空管机房UPS供配电系统设计

中国民用航空西南地区空中交通管理局 钟林恩

1 UPS概述

1.1 UPS分类

UPS是一种依靠蓄电池，以逆变器为核心部件为负荷设备“全天候”持续供电的电源设备，按照工作原理分为后备式、在线式和在线互动式三种。其中，在线式UPS 因其稳定性好、电能质量高、无缝切换的优点，是目前数据中心机房后备供电的主力机型。

1.2 UPS容量设计

UPS 容量过小，将导致负载过重，整机使用寿命短、后备时间减少；UPS 电池容量过大，将导致前期资金投入增加，运行效率较低。因此，需根据实际负荷情况，兼顾经济性、冗余性、扩容性，合理选择UPS 的容量。通常，UPS 的负荷容量可表示为：

式中：∑Pi为负荷有功功率之和；cosφ为功率因数。

UPS容量计算值为:

式中：ηUPS为UPS 的转换效率；k∈(0.5,1)为冗余系数。

在得到UUPS后，通过查阅产品目录即可确定所选UPS的标称容量NUPS。UPS容量由电池容量确定，工程中常采用免维护铅酸蓄电池，其具有无须加酸加水维护、稳定性好的特点。电池放电容量为:

式中：有功功率PUPS=NUPScosφ；h为后备时间；电池组电压V=ln，市场上主流电池单体电压l= 12V；n为每组电池个数；η逆变为逆变器效率。

因此，电池容量计算值为:

式中：η电池为电池放电效率。

在得到U电池后，通过查阅产品目录即可确定所选电池的标称容量N电池。

2 供配电系统设计

2.1 高压接线

空管机房为I类空管负荷，设置在航管小区、区域管制中心、终端管制中心和塔台等地点，属于一级供电保障单位。根据《民航空管通信导航监视设施设备供配电配置指导材料》要求，一级供电保障单位需要通过两个不同源的10kV 独立变电站分别引入一路高压供电专线，且每路供电容量均满足所有负荷需求，并留有冗余。两路高压采用稳定可靠、灵活检修、方便操作的单母线分段形式。在正常运行时，每路高压各带部分负荷。当发生单路掉电时，可自动分闸失电高压段进线开关，合闸母联开关，双回路互为备用，每一回路均能承担全部负荷。

2.2 低压接线

一级供电保障单位低压供电线路同样采用成熟的双母线分段结构，每段母线容量均能带后端所有负载，并留有冗余。在正常运行时，每路低压各带部分负荷；当发生单路掉电时，失电低压段进线开关自动分闸，母联开关自动合闸，双回路互为备用，每一回路均能够承担全部负荷。

2.3 负荷等级

根据《民航空管通信导航监视设施设备供配电配置指导材料》和《供配电系统设计规范》，空管负荷等级的分类如表1所示。其中，I类负荷要求持续供电，不允许停电，即需要接入UPS。

表1 空管负荷等级分类

2.4 工艺配电系统

空管机房从高压侧到低压侧、UPS 端、STS端、母线端，最后到末端负荷的完整供配电系统设计图如图1所示。工艺配电系统是连接UPS 和空管设备的电力通道，具体包括UPS 到静态转换开关（Static Transfer Switch，STS）、母线段、负载转换开关（Load Transfer Switch，LTS）、电源分配单元（Power Distribution Unit，PDU） 和末端负荷。

图1 空管机房UPS供配电系统图

STS 在两路交流电源中承担检测、切换作用。正常时，STS 将优选源供给负载。异常时，切换至备选源供电，切换过程后端负荷供电不间断。STS优选源、备选源分别引自上级不同源两组UPS，每组UPS 由两台单机并机输出组成，互为备用，单机均能承担全部负荷。STS 下级为母线段，母线段通过插接箱连接PDU，将末端负荷设备插头接入PDU即可工作。

LTS 是一种单级自动切换装置，可以看作小型化的STS，其上级引自插接箱，下级为负荷设备。如果优选源发生异常，LTS 将自动切换至备选源供电，切换过程同样供电不间断。

空管机房末端负荷主要是双电源空管设备和单电源空管设备。前者两路电源分别引自两台STS 后端不同优选源母线段，后者通过LTS 保障“全天候”（365×24h）供电。

2.5 UPS配置形式

UPS 配置形式主要包括主机—从机型“热备份”“N+1”直接并机冗余和双总线冗余供电三种，双总线冗余供电形式可靠性最高，多应用于负荷特别重要的场景。

UPS 配置形式对比如表2所示。

表2 UPS配置形式对比

3 维护方法

UPS 在投产前应安置在环境稳定的清洁、阴凉、干燥处，避免阳光直射，环境温度15～25℃为宜。

3.1 日维护

日维护为一天两次巡检，包括UPS 面板告警检查，负载电流、功率等运行参数的记录与分析，电池外观异常检查（如有无变形、漏液、鼓包等）。

3.2 月维护

月维护主要对UPS 面板和机体进行检查，内容包括：监控面板按键功能、远程通信功能、冷却风机运转、连接处温升有无异常等。

3.3 季度维护

实际运行中，由于供电安全的多重冗余设计，发生市电掉电，UPS 通过电池供电的情况极少，这将导致电池容量衰减，后备时间减少。因此，实际运维中建议每季度手动断开UPS 市电输入开关，进行30%电池容量放电性能测试以激活其充放电能力，并对电池内阻进行记录分析，适时对不合格电池进行更换。建议电池更换标准为：单个电池内阻增长超过初始内阻1.5 倍；单个电池较整组内阻偏差大于30%；单个电池容量不足额定值80%。

3.4 年维护

年维护需要将UPS 切换至维修旁路，进行停机维护，检查机器内部电路与元器件，包括：电容有无漏液、膨胀现象，电缆接头有无磨损、松动、过热问题，内部电路完整性，机器全面清灰除尘等情况。此外，对投运三年以上的UPS，建议进行年度核对性放电测试（放电至电池截止电压附近），以评估其电池性能，保障运行安全。

4 结语

UPS 在电网掉电时快速切换至蓄电池供电，由于其电能质量高、谐波小、不间断供应的特点，在供电高等级保障的场所应用广泛。本文讨论UPS 和电池容量确定的方法，论述UPS 在空管机房从高压侧到末端负荷侧的完整设计思路与方案。并结合工程实践，总结UPS 运维的经验，以期为同业工程师在数据中心机房设计中提供一定的思路和参考。但是实际中的任何设计方案都不具有通用性，仅适用于其特定的工程环境。工程师应基于项目现状，综合经济性、可靠性、冗余性，因地制宜设计理想的UPS供电方案。