空管系统航管小区设备冗余供电设计.pdf

Telecom Power Technology 29 Sep.10,2023,Vol.40 No.17 2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期设计应用技术DOI：10.19399/ki.tpt.2023.17.009空管系统航管小区设备冗余供电设计李自义（民航云南空管分局，云南 昆明 650200）摘要：空管系统为全国民用航空提供空中交通服务、通信导航监视、航空气象、航行情报服务，是民航运行的枢纽。供电设备故障会严重影响空中交通安全。为确保设备的供电安全，从航管小区供配电系统设计出发，提出基于双市电双油机供电、不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）并机双路供电、分布式静态转换开关（Static Transfer Switch，STS）供电以及直流应急供电的多重冗余供电体系。在空管设备末端供电设计方面，针对设备结构和管制席位设备及功能，提出优化的冗余供电设计方案。关键词：不间断电源（UPS）；油机；自动转换开关（ATS）；静态转换开关（STS）；航管设备Redundant Power Design for Air Traffic Control Equipment in Civil AviationLI Ziyi(Yunnan ATM Sub-Bureau,Kunming 650200,China)Abstract:Air traffic control system provides air traffic services,communication and navigation monitoring,aviation meteorology and navigation information services for civil aviation throughout the country,and is the hub of civil aviation operation.The failure of power supply equipment will seriously affect air traffic safety.In order to ensure the safety of equipment power supply,this paper puts forward a multi-redundant power supply system based on the design of power supply and distribution system in air traffic control community,which is composed of dual mains and dual oil engines,Uninterruptible Power Supply(UPS),distributed Static Transfer Switch(STS)and DC emergency power supply.In the terminal power supply design of air traffic control equipment,an optimized redundant power supply design scheme is proposed according to the equipment structure and control seat equipment and functions.Keywords:Uninterruptible Power Supply(UPS);oil engine;Automatic Transfer Switch(ATS);Static Transfer Switch(STS);air traffic control equipment0 引 言近年来，空管系统的航管楼和通信导航监视台站的供电环境异常事件时有发生。空管系统对供电系统的重视程度不断加强，全系统分别开展了供电设备隐患自查和供配电专项应急实战演练，以检验供电应急手段的可靠性，确保极端情况下空管服务的连续有效性。通过分析供电异常事件相关案例，发现供电设备的单点故障是导致重大供电异常事件的主要因素。供电设备的冗余设计能克服供电设备单点故障对管制运行的影响，与后期供电设备的安全运行密切相关，是空管供电体系建设的关键环节。1 航管小区供配电设备航管小区供配电系统包括高压供电系统和低压供电系统。通常情况下，高压供电系统由高压配线、调压变压器以及其他相关元件组成。低压供电系统由低压开关柜、配电柜、柴油发电机组、自动转换开关（Automatic Transfer Switch，ATS）、不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）、静态转换开关（Static Transfer Switch，STS）以及直流供电系统等组成1。它们共同构成一个完整的电力网络，为航管小区提供稳定可靠的供电服务。1.1 高压供电系统航管小区承载着空管系统最重要的业务，重要程度较高。为确保空管核心设备机房的安全稳定运行，应按照 A 级机房的标准进行建设。市电供电需要 2路市电进线，每路市电容量均需满足航管小区所有负载的用电需求。1.2 柴油发电机组柴油发电机组是一种机电一体化设备，一般只为涉及的生产设备供电1。在 2 路市电中断时，柴油发电机组通过市电检测装置自动启动，提供应急供电，切换时间一般不大于 15 s。1.3 ATSATS 可以实现 2 路交流输入电源的自动切换。当在用的一路输入电源中断时，ATS 会自动切换至另一路输入电源，切换时间一般大于 100 ms，切换过程中可能会造成负载断电。1.4 UPSUPS 是航管小区供电的核心设备。航管小区 UPS收稿日期：2023-07-19作者简介：李自义（1983），男，山东微山人，硕士研究生，高级工程师，主要研究方向为地空通信、航管信息系统、空管设备供配电等。2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期Sep.10,2023,Vol.40 No.17Telecom Power Technology 30 一般采用双总线设计，即 4 台 UPS 组成 2 套并机的UPS 系统实现 2 路输出，形成 A、B 路双总线供电。1.5 STSSTS 通常由智能控制板、高速可控硅以及断路器组成，是一种实现 2 路交流电源之间快速自动切换的供电设备。与 ATS 不同，STS 切换时间一般不大于 8 ms，切换过程中不会导致设备断电。1.6 直流供电系统直流供电系统一般由整流模块、监控模块、蓄电池组等部分组成。当交流电源中断时，由蓄电池为设备供电，以保证设备供电不间断2。2 航管小区冗余的供电设计航管小区是空管系统的重要部分，主要包括中心机房和管制大厅。航管设备主要位于中心机房，管制大厅主要包含显示设备和终端设备。为确保供电的可靠性，针对每条线路和每个设备可能出现的故障情况，航管小区供电系统采用多重冗余设计。2.1 双市电双油机供电在电源输入方面，航管小区供电采用双市电加双油机的双冗余供电模式。航管小区引接了 2 路 10 kV 高压市电。这 2 路 10 kV 高压市电之间由高压母联柜相连。2路高压市电通过变压器后转换成380 V 低压市电后，分别为 2 套并机的 UPS 供电。航管小区配置 2 台 1 000 kVA 柴油发电机组，其输出连接油机母线，为 2 台并机 UPS 供电。当一路市电（以高压回路为例）中断时，断开高压回路高压输入开关，闭合高压母联开关，用高压回路市电为高压回路母线供电，确保 2 路市电母线供电正常。当 2 路高压市电中断时，油机启动检测装置检测到 2 路高压市电中断后启动主用柴油发电机，并在电源输出稳定后通过 ATS 切换至油机，为 UPS 和消防空调设备供电。2.2 UPS 并机双路供电交流 UPS 是航管小区的核心供电设备。航管小区共配置 4 台 160 kVA 的 UPS，采用 UPS 并机的双路输出模式。UPS A-1 和 UPS A-2 并机使用，输出至UPS A 母线。UPSB-1 和 UPSB-2 并机使用，输出至UPS B 母线。UPS A 母线和 UPS B 母线为航管小区中心机房和管制大厅供电。当一套 UPS 并机系统（以 UPS A-1 和 UPS A-2为例）中 2 台 UPS 均故障时，UPS A 母线输入中断，单独接到 UPS A 母线的设备会断电，而引接 STS 电源和单独引接 UPS B 母线的设备不受影响。如果严格按照单电源设备引接 STS 供电、双电源设备引接 UPS A 母线和 UPS B 母线供电的原则进行供电，此种情况也不会对航管设备造成影响。2.3 分布式 STS 供电在末端设备供电方面，航管小区采用分布式 STS供电方式。中心机房每个机柜均配置 1 台 STS，在管制大厅每个席位配置 2 台 STS。末端设备按照单电源设备引接 STS 供电，双电源设备引接双路 UPS 母线供电。当一路UPS母线中断时，末端设备不会造成断电。分布式 STS 供电设计使供电风险分散，安全性比集中式 STS 更高。单个 STS 设备故障只会影响单个机柜、单个席位单电源设备的供电，影响范围小。2.4 直流应急供电在双 UPS 母线均不能正常供电的极端情况下，为保障空管最基本的管制语音指挥服务不中断，航管小区甚高频地空通信信号全链条设备均需配置直流 电源3。3 航管末端设备供电设计3.1 供电设计原则航管末端设备供电设计可确保单路 UPS 母线中断或单个 STS 故障时，设备的功能不受影响，单个管制席位的空中交通服务不中断。根据设备原理结构和管制方式，合理设计各设备的位置布局和供电引接，最大限度提升供电的可靠性4。航管末端设备供电的原则包括2个方面。一方面，双电源设备应分别接入 A、B 路 UPS 电源，单电源设备接入 STS 电源，确保单路 UPS 电源中断时对系统运行不产生影响；另一方面，系统相同功能的服务器和冗余的网络核心交换机放置在不同的机柜，确保单机柜电源全部故障对系统功能无影响。3.2 航管小区中心机房的航管设备供电设计以空中交通管制自动化系统为例，系统服务器均采用冗余结构，系统网络采用A、B、C三网结构5。系统主要包含智能数据分配器（Line Distribution Ware，LDW）、雷达数据前置处理机（Radar Data Front Processor，RFP）、雷 达 数 据 处 理 机（Radar Data Processor，RDP）、直通雷达数据处理机（Direct Access Radar Data Processor，DARD）、数据通信处理机（Data Communication Processor，DCP）、飞行数据处理机（Flight Data Processor，FDP）、飞行数据记录仪（Flight Data Recorder，FDR）、监视数据显示器（Surveillance Data Display，SDD）、飞行数据显示器（Flight Data Display，FDD）以及核心交换机。设备布局与供电情况如表 1 所示。2023 年 9 月 10 日第 40 卷第 17 期 31 Telecom Power TechnologySep.10,2023,Vol.40 No.17 李自义：空管系统航管小区设备 冗余供电设计空管自动化设备多为双电源设备，分别引接 A、B 双路 UPS 母线。网络核心交换机为单电源设备，需要引接 STS 电源。这样单路 UPS 电源中断时不会对系统运行产生影响，同时单机柜电源全部故障对系统功能也无影响。3.3 管制大厅的末端设备供电管制大厅以单个管制席位作为基本供电单元，每个管制席均采用 A、B 双路 UPS 输入，并配置 2 台STS。一个管制席位包含对空指挥席和监控协调席，其中的席位设备主要分为 4 类。一是自动化主用和备用系统设备，包含 SDD、FDD、视频延长器、进程单打印机；二是主用内话和备用内话终端设备，包含 4台席位处理器和席位触摸屏；三是 VHF 应急遥控盒；四是 SIPDS 席位设备。这些设备均为单电源设备，需要引接 STS 电源。席位设备供电设计的原则是：在单路 UPS 电源中断时，对管制指挥不产生任何影响；在单台 STS 故障时，管制席位的基本功能正常，可为更换席位争取时间，确保管制服务不中断。因此，使用 STS1 设备为 SDD 显示器、SDD 延长器、主用内话对空席位处理器和触摸屏、备用内话协调席位处理器和触摸屏、进程单打印机。同时，使用 STS2 设备为 FDD 显示器、FDD 延长器、主用内话协调席位处理器和触摸屏、备用内话对空席位处理器和触摸屏、甚高频（Very High Frequency，VHF）应急遥控盒、综合信息处理与显示系统（Synthetical Information Process and Display System，SIPDS）主机以及显示器供电。当单个 STS（以 STS1 为例）故障时，对空指挥管制员可以通过 FDD 显示器查看空中飞机飞行动态，使用备用内话对空席位指挥飞机，确保管制服务不会中断。4 结 论供电系统是空管设备的核心，提升供电设备的可靠性对于确保空管系统的正常运行至关重要6。通过开展空管系统内供配电系统运行风险梳理排查和供配电专项应急实战演练等，不断深化对供电设备的认识，积累供电设备运维经验，从而增强供电综合保障能力。参考文献：1 中国民用航空局空管行业管理办公室，中国民用航空局空中交通管理局.民航空管通信导航监视设施设备供配电配置指导材料 EB/OL.（2015-12-25）2023-07-12.https：/ 闫飞龙.空管设备供配电系统实际应用分析 J.电工技术，2019（12）：119-120.3 中国民用航空局.民用航空空中交通管制服务地空通信设备配置 第 1 部分：语音通信：MH/T 4028.12021S.北京：中国民航出版社，2021.4 徐 伟，何曾韬.空中交通管制中心核心设备机房供电架构设计J.建筑电气，2016，35（11）：33-36.5 刘金元.两种空管自动化系统中管制员可靠性研究 J.商品与质量，2019（1）：261.6 徐 伟.空管 UPS 系统蓄电池特性及维护要点分析 J.科技风，2019（26）：221.表 1 空中交通管制自动化系统设备布局与供电情况机柜名称机柜内设备供电输入供电引接信号接入机柜 1LDW1、LDW2、LDW3、RFP1、RFP2、RFP3、DA-RFP1A、B 双路 UPS均为双电源设备，引接 A、B 双路 UPS信号接入机柜 2LDW4、LDW4、LDW6、RFP4、RFP5、RFP6、DA-RFP2A、B 双路 UPS均为双电源设备，引接 A、B 双路 UPS服务器机柜 1RDP1、FDP1、DCP1、FDR1、核心交换机 AA、B 双路 UPS+STS核心交换机 A 引接 STS 电源；其余分别引接 A、B 双路 UPS服务器机柜 2RDP2、FDP2、DCP2、FDR2、核心交换机 BA、B 双路 UPS+STS核心交换机 B 引接 STS 电源；其余均分别引接 A、B 双路 UPS旁路处理机柜DARD、核心交换机 CA、B 双路 UPS+STS核心交换机 C 引接 STS 电源；其余均为双电源设备，引接 A、B 双路 UPS各席位机柜SDD、FDD、KVM 切换器、视频延长器A、B 双路 UPS+STSKVM 切换器和视频延长器引接 STS 电源；SDD 和 FDD 分别引接 A、B 双路 UPS