機場計算機機房UPS供電方案的選擇

中國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

隨著機場規(guī)模的擴大，信息弱電系統(tǒng)在機場的安全生產(chǎn)運營中起到越來越重要的作用，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)不同等級的負載合理選擇UPS供電方案，對于提高機場信息系統(tǒng)運行的可靠性有現(xiàn)實意義。

二、UPS供電系統(tǒng)分析

1.單機供電

即采用單臺UPS對負載供電。

優(yōu)點

⊙ 硬件配置成本較低。

⊙ 由于UPS可工作于滿負荷條件下，效率最高。

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

缺點

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

⊙ 存在多個單故障點，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模塊為負載供電。同時，一臺“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)

在正常運行條件下，主UPS承擔全部負載的供電，串聯(lián)UPS不承擔任何負載。一旦主UPS負載轉(zhuǎn)換到靜態(tài)旁路上，串聯(lián)UPS將接受全部負載。這種供電方式輸出線路存在單故障點，系統(tǒng)仍然會設(shè)置維護旁路，整個系統(tǒng)需要定期停機進行預(yù)防性的維護。

優(yōu)點

⊙ 系統(tǒng)搭建靈活，可以選用不同型號和品牌的UPS。

⊙ 具備UPS容錯功能。

缺點

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

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

⊙ 每臺UPS均需要采用靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)來啟用冗余模塊或市電。

⊙ 存在單故障點。

3.并聯(lián)冗余系統(tǒng)

在并聯(lián)冗余配置方案中，當單臺UPS出現(xiàn)故障時，負載自動由剩余的N臺UPS分擔。多臺并聯(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。在正常運行時，并聯(lián)冗余系統(tǒng)中的UPS模塊均勻分擔負載容量。任何一臺UPS退出運行，剩余的UPS均可以承擔所有負載。未來隨著負載的增加，可以通過增加相同容量的UPS并入系統(tǒng)，實現(xiàn)電源系統(tǒng)的擴容。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，與“N”配置方案一樣，為了斷開并聯(lián)總線以進行定期維護，在設(shè)計該方案時也應(yīng)著重考慮維護旁路電路。

圖2 并聯(lián)冗余系統(tǒng)

優(yōu)點

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

⊙ 可根據(jù)電力需求的增長進行擴展。

缺點

⊙ 每臺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。

⊙ 在UPS、電池或下游設(shè)備維護期間，負載只能由市電供電。

圖3 分布式冗余系統(tǒng)

圖4 分布式冗余系統(tǒng)

⊙ 每臺UPS的負載率均低于100%，運營效率較低。

⊙ 系統(tǒng)需要設(shè)置外部靜態(tài)開關(guān)。

⊙ 系統(tǒng)需要一個公共外部維修旁路。

4.分布式冗余系統(tǒng)

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

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

對于大多數(shù)負載均為單電源負載的機房來說，分布式冗余系統(tǒng)是較好的選擇。

該方案的最大缺點便是采用了靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)，它可能會引起兩條輸入線路短路，進而影響整個系統(tǒng)的運行。

優(yōu)點

⊙ 便于負載的同步維護。

⊙ 與2(N+1)設(shè)計相比，UPS模塊較少，成本較低。

⊙ 無需將負載轉(zhuǎn)換到旁路模式，即可對UPS模塊、開關(guān)裝置和其他配電設(shè)備進行維護。大部分分布式冗余設(shè)計都不需要維護旁路電路。

缺點

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

⊙ 采用STS存在單故障點以及復(fù)雜的故障模式。

⊙ 要保證各個UPS系統(tǒng)均分負載，配置復(fù)雜。

⊙ 每臺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，該方案通過兩套UPS系統(tǒng)由各自的總線向負載供電，兩條總線之間同步跟蹤。UPS系統(tǒng)可以是單機或N+1系統(tǒng)。

優(yōu)點

⊙ 兩條獨立的供電線路，無單故障點。

⊙ 該配置為從電力入口到負載的線路均提供了冗余。

⊙ 無需將負載轉(zhuǎn)換到旁路模式即可對UPS模塊、開關(guān)裝置和其他配電設(shè)備進行維護。

⊙ 容易使各UPS系統(tǒng)均分負載。

缺點

⊙ 冗余組件數(shù)量多，成本高。

⊙ 每臺UPS均不可能工作在滿載狀態(tài)下，UPS效率低下。

三、機房分級和UPS供電建議

1.機場信息弱電機房分級

電子信息系統(tǒng)機房應(yīng)劃分為A,B,C三級，設(shè)計時應(yīng)根據(jù)機房的使用性質(zhì)、管理要求極其在經(jīng)濟和社會中的重要性確定所屬級別。機場弱電機房的定位與機場的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相關(guān)。中小機場網(wǎng)絡(luò)通常為兩層結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的機房為接入層機房和核心機房，大型機場網(wǎng)絡(luò)通常為三層結(jié)構(gòu)，對應(yīng)的機房為接入層機房、匯聚層機房和核心機房，核心機房一般兼作數(shù)據(jù)機房。實際工程中將核心機房、匯聚層機房和接入層機房分別定為A,B,C級。

從機場弱電機房的負載性質(zhì)來看，接入層機房內(nèi)通常為單電源設(shè)備，如接入層交換機、編碼器、光端機、放大器等，匯聚層機房除匯聚層交換機外，也多為單電源設(shè)備，核心機房同時兼作數(shù)據(jù)機房，機房內(nèi)設(shè)備核心交換機、匯聚交換機、服務(wù)器、小型機、磁盤陣列等均為雙電源設(shè)備。

2.機房UPS供電建議方案

（1）接入層機房可考慮在每個接入層機房設(shè)置一臺UPS單機供電，這種方式由于UPS設(shè)在負荷中心，可有效減小零地電壓，但UPS數(shù)量會很多，增加后期運行維護工作量；也可以考慮相對集中供電，每4～5個接入層機房設(shè)置一臺UPS集中供電，由于接入層設(shè)備對零地電壓要求并不嚴格，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負載率，同時，在項目投資充裕的情況下，可采用1+1并聯(lián)系統(tǒng)對接入層機房供電，進一步提高供電可靠性。

（2）每個匯聚層機房通常承擔1/4-1/3航站樓的業(yè)務(wù)，其供電可靠性對機場的運行有重大影響，作為B級機房，一般考慮1+1并聯(lián)系統(tǒng)供電。

（3）核心機房是機場最重要的機房，其供電可靠性直接影響到所有信息弱電系統(tǒng)的運行。核心機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現(xiàn)冗余，滿足核心機房內(nèi)重要雙電源負載兩路獨立UPS電源的需求。出于減小投資考慮，每條總線對應(yīng)的UPS系統(tǒng)建議采用UPS單機，而不采用N+1并聯(lián)系統(tǒng)，這樣在保證可靠性的同時可大大提高UPS利用率并將投資降低40%左右。同時，考慮到靜態(tài)切換開關(guān)STS的復(fù)雜性，為避免STS故障導(dǎo)致整個UPS供電系統(tǒng)受影響，建議核心機房UPS供電系統(tǒng)不采用靜態(tài)切換開關(guān)STS，即便對于單電源設(shè)備，也只是采用單總線供電。單電源設(shè)備機柜設(shè)置兩臺PDU分別由兩條總線供電，電源故障情況下，人工進行切換。實際上，核心機房內(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，短時停電切換對航站樓的生產(chǎn)營運并無太大影響，以犧牲部分單電源設(shè)備供電可靠性來保障整個核心機房UPS供電系統(tǒng)的高可靠性是值得和必要的。

四、結(jié)束語

UPS供電系統(tǒng)是機場信息弱電機房的基礎(chǔ)條件，應(yīng)該在充分了解機場對各信息弱電系統(tǒng)的可靠性要求、風(fēng)險承受能力以及投資預(yù)算的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同機房的重要等級，選擇對應(yīng)可靠等級的UPS供電方案，同時兼顧UPS供電系統(tǒng)的運營維護方便，讓UPS電源為所有信息弱電系統(tǒng)的可靠運行提供技術(shù)保障。

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