空管VHF遙控系統(tǒng)供電方案研究與應(yīng)用

一、引言

民航甚高頻地空話音通信地面系統(tǒng)包括甚高頻收發(fā)信機(jī)、信號(hào)傳輸部分、終端部分和監(jiān)控部分，設(shè)備多采用技術(shù)成熟、性能可靠的進(jìn)口或者國(guó)產(chǎn)設(shè)備，故障率并不高。反而是很多臺(tái)站地理位置偏僻，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)滯后，自然災(zāi)害頻發(fā)，經(jīng)常出現(xiàn)VHF遙控系統(tǒng)因傳輸中斷和設(shè)備掉電導(dǎo)致的VHF遙控系統(tǒng)故障或降級(jí)保障。

傳輸中斷多是由于運(yùn)營(yíng)商線路中斷導(dǎo)致，本文不做探討。設(shè)備供電原因?qū)е碌牡乜胀ㄐ胖袛嚯m然發(fā)生概率不高，但是一旦出現(xiàn)往往帶來(lái)比較嚴(yán)重的后果，甚至導(dǎo)致臺(tái)站失效。因此合理配置VHF遙控系統(tǒng)的供電部分就顯得尤為重要。本文就VHF遙控系統(tǒng)設(shè)備功耗、UPS和電池組設(shè)計(jì)、供電配置現(xiàn)狀與改進(jìn)方案和設(shè)備供電接口等幾個(gè)方面展開(kāi)分析。

二、VHF遙控系統(tǒng)功耗分析

VHF遙控系統(tǒng)設(shè)備類型比較多樣，本文以典型設(shè)備搭建實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，使用數(shù)字鉗形表，對(duì)VHF設(shè)備電源線的火線進(jìn)行測(cè)試，得到設(shè)備工作電流;使用萬(wàn)用表對(duì)設(shè)備供電電壓進(jìn)行測(cè)試，據(jù)功率計(jì)算公式P=UI，得到設(shè)備功耗，具體結(jié)果如表1所示。

另外，東進(jìn)比選器SCV-200系列設(shè)備，AC輸入時(shí)其標(biāo)稱功耗是80W，但其實(shí)際功耗與比選板數(shù)量有關(guān);Cisco 交換機(jī)標(biāo)稱功耗30W。

根據(jù)表1的測(cè)試結(jié)果，我們很容易算出一個(gè)四信道共用系統(tǒng)電臺(tái)的功耗：

VHF設(shè)備8臺(tái)電臺(tái)全部待機(jī)：

P0=76.3×8=610.4W

4個(gè)信道全部在發(fā)射狀態(tài)，以高調(diào)制度的調(diào)制信號(hào)計(jì)算：

P1=76.3×4+344.44×4=1682.96W

考慮四個(gè)信道同時(shí)發(fā)射的極限狀態(tài)，四信道VHF遙控臺(tái)的VHF設(shè)備和配套網(wǎng)絡(luò)傳輸設(shè)備總的功率消耗是：

P2=1682.96+30+45.78+100.28=1859.02W

考慮到不同的設(shè)備型號(hào)、配套附屬設(shè)備、設(shè)備配置不同板卡、環(huán)境溫度變化和運(yùn)營(yíng)商光端機(jī)接入等眾多因素的影響，本文中將4信道VHF遙控臺(tái)（不含KU衛(wèi)星站）的供電需求按照2kW（峰值功率）計(jì)算。

三、VHF遙控臺(tái)UPS和電池組配置分析

（一）UPS配置

VHF遙控臺(tái)站多采用UPS輸出接配電柜或者PDU的方式，如圖1所示。

根據(jù)上節(jié)中計(jì)算結(jié)果，4信道VHF遙控臺(tái)設(shè)備功耗約為2kW，假設(shè)UPS的標(biāo)稱視在功率是S（KVA），功率因數(shù)取80%，則至少需要UPS的功率至少為3KVA，即：

P3=S×cos=3×0.8=2.4kW>2kW

如果是六信道VHF臺(tái)站，共用系統(tǒng)六個(gè)信道全部發(fā)射的功率是：

P4=344.44×6+76.3×6=2524.44kW>2.4kW

說(shuō)明3KVA的UPS不能滿足六信道共用系統(tǒng)同時(shí)發(fā)射的用電需求。應(yīng)配置更大功率的UPS才能滿足需求。

（二）電池組配置

以上計(jì)算UPS帶載能力時(shí)使用的是負(fù)載功率極大值，即可以滿足四個(gè)信道同時(shí)發(fā)射的要求，但是VHF遙控臺(tái)的實(shí)際功耗和該臺(tái)站的話務(wù)量有關(guān)：

A=C×t

其中，A：話務(wù)量，單位愛(ài)爾蘭;C：呼叫次數(shù)，單位次;t：每次呼叫占用時(shí)間，單位小時(shí)。

通俗地講，四個(gè)信道每小時(shí)電臺(tái)發(fā)射的累積時(shí)長(zhǎng)就是該共用系統(tǒng)的話務(wù)量。因?yàn)殡娕_(tái)接收時(shí)候的功耗較低，可以近似認(rèn)為和待機(jī)功率一樣，我們?cè)谟?jì)算功耗時(shí)主要考慮電臺(tái)發(fā)射即可。假設(shè)四信道頻率配置是某個(gè)扇區(qū)的主頻、備頻、軍民航協(xié)調(diào)頻率130MHz、國(guó)際應(yīng)急頻率121.5MHz。在管制指揮的繁忙時(shí)段，連續(xù)測(cè)算一個(gè)小時(shí)，電臺(tái)發(fā)射的話務(wù)量A=1。

則四信道電臺(tái)在這一個(gè)小時(shí)的功率是：

P5=344.44×1+76.3×7=878.54W

臺(tái)站設(shè)備功率之和是：

P6=P5+30+45.78+100.28=1054.6W

根據(jù)現(xiàn)行民航標(biāo)準(zhǔn)要求，要求市電斷電后，蓄電池至少保持4小時(shí)的供電能力，假設(shè)臺(tái)站配置16塊12V的鉛酸蓄電池。下面計(jì)算需要配置多少AH的蓄電池可以滿足市電斷電后，設(shè)備繼續(xù)工作4小時(shí)的續(xù)航要求。

電池的實(shí)際放電電流：

A=（S×0.8）/（η×E臨界）

電池容量：

AH=A/C

其中，A：放電電流;S：UPS電源標(biāo)稱輸出功率KVA;cosф：UPS電源輸出功率因數(shù);η：UPS電源逆變器的效率（本文取0.95）;C：放電速率;E臨界：蓄電池組的臨界電壓=10.5V×電池組中電池?cái)?shù)量（在下圖中根據(jù)具體放電時(shí)間查得）。

由于蓄電池在最初放電時(shí)端電壓為13.5V～13.8V，而臨界電壓取10.5V，因此通過(guò)上述公式有：

A=1054.6/0.95×10.5×16=6.61A

通過(guò)查閱圖2中蓄電池放電曲線，可以得知放電率C=0.2，則代入電池容量公式有：

AH=6.61/0.2=3.04AH

因?yàn)樾铍姵氐娜萘渴遣贿B續(xù)的，所以可以就近選擇AH數(shù)量稍大的蓄電池，艾默生有38AH的電池可供配置，可以滿足連續(xù)放電四個(gè)小時(shí)的要求。如果考慮設(shè)備擴(kuò)容的需要，應(yīng)該配置更大容量的蓄電池，比如65AH，100AH等規(guī)格。

如果UPS蓄電池組采用其他型號(hào)的電池組，應(yīng)當(dāng)具體分析其電池容量和放電曲線，再做出分析和計(jì)算。

四、VHF遙控系統(tǒng)供電現(xiàn)狀和改造方案

圖1中供電方案在UPS供電系統(tǒng)的輸出端與負(fù)載間還有配電柜、斷路器開(kāi)關(guān)、保險(xiǎn)絲和電力傳輸電纜。如果UPS、配電柜出現(xiàn)問(wèn)題或者斷路器跳閘時(shí)，負(fù)載就會(huì)掉電。

如果是簡(jiǎn)單的通過(guò)配置兩臺(tái)UPS來(lái)給設(shè)備供電，主機(jī)-從機(jī)型熱備份方案僅具有容錯(cuò)功能，并可將總UPS供電系統(tǒng)的平均無(wú)故障工作時(shí)間（MTBF）提高到單機(jī)的2倍左右。直接并機(jī)冗余式配置方案同時(shí)具有容錯(cuò)功能和擴(kuò)容雙重調(diào)控功能。然而這些方案都僅僅解決了降低UPS供電系統(tǒng)故障率的作用，并沒(méi)有完美解決供電系統(tǒng)的可維護(hù)性問(wèn)題。

如圖3所示，建立多冗余供電系統(tǒng)，分別給雙電源負(fù)載、單電源冗余負(fù)載供電，通過(guò)STS為單電源負(fù)載的兩路輸入做切換，沒(méi)有安裝條件的臺(tái)站也可以用逆變器逆變一路交流電出來(lái)給設(shè)備供電。此方案采用獨(dú)立雙母線，部分設(shè)備甚至做到了三母線設(shè)計(jì)。不但極大限度地降低了設(shè)備掉電的可能性，也對(duì)設(shè)備維護(hù)帶來(lái)了極大的便利。

許多VHF遙控臺(tái)安裝在運(yùn)營(yíng)商基站內(nèi)，市電引入多為農(nóng)電，可靠性差。機(jī)房?jī)?nèi)運(yùn)營(yíng)商設(shè)備采用-48V直流供電，容量大，且穩(wěn)定可靠，運(yùn)營(yíng)商將其作為設(shè)備主用電源設(shè)計(jì)。建議在臺(tái)站現(xiàn)場(chǎng)原有UPS設(shè)備的基礎(chǔ)上，增加直流供電設(shè)備，可作為VHF遙控臺(tái)設(shè)備的備用電源使用，如圖4所示。

臺(tái)站VHF設(shè)備采用直流供電，除了提高系統(tǒng)可靠性之外，還能提高設(shè)備的用電效率。有相關(guān)資料表明，同一臺(tái)設(shè)備在交流供電時(shí)，受到電源模塊性能的影響，其效率約在50%-80%左右。而設(shè)備直接采用直流供電，其效率可以提高到90%以上，相應(yīng)的設(shè)備的直流功耗也會(huì)低于交流功耗。

五、VHF遙控系統(tǒng)設(shè)備供電接口分析

在實(shí)際工作中，我們?cè)O(shè)計(jì)和分析設(shè)備供電時(shí)，多對(duì)圖3中綠色區(qū)塊進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)，對(duì)黃色和紅色區(qū)塊的分析較少。紅色區(qū)塊卻是VHF遙控系統(tǒng)供電中最為重要的一環(huán)。VHF遙控系統(tǒng)的設(shè)備廠家眾多，現(xiàn)以在用的VHF遙控系統(tǒng)設(shè)備供電接入情況為例進(jìn)行分析，設(shè)備供電接口如表2所示。

表2中，電臺(tái)、傳輸設(shè)備和比選器設(shè)備均有兩路以上的供電輸入接口，但是內(nèi)話的終端設(shè)備和應(yīng)急遙控盒作為VHF通信的終端設(shè)備，卻只支持一路。

遙控盒是內(nèi)話設(shè)備的重要備份，在供電接入時(shí)應(yīng)和內(nèi)話分開(kāi)，引接獨(dú)立電源。建議配置直流蓄電池或者高可靠性直流供電系統(tǒng)，保證緊急情況下遙控盒的正?？捎?。

六、結(jié)束語(yǔ)

本文系統(tǒng)分析了VHF遙控系統(tǒng)的供電配置，在VHF遙控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)施工和日常維護(hù)過(guò)程中可以參考此文，以期合理配置供電設(shè)備，科學(xué)設(shè)計(jì)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，有效提升供電安全，保證VHF地空通信的安全暢通。建議各空管保障單位在排查供電隱患時(shí)能與運(yùn)營(yíng)商溝通協(xié)調(diào)，保證安裝在設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的運(yùn)營(yíng)商設(shè)備也有穩(wěn)定可靠的供電配置。目前，VHF遙控系統(tǒng)中的許多設(shè)備都具有遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作維護(hù)的功能，許多供電設(shè)備也陸續(xù)開(kāi)發(fā)出了此類功能，如何利用現(xiàn)有傳輸網(wǎng)絡(luò)引接并建立起一套完整的供電設(shè)備監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)是今后應(yīng)當(dāng)解決的問(wèn)題。

當(dāng)前形勢(shì)下，空管設(shè)備國(guó)產(chǎn)化是VHF設(shè)備發(fā)展的重要趨勢(shì)。在國(guó)產(chǎn)化的過(guò)程中，設(shè)備廠家可以根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行現(xiàn)狀進(jìn)行針對(duì)性的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)，特別是在供電接口的設(shè)計(jì)上應(yīng)該考慮雙路或者多路的供電接口設(shè)計(jì)。

作者單位：朱永振? ? 民航甘肅空管分局綜合業(yè)務(wù)部

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]《甚高頻地空通信地面系統(tǒng)第1部分：話音通信系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》MH/T4001.1-2006.

[2]《UPS用戶培訓(xùn)手冊(cè)》，EMERSON公司出版.

[3]曹雪虹編著.信息論與編碼[M].清華大學(xué)出版社，

[4]華成英，童詩(shī)白編著.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].高等教育出版社，