机场计算机机房UPS供电方案的选择

中国民用航空局第二研究所 程 靖

成都航空职业技术学院 杨 芳

一、引言

随着机场规模的扩大，信息弱电系统在机场的安全生产运营中起到越来越重要的作用，而UPS电源系统又是信息弱电系统的基础保障条件，为信息弱电系统提供不间断的、低谐波的、电压频率稳定的电源。根据不同等级的负载合理选择UPS供电方案，对于提高机场信息系统运行的可靠性有现实意义。

二、UPS供电系统分析

1.单机供电

即采用单台UPS对负载供电。

优点

⊙ 硬件配置成本较低。

⊙ 由于UPS可工作于满负荷条件下，效率最高。

⊙ 根据后期负荷增长的需求，可进行增加适当容量的单台UPS或重新构建N+1 UPS并联系统以满足要求。

缺点

⊙ 可靠性较低，若UPS整流、逆变模块出现故障，负载将切换到旁路，由市电供电。

⊙ 存在多个单故障点，系统的可靠性由其最薄弱的环节决定。

2.串联冗余

串联冗余系统没有并联总线，也不要求UPS具有相同的容量，正常情况下由主UPS模块为负载供电。同时，一台“串联”UPS为主UPS模块的静态旁路供电，该配置要求主UPS模块的静态旁路具有单独的输入电路。图1为串联冗余UPS系统。

图1 串联冗余系统

在正常运行条件下，主UPS承担全部负载的供电，串联UPS不承担任何负载。一旦主UPS负载转换到静态旁路上，串联UPS将接受全部负载。这种供电方式输出线路存在单故障点，系统仍然会设置维护旁路，整个系统需要定期停机进行预防性的维护。

优点

⊙ 系统搭建灵活，可以选用不同型号和品牌的UPS。

⊙ 具备UPS容错功能。

缺点

⊙ 主UPS转换到旁路时，辅助UPS必须能够处理突然的负载变化（空载-满载）。

⊙ 正常情况下辅助UPS工作在空载状态下，建设成本和运营成本较高。

⊙ 每台UPS均需要采用静态转换开关来启用冗余模块或市电。

⊙ 存在单故障点。

3.并联冗余系统

在并联冗余配置方案中，当单台UPS出现故障时，负载自动由剩余的N台UPS分担。多台并联的容量相同的UPS共用一条输出总线。

并联冗余系统要求采用同一制造商生产的相同容量的UPS模块，由UPS制造商提供并联控制电路，以产生同步的输出电压。在正常运行时，并联冗余系统中的UPS模块均匀分担负载容量。任何一台UPS退出运行，剩余的UPS均可以承担所有负载。未来随着负载的增加，可以通过增加相同容量的UPS并入系统，实现电源系统的扩容。图2为1+1并联冗余系统。并联总线中仍存在单故障点，与“N”配置方案一样，为了断开并联总线以进行定期维护，在设计该方案时也应着重考虑维护旁路电路。

图2 并联冗余系统

优点

⊙ 由于任何一台UPS出现故障时系统有冗余容量可用，因此该方案可靠性高。

⊙ 可根据电力需求的增长进行扩展。

缺点

⊙ 每台UPS模块必须采用相同品牌和相同容量。

⊙ UPS系统的输出存在单故障点。

⊙ 在UPS、电池或下游设备维护期间，负载只能由市电供电。

图3 分布式冗余系统

图4 分布式冗余系统

⊙ 每台UPS的负载率均低于100%，运营效率较低。

⊙ 系统需要设置外部静态开关。

⊙ 系统需要一个公共外部维修旁路。

4.分布式冗余系统

分布式冗余系统以三个或更多个UPS模块为基础，各自独立的输出总线通过多个PDU和STS为负载供电。

图3和图4为两种不同的分布式冗余供电方案。图3采用3台UPS模块，模块3与每个STS的辅助输入电路相连，根据另外两个主UPS模块的故障情况投入系统并向负载供电，模块3不承载任何负载。图4的分布式冗余设计采用3个STS，正常运行状态下，负载平均分配在3个UPS模块上。如果其中任何一个模块出现故障，则将负载转换到为该STS供电的另一个UPS模块上。双电源负载采用两个STS设备供电，而单电源负载只能由单个STS供电。因此，STS便成为单电源负载的单路径故障点。

对于大多数负载均为单电源负载的机房来说，分布式冗余系统是较好的选择。

该方案的最大缺点便是采用了静态转换开关，它可能会引起两条输入线路短路，进而影响整个系统的运行。

优点

⊙ 便于负载的同步维护。

⊙ 与2(N+1)设计相比，UPS模块较少，成本较低。

⊙ 无需将负载转换到旁路模式，即可对UPS模块、开关装置和其他配电设备进行维护。大部分分布式冗余设计都不需要维护旁路电路。

缺点

⊙ 与之前几种配置相比，由于大量采用开关装置，因此成本相对比较高。

⊙ 采用STS存在单故障点以及复杂的故障模式。

⊙ 要保证各个UPS系统均分负载，配置复杂。

⊙ 每台UPS均不可能工作在满载状态下，UPS效率低下。

5.双系统冗余

图5 双系统冗余

图5是双系统冗余方案，该方案通过两套UPS系统由各自的总线向负载供电，两条总线之间同步跟踪。UPS系统可以是单机或N+1系统。

优点

⊙ 两条独立的供电线路，无单故障点。

⊙ 该配置为从电力入口到负载的线路均提供了冗余。

⊙ 无需将负载转换到旁路模式即可对UPS模块、开关装置和其他配电设备进行维护。

⊙ 容易使各UPS系统均分负载。

缺点

⊙ 冗余组件数量多，成本高。

⊙ 每台UPS均不可能工作在满载状态下，UPS效率低下。

三、机房分级和UPS供电建议

1.机场信息弱电机房分级

电子信息系统机房应划分为A,B,C三级，设计时应根据机房的使用性质、管理要求极其在经济和社会中的重要性确定所属级别。机场弱电机房的定位与机场的网络结构相关。中小机场网络通常为两层结构，对应的机房为接入层机房和核心机房，大型机场网络通常为三层结构，对应的机房为接入层机房、汇聚层机房和核心机房，核心机房一般兼作数据机房。实际工程中将核心机房、汇聚层机房和接入层机房分别定为A,B,C级。

从机场弱电机房的负载性质来看，接入层机房内通常为单电源设备，如接入层交换机、编码器、光端机、放大器等，汇聚层机房除汇聚层交换机外，也多为单电源设备，核心机房同时兼作数据机房，机房内设备核心交换机、汇聚交换机、服务器、小型机、磁盘阵列等均为双电源设备。

2.机房UPS供电建议方案

（1）接入层机房可考虑在每个接入层机房设置一台UPS单机供电，这种方式由于UPS设在负荷中心，可有效减小零地电压，但UPS数量会很多，增加后期运行维护工作量；也可以考虑相对集中供电，每4～5个接入层机房设置一台UPS集中供电，由于接入层设备对零地电压要求并不严格，这种方式工程上更有意义，可大大减少UPS设备数量，提高UPS负载率，同时，在项目投资充裕的情况下，可采用1+1并联系统对接入层机房供电，进一步提高供电可靠性。

（2）每个汇聚层机房通常承担1/4-1/3航站楼的业务，其供电可靠性对机场的运行有重大影响，作为B级机房，一般考虑1+1并联系统供电。

（3）核心机房是机场最重要的机房，其供电可靠性直接影响到所有信息弱电系统的运行。核心机房供电方式建议采用双系统冗余，从UPS电源到分配总线和电缆均实现冗余，满足核心机房内重要双电源负载两路独立UPS电源的需求。出于减小投资考虑，每条总线对应的UPS系统建议采用UPS单机，而不采用N+1并联系统，这样在保证可靠性的同时可大大提高UPS利用率并将投资降低40%左右。同时，考虑到静态切换开关STS的复杂性，为避免STS故障导致整个UPS供电系统受影响，建议核心机房UPS供电系统不采用静态切换开关STS，即便对于单电源设备，也只是采用单总线供电。单电源设备机柜设置两台PDU分别由两条总线供电，电源故障情况下，人工进行切换。实际上，核心机房内的单电源设备本身也是诸如有线电视等次要系统的设备，短时停电切换对航站楼的生产营运并无太大影响，以牺牲部分单电源设备供电可靠性来保障整个核心机房UPS供电系统的高可靠性是值得和必要的。

四、结束语

UPS供电系统是机场信息弱电机房的基础条件，应该在充分了解机场对各信息弱电系统的可靠性要求、风险承受能力以及投资预算的基础上，根据不同机房的重要等级，选择对应可靠等级的UPS供电方案，同时兼顾UPS供电系统的运营维护方便，让UPS电源为所有信息弱电系统的可靠运行提供技术保障。

见www.dcw.org.cn