卫星地面站供电设计分析

蔡祥梅，王新荣

（航天恒星科技有限公司，北京 100095）

0 引 言

随着中国航天事业的蓬勃发展，许多国家在中国的帮助下发射卫星并建立卫星地面站。供电系统为整个卫星地面站提供运行所需的能量来源。不同的国家供电标准和环境都不相同，文章主要探讨和分析如何在不同环境和条件下提高供电设计的可靠性和提高供电效能，进一步优化卫星地面站供电问题设计和配置，最大限度地减少因供电问题造成的地面站运行中断的损失。

1 卫星地面站供电设计组成

卫星地面站系统的供电设计主要分为供电输入端、不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）和负载输出端3 部分。

1.1 供电输入端设计

输入端采用两路独立市电和柴油发电机并列输入的模式。在市电输入不稳定的情况下，提供两路独立的市电输入，提高输入的稳定性。同时，配置柴油发电机，在市电断电的情况下及时启动柴油发电机柴油发动机为卫星地面站供电。由于柴油发电机长期使用会损耗过大增加故障率，只能应急使用。输入用电不仅需要考虑设备的供电，还要考虑空调照明等辅助设施的供电，因此在实际供电需求上预留一定的冗余。

1.2 UPS 设计

UPS 是卫星地面站供电系统中非常重要的设备，目前已有的海外卫星地面站设备配备在线式UPS。UPS 具有稳压稳频的作用，可以净化电网中的谐波和脉冲，输出相对稳定且高质量的交流电供卫星地面站的天线和其他设备使用。在线式UPS 一个很大的优点是市电断电时电池放电的转换时间为0，在市电突然中断而柴油发动机没有及时启动的情况下，可以实现无间断供电[1-2]。

因为天线驱动和启动功耗较大，对电路中其他设备产生一定的影响，所以为卫星地面站天线配备独立的UPS。

1.3 输出端设备类型

与一般数据处理中心不同，卫星地面站的输出端终端设备主要分为天线、地面站设备和机房辅助设备3 类。天线主要包括天线驱动和天线配套设备（三相供电）；地面站设备包括功放、跟踪接收机、变频器等接收变频设备以及其他数据处理设备；机房辅助设备包括机房空调、照明装置、除尘装置等辅助设备。

目前卫星地面站供电设计中，机房设备根据《数据中心设计规范》（GB 50174—2017）的要求，按数据中心B 级机房设计，采用N+1 架构。天线系统由UPS 独立供电，地面站设备由UPS 备份供电，辅助设备由市电直接供电。卫星地面站供电拓扑如图1所示[3]。

图1 卫星地面站供配电设计拓扑

2 存在的问题

在市电供电良好的情况下，目前的卫星地面站系统供电设计可以有效保障卫星地面站24 h 不间断工作。但是在市电供电环境比较恶劣的情况下，目前供电设计存在的一些问题逐渐显现出来。

2.1 UPS 冗余备份方式有待有待优化

地面站虽然采用N+1模式，由市电供电双路供电，关键设备的UPS 有冗余备份设计，但是整个供电电路在逻辑上和物理上没有完全备份。这种双电源单回路设计方式存在很大的单点故障风险，如果并机UPS系统出现问题，会造成整个卫星地面站的系统瘫痪。

2.2 UPS 配置设计有待提升

2.2.1 UPS 输出谐波过大

卫星地面站大多设备采用UPS 供电，因此提升UPS 的性能和功能是优化卫星地面站供电设计中的关键环节。目前卫星地面站UPS 一般选用12 脉冲UPS工频机。据统计，12 脉冲整流输入功率因数不超过0.9，谐波电流可以高达基波电流的20%，如果是2台工频UPS 并联运行，谐波含量更高。在目前卫星地面站供电设计中，为机房设备供电的UPS 都是并联运行。在某海外卫星地面站，采用工频12 脉冲并联运行的UPS 系统输出电流总谐波失真率（Total Harmonic Distortion，THDi）为25%[4]。

在某卫星地面站天线输入端使用电能质量分析仪长期监测发现，在正常供电情况下，电压谐波总畸变率在10%左右，超出标准允许范围。

对于天线驱动这种敏感设备，不稳定的输出和过大的谐波直接影响设备的正常工作和运行，进而影响整个系统的正常运行[5]。

2.2.2 UPS 容量配置过大

设计师在选择UPS 时存在一个误区，误认为UPS 冗余越大越好，实际上负载率越低，功率因数越低，整个电路中的谐波也越大[6]。在UPS 实际设计中，设计师根据卫星地面站设备的额定功率来计算UPS容量需求，并且预留20%左右的余量。对于天线等感性负载，由于驱动电流较大，实际预留的余量更多。

设计卫星地面站系统时，重要敏感设备必须热备份。地面应用系统的特点是接收数据任务时处于正常运转状态，其他情况下使用率相对较低，这些特点决定地面站设备实际使用功耗远低于额定功耗要求。

为测试实际功耗比，对某卫星地面站机房中的5 个系统20 个机柜进行为期7 d 的测试，实测功耗值取该系统业务正常运行的数值，实际使用功耗与额定功耗占比如表1 所示。

表1 某卫星地面站不同系统机房设备实际使用功耗与额定功耗占比

根据表1 数据，5 个系统的实测功耗在额定功耗的平均占比约为26.2%。同时，统计分布在不同国家不同类型的卫星地面站UPS 实际使用功耗，选取最典型的卫星地面站设备UPS 容量配置数据进行分析，统计结果如表2 所示。

表2 典型卫星地面站设备UPS 容量配置数据

由表2 可知，不同类型的典型地面站设备UPS平均使用率为22.8%，实际所需UPS 容量小于UPS容量的1/4。由此表明，根据设备额定功耗计算UPS的容量需求会产生很大的误差，导致UPS 使用率较低。UPS 配置过大不仅浪费供电资源，而且电池和设备本身占用空间较大，对地面站的机房资源也是一种浪费。

3 设计优化分析

3.1 供电设计优化

为改善卫星地面站现有的供电设计缺陷，进一步提高地面应用系统的供电可靠性，优化UPS 配置模式，UPS 供电设计模式从N+1 模式变为2N模式。即卫星地面站的设备由两路独立的UPS 供电，进一步完善供电的备份设计。

3.1.1 完全备份（2N模式）供电设计

在供电环境一般的地区，市电供电不太稳定的国家和地区，提供两路独立的市电和柴油发动机为两路UPS 供电，设备供电从输入端开始由两路完全独立的电路互为备份。完全备份（2N模式）供电设计具体方案如图2 所示。输入端提供两路独立的市电供电，并且提供2台独立的柴油发动机（以下简称柴发），分别为设备UPS 提供两路独立的供电。市电1 和柴发1 为UPS1提供输入，UPS1输出到设备机房设备机柜PDU1和相关射频设备；市电2 和柴发2 为UPS2提供输入，UPS2输出到设备机柜PDU2和相关射频设备。同时，市电1 和柴发1 为天线UPS 提供输入，市电2和柴发2 为天线提供备份输入。从输入端到输出端，每一路设备都有两路在物理上和逻辑上完全独立的电路，做到完全备份设计。

图2 完全备份（2N 模式）供电设计拓扑

对于单电源设备，配置相应容量的静态转换开关（Static Transfer Switch，STS），STS 切换时间在10 ms 以内，可以实现双路供电不间断切换，供电设计拓扑如图3 所示。

图3 单电源供电设备供电设计拓扑

与传统的供电设计相比，设备供电从之前的一路变成双路独立备份供电，UPS 配置数量并不需要增加，由此减少并机UPS 系统单点故障风险。两路UPS为完全独立设计，尽量采用不同品牌的UPS 提升供电安全系数。同时，单电源设备增加STS，保证终端供电的安全性。此外，在市电环境极其恶劣的国家和地区，可以将主路UPS 的STS 设置为关闭模式，当主路UPS 出现故障，直接切换为备路UPS 供电，减少市电或柴油发动机波动过大引起的设备故障风险。

3.1.2 输入端外备份（2N模式）供电设计

供电设计方案要因地而异，一些国家和地区电力比较紧张，并不具备提供两路独立市电供电的能力，只能一路供电。为避免互相影响，天线、设备和空调应配置独立的供电模块分开供电。除输入端变成一路市电和柴发外，仍然有两路独立的UPS 为设备供电。UPS1输出到设备机房设备机柜PDU1和相关射频设备；市电2 和柴发2 为UPS2提供输入，UPS2输出到设备机柜PDU2和相关射频设备。输入端外备份（2N模式）供电设计如图4 所示。

图4 精简模式计供电设计拓扑

3.1.3 精简模式供电设计

在供电环境相对平稳的情况下，市电供电相对较好，每个月停电时间不超过5 次，并且每次停电时间不超过0.5 h。这种情况下为卫星地面设备配置两路独立的供电，其中一路备份供电由市电直接提供，精简UPS 设计。精简模式供电设计原理如图5 所示。在市电相对稳定的情况下，设备仍然有两路供电，一路经过UPS 供电，避免UPS 系统问题引起电路中断。这种设计的优点是可以减少UPS 的配置，当UPS 出故障时设备可以直接从市电供电[7]。此外，所有的空调都直接采用市电供电，不需要配置UPS。整个卫星地面站供电仅配置2 套UPS，同样可以保障卫星地面站的供电安全。

3.2 UPS 配置优化

3.2.1 UPS 性能优化

UPS 的性能由负载设备的使用要求决定，因此配置UPS 时需要详细了解负载的供电性能要求。例如，天线作为非线性负载，不同的天线驱动器供电要求也完全不同，不仅对供电电压变化范围和频率变化范围有较高的要求，对电压谐波和电流谐波也有较高的要求。

目前国内外的航天发射场和卫星地面站供电设计中，高频UPS 逐渐取代工频UPS，在卫星地面站的供电设计中占主导地位。其主要原因是高频机输出谐波小，电能质量较好。高频机UPS 一般输出THDi小于5%，对卫星地面站中供电质量要求很高的设备也能满足要求。地面站设计时选择一体化的高频机UPS，可以有效改善卫星地面站供电质量，提升工作效能。对于天线等敏感设备，可以加上输出变压器，有效隔离输入端电网异常冲击。此外，根据《民用建筑电气设计标准》（GB 51348—2019），工频UPS配置柴油发动机容量需求较大，高频UPS 配置柴油发动机容量相对较小。据统计，100 kW 容量的高频机要与100 kW 容量的工频机相比，每年节约5×104kW·h 电能。因此，无论是提高电能质量还是降低能耗并提升供电效能，高频UPS 更适合在卫星地面站供电系统中使用。

高频机UPS 既有一体式结构，也有模块化结构，建议设计地面站时根据地面站的特点，后续有扩容需求时选择模块化UPS，没有扩容需求时选择一体化UPS。

3.2.2 UPS 容量设计优化

UPS 配置过大不仅浪费供电资源，也浪费卫星地面站的机房资源。合理配置地面站UPS 的容量，要准确统计卫星地面站的功耗。目前功耗统计都是按额定功耗来计算。

一般来说，设备额定功率是负载长时间工作时，对外输出功率的最大值，地面站机房设备在使用时，实际功耗跟额定功耗有很大的差异。一方面，很多业务并不是一直处于高运行状态，相应的设备也就不处于满负荷工作状态。另一方面，部分设备属于备份设备，虽然跟主设备同步运行，但不需要处理数据，导致实际使用功耗远远小于额定功耗。在后续卫星地面站供电设计中，设备额定功耗精细统计，热备份设备的功耗在额定功耗上乘以0.3 系数比例作为调整。

4 结 论

卫星地面系统供电设计要结合当地的供电情况，深入了解不同地面站的设计需求后，合理地设计供配电设计方案。通过多个地面站的设计和运行测试发现，改变地面站的供电设计，提升地面站的供电可靠性是非常必要的。供电设计在保证安全的基础上，尽可能的提升供电系统的可靠性和使用效能，使整个供电系统处于一个简约，高效的良性循环。