空管機房UPS供配電系統設計

中國民用航空西南地區空中交通管理局 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荷設備“全天候”持續供電的電源設備，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 因其穩定性好、電能質量高、無縫切換的優點，是目前數據中心機房后備供電的主力機型。

1.2 UPS容量設計

UPS 容量過小，將導致負載過重，整機使用壽命短、后備時間減少；UPS 電池容量過大，將導致前期資金投入增加，運行效率較低。因此，需根據實際負荷情況，兼顧經濟性、冗余性、擴容性，合理選擇UPS 的容量。通常，UPS 的負荷容量可表示為：

式中：∑Pi為負荷有功功率之和；cosφ為功率因數。

UPS容量計算值為:

式中：ηUPS為UPS 的轉換效率；k∈(0.5,1)為冗余系數。

在得到UUPS后，通過查閱產品目錄即可確定所選UPS的標稱容量NUPS。UPS容量由電池容量確定，工程中常采用免維護鉛酸蓄電池，其具有無須加酸加水維護、穩定性好的特點。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；η逆變為逆變器效率。

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，通過查閱產品目錄即可確定所選電池的標稱容量N電池。

2 供配電系統設計

2.1 高壓接線

空管機房為I類空管負荷，設置在航管小區、區域管制中心、終端管制中心和塔臺等地點，屬于一級供電保障單位。根據《民航空管通信導航監視設施設備供配電配置指導材料》要求，一級供電保障單位需要通過兩個不同源的10kV 獨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荷需求，并留有冗余。兩路高壓采用穩定可靠、靈活檢修、方便操作的單母線分段形式。在正常運行時，每路高壓各帶部分負荷。當發生單路掉電時，可自動分閘失電高壓段進線開關，合閘母聯開關，雙回路互為備用，每一回路均能承擔全部負荷。

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構，每段母線容量均能帶后端所有負載，并留有冗余。在正常運行時，每路低壓各帶部分負荷；當發生單路掉電時，失電低壓段進線開關自動分閘，母聯開關自動合閘，雙回路互為備用，每一回路均能夠承擔全部負荷。

2.3 負荷等級

根據《民航空管通信導航監視設施設備供配電配置指導材料》和《供配電系統設計規范》，空管負荷等級的分類如表1所示。其中，I類負荷要求持續供電，不允許停電，即需要接入UPS。

表1 空管負荷等級分類

2.4 工藝配電系統

空管機房從高壓側到低壓側、UPS 端、STS端、母線端，最后到末端負荷的完整供配電系統設計圖如圖1所示。工藝配電系統是連接UPS 和空管設備的電力通道，具體包括UPS 到靜態轉換開關（Static Transfer Switch，STS）、母線段、負載轉換開關（Load Transfer Switch，LTS）、電源分配單元（Power Distribution Unit，PDU） 和末端負荷。

圖1 空管機房UPS供配電系統圖

STS 在兩路交流電源中承擔檢測、切換作用。正常時，STS 將優選源供給負載。異常時，切換至備選源供電，切換過程后端負荷供電不間斷。STS優選源、備選源分別引自上級不同源兩組UPS，每組UPS 由兩臺單機并機輸出組成，互為備用，單機均能承擔全部負荷。STS 下級為母線段，母線段通過插接箱連接PDU，將末端負荷設備插頭接入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，下級為負荷設備。如果優選源發生異常，LTS 將自動切換至備選源供電，切換過程同樣供電不間斷。

空管機房末端負荷主要是雙電源空管設備和單電源空管設備。前者兩路電源分別引自兩臺STS 后端不同優選源母線段，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—從機型“熱備份”“N+1”直接并機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，多應用于負荷特別重要的場景。

UPS 配置形式對比如表2所示。

表2 UPS配置形式對比

3 維護方法

UPS 在投產前應安置在環境穩定的清潔、陰涼、干燥處，避免陽光直射，環境溫度15～25℃為宜。

3.1 日維護

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

3.2 月維護

月維護主要對UPS 面板和機體進行檢查，內容包括：監控面板按鍵功能、遠程通信功能、冷卻風機運轉、連接處溫升有無異常等。

3.3 季度維護

實際運行中，由于供電安全的多重冗余設計，發生市電掉電，UPS 通過電池供電的情況極少，這將導致電池容量衰減，后備時間減少。因此，實際運維中建議每季度手動斷開UPS 市電輸入開關，進行30%電池容量放電性能測試以激活其充放電能力，并對電池內阻進行記錄分析，適時對不合格電池進行更換。建議電池更換標準為：單個電池內阻增長超過初始內阻1.5 倍；單個電池較整組內阻偏差大于30%；單個電池容量不足額定值80%。

3.4 年維護

年維護需要將UPS 切換至維修旁路，進行停機維護，檢查機器內部電路與元器件，包括：電容有無漏液、膨脹現象，電纜接頭有無磨損、松動、過熱問題，內部電路完整性，機器全面清灰除塵等情況。此外，對投運三年以上的UPS，建議進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，保障運行安全。

4 結語

UPS 在電網掉電時快速切換至蓄電池供電，由于其電能質量高、諧波小、不間斷供應的特點，在供電高等級保障的場所應用廣泛。本文討論UPS 和電池容量確定的方法，論述UPS 在空管機房從高壓側到末端負荷側的完整設計思路與方案。并結合工程實踐，總結UPS 運維的經驗，以期為同業工程師在數據中心機房設計中提供一定的思路和參考。但是實際中的任何設計方案都不具有通用性，僅適用于其特定的工程環境。工程師應基于項目現狀，綜合經濟性、可靠性、冗余性，因地制宜設計理想的UPS供電方案。