衛(wèi)星地面站供電設(shè)計(jì)分析

蔡祥梅，王新榮

（航天恒星科技有限公司，北京 100095）

0 引 言

隨著中國(guó)航天事業(yè)的蓬勃發(fā)展，許多國(guó)家在中國(guó)的幫助下發(fā)射衛(wèi)星并建立衛(wèi)星地面站。供電系統(tǒng)為整個(gè)衛(wèi)星地面站提供運(yùn)行所需的能量來(lái)源。不同的國(guó)家供電標(biāo)準(zhǔn)和環(huán)境都不相同，文章主要探討和分析如何在不同環(huán)境和條件下提高供電設(shè)計(jì)的可靠性和提高供電效能，進(jìn)一步優(yōu)化衛(wèi)星地面站供電問(wèn)題設(shè)計(jì)和配置，最大限度地減少因供電問(wèn)題造成的地面站運(yùn)行中斷的損失。

1 衛(wèi)星地面站供電設(shè)計(jì)組成

衛(wèi)星地面站系統(tǒng)的供電設(shè)計(jì)主要分為供電輸入端、不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）和負(fù)載輸出端3 部分。

1.1 供電輸入端設(shè)計(jì)

輸入端采用兩路獨(dú)立市電和柴油發(fā)電機(jī)并列輸入的模式。在市電輸入不穩(wěn)定的情況下，提供兩路獨(dú)立的市電輸入，提高輸入的穩(wěn)定性。同時(shí)，配置柴油發(fā)電機(jī)，在市電斷電的情況下及時(shí)啟動(dòng)柴油發(fā)電機(jī)柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為衛(wèi)星地面站供電。由于柴油發(fā)電機(jī)長(zhǎng)期使用會(huì)損耗過(guò)大增加故障率，只能應(yīng)急使用。輸入用電不僅需要考慮設(shè)備的供電，還要考慮空調(diào)照明等輔助設(shè)施的供電，因此在實(shí)際供電需求上預(yù)留一定的冗余。

1.2 UPS 設(shè)計(jì)

UPS 是衛(wèi)星地面站供電系統(tǒng)中非常重要的設(shè)備，目前已有的海外衛(wèi)星地面站設(shè)備配備在線式UPS。UPS 具有穩(wěn)壓穩(wěn)頻的作用，可以凈化電網(wǎng)中的諧波和脈沖，輸出相對(duì)穩(wěn)定且高質(zhì)量的交流電供衛(wèi)星地面站的天線和其他設(shè)備使用。在線式UPS 一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)是市電斷電時(shí)電池放電的轉(zhuǎn)換時(shí)間為0，在市電突然中斷而柴油發(fā)動(dòng)機(jī)沒(méi)有及時(shí)啟動(dòng)的情況下，可以實(shí)現(xiàn)無(wú)間斷供電[1-2]。

因?yàn)樘炀€驅(qū)動(dòng)和啟動(dòng)功耗較大，對(duì)電路中其他設(shè)備產(chǎn)生一定的影響，所以為衛(wèi)星地面站天線配備獨(dú)立的UPS。

1.3 輸出端設(shè)備類型

與一般數(shù)據(jù)處理中心不同，衛(wèi)星地面站的輸出端終端設(shè)備主要分為天線、地面站設(shè)備和機(jī)房輔助設(shè)備3 類。天線主要包括天線驅(qū)動(dòng)和天線配套設(shè)備（三相供電）；地面站設(shè)備包括功放、跟蹤接收機(jī)、變頻器等接收變頻設(shè)備以及其他數(shù)據(jù)處理設(shè)備；機(jī)房輔助設(shè)備包括機(jī)房空調(diào)、照明裝置、除塵裝置等輔助設(shè)備。

目前衛(wèi)星地面站供電設(shè)計(jì)中，機(jī)房設(shè)備根據(jù)《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50174—2017）的要求，按數(shù)據(jù)中心B 級(jí)機(jī)房設(shè)計(jì)，采用N+1 架構(gòu)。天線系統(tǒng)由UPS 獨(dú)立供電，地面站設(shè)備由UPS 備份供電，輔助設(shè)備由市電直接供電。衛(wèi)星地面站供電拓?fù)淙鐖D1所示[3]。

圖1 衛(wèi)星地面站供配電設(shè)計(jì)拓?fù)?/p>

2 存在的問(wèn)題

在市電供電良好的情況下，目前的衛(wèi)星地面站系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)可以有效保障衛(wèi)星地面站24 h 不間斷工作。但是在市電供電環(huán)境比較惡劣的情況下，目前供電設(shè)計(jì)存在的一些問(wèn)題逐漸顯現(xiàn)出來(lái)。

2.1 UPS 冗余備份方式有待有待優(yōu)化

地面站雖然采用N+1模式，由市電供電雙路供電，關(guān)鍵設(shè)備的UPS 有冗余備份設(shè)計(jì)，但是整個(gè)供電電路在邏輯上和物理上沒(méi)有完全備份。這種雙電源單回路設(shè)計(jì)方式存在很大的單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)，如果并機(jī)UPS系統(tǒng)出現(xiàn)問(wèn)題，會(huì)造成整個(gè)衛(wèi)星地面站的系統(tǒng)癱瘓。

2.2 UPS 配置設(shè)計(jì)有待提升

2.2.1 UPS 輸出諧波過(guò)大

衛(wèi)星地面站大多設(shè)備采用UPS 供電，因此提升UPS 的性能和功能是優(yōu)化衛(wèi)星地面站供電設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。目前衛(wèi)星地面站UPS 一般選用12 脈沖UPS工頻機(jī)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，12 脈沖整流輸入功率因數(shù)不超過(guò)0.9，諧波電流可以高達(dá)基波電流的20%，如果是2臺(tái)工頻UPS 并聯(lián)運(yùn)行，諧波含量更高。在目前衛(wèi)星地面站供電設(shè)計(jì)中，為機(jī)房設(shè)備供電的UPS 都是并聯(lián)運(yùn)行。在某海外衛(wèi)星地面站，采用工頻12 脈沖并聯(lián)運(yùn)行的UPS 系統(tǒng)輸出電流總諧波失真率（Total Harmonic Distortion，THDi）為25%[4]。

在某衛(wèi)星地面站天線輸入端使用電能質(zhì)量分析儀長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)，在正常供電情況下，電壓諧波總畸變率在10%左右，超出標(biāo)準(zhǔn)允許范圍。

對(duì)于天線驅(qū)動(dòng)這種敏感設(shè)備，不穩(wěn)定的輸出和過(guò)大的諧波直接影響設(shè)備的正常工作和運(yùn)行，進(jìn)而影響整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行[5]。

2.2.2 UPS 容量配置過(guò)大

設(shè)計(jì)師在選擇UPS 時(shí)存在一個(gè)誤區(qū)，誤認(rèn)為UPS 冗余越大越好，實(shí)際上負(fù)載率越低，功率因數(shù)越低，整個(gè)電路中的諧波也越大[6]。在UPS 實(shí)際設(shè)計(jì)中，設(shè)計(jì)師根據(jù)衛(wèi)星地面站設(shè)備的額定功率來(lái)計(jì)算UPS容量需求，并且預(yù)留20%左右的余量。對(duì)于天線等感性負(fù)載，由于驅(qū)動(dòng)電流較大，實(shí)際預(yù)留的余量更多。

設(shè)計(jì)衛(wèi)星地面站系統(tǒng)時(shí)，重要敏感設(shè)備必須熱備份。地面應(yīng)用系統(tǒng)的特點(diǎn)是接收數(shù)據(jù)任務(wù)時(shí)處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)，其他情況下使用率相對(duì)較低，這些特點(diǎn)決定地面站設(shè)備實(shí)際使用功耗遠(yuǎn)低于額定功耗要求。

為測(cè)試實(shí)際功耗比，對(duì)某衛(wèi)星地面站機(jī)房中的5 個(gè)系統(tǒng)20 個(gè)機(jī)柜進(jìn)行為期7 d 的測(cè)試，實(shí)測(cè)功耗值取該系統(tǒng)業(yè)務(wù)正常運(yùn)行的數(shù)值，實(shí)際使用功耗與額定功耗占比如表1 所示。

表1 某衛(wèi)星地面站不同系統(tǒng)機(jī)房設(shè)備實(shí)際使用功耗與額定功耗占比

根據(jù)表1 數(shù)據(jù)，5 個(gè)系統(tǒng)的實(shí)測(cè)功耗在額定功耗的平均占比約為26.2%。同時(shí)，統(tǒng)計(jì)分布在不同國(guó)家不同類型的衛(wèi)星地面站UPS 實(shí)際使用功耗，選取最典型的衛(wèi)星地面站設(shè)備UPS 容量配置數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2 所示。

表2 典型衛(wèi)星地面站設(shè)備UPS 容量配置數(shù)據(jù)

由表2 可知，不同類型的典型地面站設(shè)備UPS平均使用率為22.8%，實(shí)際所需UPS 容量小于UPS容量的1/4。由此表明，根據(jù)設(shè)備額定功耗計(jì)算UPS的容量需求會(huì)產(chǎn)生很大的誤差，導(dǎo)致UPS 使用率較低。UPS 配置過(guò)大不僅浪費(fèi)供電資源，而且電池和設(shè)備本身占用空間較大，對(duì)地面站的機(jī)房資源也是一種浪費(fèi)。

3 設(shè)計(jì)優(yōu)化分析

3.1 供電設(shè)計(jì)優(yōu)化

為改善衛(wèi)星地面站現(xiàn)有的供電設(shè)計(jì)缺陷，進(jìn)一步提高地面應(yīng)用系統(tǒng)的供電可靠性，優(yōu)化UPS 配置模式，UPS 供電設(shè)計(jì)模式從N+1 模式變?yōu)?N模式。即衛(wèi)星地面站的設(shè)備由兩路獨(dú)立的UPS 供電，進(jìn)一步完善供電的備份設(shè)計(jì)。

3.1.1 完全備份（2N模式）供電設(shè)計(jì)

在供電環(huán)境一般的地區(qū)，市電供電不太穩(wěn)定的國(guó)家和地區(qū)，提供兩路獨(dú)立的市電和柴油發(fā)動(dòng)機(jī)為兩路UPS 供電，設(shè)備供電從輸入端開始由兩路完全獨(dú)立的電路互為備份。完全備份（2N模式）供電設(shè)計(jì)具體方案如圖2 所示。輸入端提供兩路獨(dú)立的市電供電，并且提供2臺(tái)獨(dú)立的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)（以下簡(jiǎn)稱柴發(fā)），分別為設(shè)備UPS 提供兩路獨(dú)立的供電。市電1 和柴發(fā)1 為UPS1提供輸入，UPS1輸出到設(shè)備機(jī)房設(shè)備機(jī)柜PDU1和相關(guān)射頻設(shè)備；市電2 和柴發(fā)2 為UPS2提供輸入，UPS2輸出到設(shè)備機(jī)柜PDU2和相關(guān)射頻設(shè)備。同時(shí)，市電1 和柴發(fā)1 為天線UPS 提供輸入，市電2和柴發(fā)2 為天線提供備份輸入。從輸入端到輸出端，每一路設(shè)備都有兩路在物理上和邏輯上完全獨(dú)立的電路，做到完全備份設(shè)計(jì)。

圖2 完全備份（2N 模式）供電設(shè)計(jì)拓?fù)?/p>

對(duì)于單電源設(shè)備，配置相應(yīng)容量的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（Static Transfer Switch，STS），STS 切換時(shí)間在10 ms 以內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)雙路供電不間斷切換，供電設(shè)計(jì)拓?fù)淙鐖D3 所示。

圖3 單電源供電設(shè)備供電設(shè)計(jì)拓?fù)?/p>

與傳統(tǒng)的供電設(shè)計(jì)相比，設(shè)備供電從之前的一路變成雙路獨(dú)立備份供電，UPS 配置數(shù)量并不需要增加，由此減少并機(jī)UPS 系統(tǒng)單點(diǎn)故障風(fēng)險(xiǎn)。兩路UPS為完全獨(dú)立設(shè)計(jì)，盡量采用不同品牌的UPS 提升供電安全系數(shù)。同時(shí)，單電源設(shè)備增加STS，保證終端供電的安全性。此外，在市電環(huán)境極其惡劣的國(guó)家和地區(qū)，可以將主路UPS 的STS 設(shè)置為關(guān)閉模式，當(dāng)主路UPS 出現(xiàn)故障，直接切換為備路UPS 供電，減少市電或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)波動(dòng)過(guò)大引起的設(shè)備故障風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.2 輸入端外備份（2N模式）供電設(shè)計(jì)

供電設(shè)計(jì)方案要因地而異，一些國(guó)家和地區(qū)電力比較緊張，并不具備提供兩路獨(dú)立市電供電的能力，只能一路供電。為避免互相影響，天線、設(shè)備和空調(diào)應(yīng)配置獨(dú)立的供電模塊分開供電。除輸入端變成一路市電和柴發(fā)外，仍然有兩路獨(dú)立的UPS 為設(shè)備供電。UPS1輸出到設(shè)備機(jī)房設(shè)備機(jī)柜PDU1和相關(guān)射頻設(shè)備；市電2 和柴發(fā)2 為UPS2提供輸入，UPS2輸出到設(shè)備機(jī)柜PDU2和相關(guān)射頻設(shè)備。輸入端外備份（2N模式）供電設(shè)計(jì)如圖4 所示。

圖4 精簡(jiǎn)模式計(jì)供電設(shè)計(jì)拓?fù)?/p>

3.1.3 精簡(jiǎn)模式供電設(shè)計(jì)

在供電環(huán)境相對(duì)平穩(wěn)的情況下，市電供電相對(duì)較好，每個(gè)月停電時(shí)間不超過(guò)5 次，并且每次停電時(shí)間不超過(guò)0.5 h。這種情況下為衛(wèi)星地面設(shè)備配置兩路獨(dú)立的供電，其中一路備份供電由市電直接提供，精簡(jiǎn)UPS 設(shè)計(jì)。精簡(jiǎn)模式供電設(shè)計(jì)原理如圖5 所示。在市電相對(duì)穩(wěn)定的情況下，設(shè)備仍然有兩路供電，一路經(jīng)過(guò)UPS 供電，避免UPS 系統(tǒng)問(wèn)題引起電路中斷。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是可以減少UPS 的配置，當(dāng)UPS 出故障時(shí)設(shè)備可以直接從市電供電[7]。此外，所有的空調(diào)都直接采用市電供電，不需要配置UPS。整個(gè)衛(wèi)星地面站供電僅配置2 套UPS，同樣可以保障衛(wèi)星地面站的供電安全。

3.2 UPS 配置優(yōu)化

3.2.1 UPS 性能優(yōu)化

UPS 的性能由負(fù)載設(shè)備的使用要求決定，因此配置UPS 時(shí)需要詳細(xì)了解負(fù)載的供電性能要求。例如，天線作為非線性負(fù)載，不同的天線驅(qū)動(dòng)器供電要求也完全不同，不僅對(duì)供電電壓變化范圍和頻率變化范圍有較高的要求，對(duì)電壓諧波和電流諧波也有較高的要求。

目前國(guó)內(nèi)外的航天發(fā)射場(chǎng)和衛(wèi)星地面站供電設(shè)計(jì)中，高頻UPS 逐漸取代工頻UPS，在衛(wèi)星地面站的供電設(shè)計(jì)中占主導(dǎo)地位。其主要原因是高頻機(jī)輸出諧波小，電能質(zhì)量較好。高頻機(jī)UPS 一般輸出THDi小于5%，對(duì)衛(wèi)星地面站中供電質(zhì)量要求很高的設(shè)備也能滿足要求。地面站設(shè)計(jì)時(shí)選擇一體化的高頻機(jī)UPS，可以有效改善衛(wèi)星地面站供電質(zhì)量，提升工作效能。對(duì)于天線等敏感設(shè)備，可以加上輸出變壓器，有效隔離輸入端電網(wǎng)異常沖擊。此外，根據(jù)《民用建筑電氣設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 51348—2019），工頻UPS配置柴油發(fā)動(dòng)機(jī)容量需求較大，高頻UPS 配置柴油發(fā)動(dòng)機(jī)容量相對(duì)較小。據(jù)統(tǒng)計(jì)，100 kW 容量的高頻機(jī)要與100 kW 容量的工頻機(jī)相比，每年節(jié)約5×104kW·h 電能。因此，無(wú)論是提高電能質(zhì)量還是降低能耗并提升供電效能，高頻UPS 更適合在衛(wèi)星地面站供電系統(tǒng)中使用。

高頻機(jī)UPS 既有一體式結(jié)構(gòu)，也有模塊化結(jié)構(gòu)，建議設(shè)計(jì)地面站時(shí)根據(jù)地面站的特點(diǎn)，后續(xù)有擴(kuò)容需求時(shí)選擇模塊化UPS，沒(méi)有擴(kuò)容需求時(shí)選擇一體化UPS。

3.2.2 UPS 容量設(shè)計(jì)優(yōu)化

UPS 配置過(guò)大不僅浪費(fèi)供電資源，也浪費(fèi)衛(wèi)星地面站的機(jī)房資源。合理配置地面站UPS 的容量，要準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)衛(wèi)星地面站的功耗。目前功耗統(tǒng)計(jì)都是按額定功耗來(lái)計(jì)算。

一般來(lái)說(shuō)，設(shè)備額定功率是負(fù)載長(zhǎng)時(shí)間工作時(shí)，對(duì)外輸出功率的最大值，地面站機(jī)房設(shè)備在使用時(shí)，實(shí)際功耗跟額定功耗有很大的差異。一方面，很多業(yè)務(wù)并不是一直處于高運(yùn)行狀態(tài)，相應(yīng)的設(shè)備也就不處于滿負(fù)荷工作狀態(tài)。另一方面，部分設(shè)備屬于備份設(shè)備，雖然跟主設(shè)備同步運(yùn)行，但不需要處理數(shù)據(jù)，導(dǎo)致實(shí)際使用功耗遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于額定功耗。在后續(xù)衛(wèi)星地面站供電設(shè)計(jì)中，設(shè)備額定功耗精細(xì)統(tǒng)計(jì)，熱備份設(shè)備的功耗在額定功耗上乘以0.3 系數(shù)比例作為調(diào)整。

4 結(jié) 論

衛(wèi)星地面系統(tǒng)供電設(shè)計(jì)要結(jié)合當(dāng)?shù)氐墓╇娗闆r，深入了解不同地面站的設(shè)計(jì)需求后，合理地設(shè)計(jì)供配電設(shè)計(jì)方案。通過(guò)多個(gè)地面站的設(shè)計(jì)和運(yùn)行測(cè)試發(fā)現(xiàn)，改變地面站的供電設(shè)計(jì)，提升地面站的供電可靠性是非常必要的。供電設(shè)計(jì)在保證安全的基礎(chǔ)上，盡可能的提升供電系統(tǒng)的可靠性和使用效能，使整個(gè)供電系統(tǒng)處于一個(gè)簡(jiǎn)約，高效的良性循環(huán)。