)控面板按鍵功能、遠(yuǎn)程通信功能、冷卻風(fēng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、連接處溫升有無異常等。

3.3 季度維護(hù)

實(shí)際運(yùn)行中，由于供電安全的多重冗余設(shè)計，發(fā)生市電掉電，UPS 通過電池供電的情況極少，這將導(dǎo)致電池容量衰減，后備時間減少。因此，實(shí)際運(yùn)維中建議每季度手動斷開UPS 市電輸入開關(guān)，進(jìn)行30%電池容量放電性能測試以激活其充放電能力，并對電池內(nèi)阻進(jìn)行記錄分析，適時對不合格電池進(jìn)行更換。建議電池更換標(biāo)準(zhǔn)為：單個電池內(nèi)阻增長超過初始內(nèi)阻1.5 倍；單個電池較整組內(nèi)阻偏差大于30%；單個電池容量不足額定值80%。

3.4 年維護(hù)

年維護(hù)需要將UPS 切換至維修旁路，進(jìn)行停機(jī)維護(hù)，檢查機(jī)器內(nèi)部電路與元器件，包括：電容有無漏液、膨脹現(xiàn)象，電纜接頭有無磨損、松動、過熱問題，內(nèi)部電路完整性，機(jī)器全面清灰除塵等情況。此外，對投運(yùn)三年以上的UPS，建議進(jìn)行年度核對性放電測試（放電至電池截止電壓附近），以評估其電池性能，保障運(yùn)行安全。

4 結(jié)語

UPS 在電網(wǎng)掉電時快速切換至蓄電池供電，由于其電能質(zhì)量高、諧波小、不間斷供應(yīng)的特點(diǎn)，在供電高等級保障的場所應(yīng)用廣泛。本文討論UPS 和電池容量確定的方法，論述UPS 在空管機(jī)房從高壓側(cè)到末端負(fù)荷側(cè)的完整設(shè)計思路與方案。并結(jié)合工程實(shí)踐，總結(jié)UPS 運(yùn)維的經(jīng)驗(yàn)，以期為同業(yè)工程師在數(shù)據(jù)中心機(jī)房設(shè)計中提供一定的思路和參考。但是實(shí)際中的任何設(shè)計方案都不具有通用性，僅適用于其特定的工程環(huán)境。工程師應(yīng)基于項(xiàng)目現(xiàn)狀，綜合經(jīng)濟(jì)性、可靠性、冗余性，因地制宜設(shè)計理想的UPS供電方案。