冗余動力定位系統(tǒng)冗余設計和試驗規(guī)程制定過程

冗余動力定位系統(tǒng)冗余設計和試驗規(guī)程編制進程

• 標準計劃

2017年5月23日，國家標準計劃《冗余動力定位系統(tǒng)冗余設計和試驗規(guī)程》（20170331-T-522）下達，項目周期24個月，由TC12（全國海洋船標準化技術(shù)委員會）提出并歸口上報及執(zhí)行，主管部門為中華人民共和國國家標準化管理委員會。

• 發(fā)布實施

2020年7月21日，國家標準《冗余動力定位系統(tǒng)冗余設計和試驗規(guī)程》（GB/T 39035-2020）由中華人民共和國國家市場監(jiān)督管理總局、中華人民共和國國家標準化管理委員會發(fā)布。

2021年2月1日，國家標準《冗余動力定位系統(tǒng)冗余設計和試驗規(guī)程》（GB/T 39035-2020）實施。

冗余動力定位系統(tǒng)冗余設計和試驗規(guī)程制定依據(jù)

國家標準《冗余動力定位系統(tǒng)冗余設計和試驗規(guī)程》（GB/T 39035-2020）依據(jù)中國國家標準《標準化工作導則—第1部分：標準的結(jié)構(gòu)和編寫規(guī)則》（GB/T 1.1-2009）規(guī)則起草。

冗余動力定位系統(tǒng)冗余設計和試驗規(guī)程起草工作

主要起草單位：中船黃埔文沖船舶有限公司、上海船舶研究設計院、中國船舶工業(yè)綜合技術(shù)經(jīng)濟研究院、哈爾濱工程大學、中國船級社。

主要起草人：樊斌、王永珊、阮紅軍、謝勰、唐彪、朱佳帥、王耀、楊清峽、張本偉、李素美、鐘美達、唐瑞芳、段仲兵、李細根、張馨予。

參考資料：

《冗余動力定位系統(tǒng)冗余設計和試驗規(guī)程》（GB/T 39035-2020）規(guī)定了船舶或海上設施冗余動力定位系統(tǒng)冗余設計、試驗要求。該標準適用于在船舶或海上設施上的DP-２和DP-３動力定位系統(tǒng)的冗余設計和試驗。

注：動力定位系統(tǒng)的試驗包括：動力定位控制系統(tǒng)、獨立的聯(lián)合操縱桿系統(tǒng)及動力定位系統(tǒng)故障模式和影響試驗。

《冗余動力定位系統(tǒng)冗余設計和試驗規(guī)程》（GB/T 39035-2020）的制定，有利于為中國冗余動力定位船舶建造質(zhì)量的提升提供技術(shù)支撐，為船東、船檢、設計單位、船廠相互間的質(zhì)量意見協(xié)調(diào)提供基本依據(jù)，對提升中國船舶工業(yè)核心技術(shù)能力，完善船舶工業(yè)標準體系具有重要現(xiàn)實意義。 2100433B

1．分布冗余UPS的特點

（1）可維性和故障容限高

分布冗余UPS系統(tǒng)的可維性和故障容限與單機UPS、隔離UPS、并聯(lián)冗余UPS相比，有了很大的改進。用戶可以將所有的負載都轉(zhuǎn)換到一個UPS供電的母線上，而另一個UPS及相關(guān)的開關(guān)、配電設備都可以脫離系統(tǒng)，進行維護。也就是說，用戶可以進行積極的維護工作，而不需要將重要負載轉(zhuǎn)換至旁路電源。因此，分布冗余UPS系統(tǒng)具有連續(xù)的可用性。

（2）系統(tǒng)簡單

分布冗余UPS系統(tǒng)比并聯(lián)冗余或隔離冗余UPS簡單、經(jīng)濟，最普通的方法是從兩個單機UPS和一個LBS開始，構(gòu)成雙母線“2N”UPS系統(tǒng)，不需要系統(tǒng)級的控制柜或開關(guān)設備。甚至對于每個分UPS系統(tǒng)也不需要維修旁路柜，因為每個UPS系統(tǒng)都可以作為另一個UPS的旁路。分布冗余UPS系統(tǒng)也是可擴展的，對于較大容量的應用場合，每個分UPS系統(tǒng)都可以采用常規(guī)的并聯(lián)冗余UPS系統(tǒng)（為提高可用性并聯(lián)，或為增加容量并聯(lián)）。

（3）可靠性高

由于分布冗余UPS系統(tǒng)的簡單性，它比隔離冗余UPS更可靠。冗余是并聯(lián)的，不是串聯(lián)的。由于有兩個配電網(wǎng)絡和下游靜態(tài)開關(guān)，關(guān)鍵負載設備（包括雙電源輸入負載和單電源輸入負載）具有雙電源設備的功能。采用分布冗余UPS，對于負責定期進行預防性維護的人員而言，其承擔的風險減小了。最重要的是，兩個配電網(wǎng)絡的獨立性保證了一個母線的故障不會擴展到另一個母線上。正常的負載仍然可以由正常的UPS和配電系統(tǒng)供電。

2．分布冗余UPS的負載母線同步

（1）分布冗余UPS的負載母線同步的概念

除非所有的負載設備都是雙電源負載，分布冗余UPS必須進行負載母線同步。即構(gòu)成雙母線UPS系統(tǒng)的兩個獨立的UPS系統(tǒng)輸出必須同步運行。因為雙電源負載的一個電源故障時，負載仍能正常運行，故不需要進行電源的轉(zhuǎn)換。因此，如果雙母線UPS系統(tǒng)的負載全部是雙電源負載，兩個母線上的UPS可以不同步運行。然而，如果配電系統(tǒng)中還存在單電源設備，則必須進行同步。因為當一個UPS電源故障時必須經(jīng)STS進行電源轉(zhuǎn)換。為了保證不間斷轉(zhuǎn)換，兩個UPS系統(tǒng)的輸出必須保持同步運行，以避免兩者之間進行非同步時的間斷轉(zhuǎn)換，造成負載斷電。實現(xiàn)這個要求的技術(shù)是采用“負載母線同步LBS（LoadBusSync）”控制器。LBS可以使兩個UPS輸出電壓保持出同步，甚至旁路電源不可用時或UPS工作于蓄電池時，使兩個UPS輸出電壓的頻率和相角相同或相差甚小。

（2）分布冗余UPS負載母線同步（LBS）的重要性

LBS可以使兩個獨立的UPS系統(tǒng)保持同步，甚至于當它們的輸入電源不同時。任何UPS都是同步于其旁路電源，只要兩個UPS連接到同一個旁路電源上，在正常情況下，它們就會自動地同步運行。然而，如果UPS工作于蓄電池、不同的備用發(fā)動機組或者是非同步的旁路電源，它們的輸出電壓將不會同步。LBS由一個在UPS上的接口板和一個小的墻掛式帶有簡單的選擇開關(guān)的控制板組成。每個UPS的邏輯和控制器之間無其他任何連接，這就保證了系統(tǒng)的最大的獨立性和隔離。LBS可以用于同步同一廠家的兩個UPS，也可用于同步不同廠家的兩個UPS。有的LBS還可用來同步3個或多個UPS。LBS有主動LBS和被動LBS兩種，實際應用中被動LBS應用較多。

（3）采用單變換UPS系統(tǒng)的雙母線UPS的負載母線同步

具有分布冗余UPS功能的UPS系統(tǒng)中的各個分UPS模塊必須在任何情況下都能相互同步，甚至在各UPS模塊工作于獨立的蓄電池或非同步的備用發(fā)動機時。只有雙變換UPS可以做到這一點（雙變換UPS有變頻的功能）。

單變換UPS（IEC定義為line-interactive）（包括Delta變換UPS）只能同步到為其供電的輸入電源上，不能在由一個AC電源供電時，而同步于另一個AC電源（或同步到另一個UPS電源，或由晶振產(chǎn)生的同步信號）。單變換UPS無變頻的功能。當采用Delta變換UPS構(gòu)成雙母線供電系統(tǒng)時，如果各Delta變換UPS的交流輸入是兩路獨立的市電電源，則在正常情況下，一臺UPS不能同步到另一臺UPS的輸出。

采用Delta變換UPS構(gòu)成分布冗余UPS時，必須采用同一路市電或同一臺油機，或者保證所有UPS上游的交流輸入電源同步（油機和市電），才能保證在市電或油機供電時，雙母線上的兩個UPS輸出同步。另一方面，必須采用系統(tǒng)間同步單元（ISU），才能保證在蓄電池供電時，雙母線上的兩個UPS輸出同步。

3．采用靜態(tài)自動母聯(lián)電路（SAT）的雙母線UPS系統(tǒng)

在有單電源負載和雙電源負載的雙母線UPS供電系統(tǒng)中，可以采用靜態(tài)自動母聯(lián)電路（staticautotie，SAT），原來為單電源負載供電的所有靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（STS）和末端轉(zhuǎn)換開關(guān)均可以取消。而單電源負載保護電源的可用性將大大提高。

在常規(guī)雙母線UPS系統(tǒng)中STS中的兩個靜態(tài)開關(guān)SS中的一個必須在全部時間內(nèi)導通，而采用SAT的雙母線系統(tǒng)中的一個SS除了在轉(zhuǎn)換過程中導通外是不導通的，因而提高了系統(tǒng)的效率和可靠性。如果其中一個UPS發(fā)生故障，SAT將配電母線轉(zhuǎn)換到另一個UPS，配電系統(tǒng)的雙母線結(jié)構(gòu)仍然保留。轉(zhuǎn)換后的配電系統(tǒng)是SAT和一個并聯(lián)冗余UPS的串聯(lián)組合。

4．雙母線UPS系統(tǒng)主輸入和旁路輸入交流電源的選擇

（1）雙母線UPS系統(tǒng)的LBS的作用

雙母線UPS系統(tǒng)的LBS可以保證連接到負載母線的兩個UPS電源同步運行。如果兩個UPS的旁路電源是同一路市電電源，兩個UPS輸出必然同步，此時LBS不起作用。如果兩個UPS的旁路電源不是同一路市電電源，而是兩路市電電源或是兩個獨立的油機發(fā)電機，LBS將使UPS1同步到UPS2（可調(diào)，也可能是UPS2同步到UPS1）。在此情況下，LBS將使UPS1內(nèi)的旁路靜態(tài)開關(guān)關(guān)閉，假如UPS1有故障也不能轉(zhuǎn)向旁路（因為UPS1與其本身的旁路電源不同步）。但配電電路中的STS可以轉(zhuǎn)換，負載不會斷電。同步于其本身旁路的UPS在故障時可以轉(zhuǎn)旁路。

注：假設UPS1同步到UPS2的過程中，發(fā)現(xiàn)UPS1已在旁路上，則LBS將自動將UPS2同步到UPS1。

（2）UPS的主輸入電源和旁路輸入電源的選擇原則

綜上所述，假設采用被動LBS，UPS的主輸入電源和旁路輸入電源選擇的原則是：

1）UPS1、UPS2的旁路輸入電源最好采用同一路市電電源（同一變壓器，或高壓輸入相同且接線組別相同的兩個變壓器）。因旁路是引自同一個變壓器，或引入一路高壓輸入電源的局（站）的兩個接線組別相同的變壓器，故可以保證在正常情況下，LBS不起作用，而兩UPS可以自然同步。

2）UPS1，UPS2的主輸入電源的采用沒有限制（包含兩種情況：與旁路電源相同或不同的電源）。但要考慮如果一路市電電源故障或一個變壓器故障，另一路市電或另一個變壓器可以繼續(xù)供電，保證重要負載不會斷電。

（3）工程設計中UPS輸入電源設計方案

按以上原則，UPS輸入電源可以采用如下方案：

1）UPS1和UPS2的主輸入、旁路輸入采用同一路市電（同一個變壓器）。此方案也可保證平時LBS不起作用，而兩個UPS可以自然同步。但此變壓器故障時將會影響兩個UPS。

2）UPS1的主輸入和旁路輸入采用一路電源（同一個變壓器）；UPS2的主輸入和旁路采用同一路電源（另一變壓器）。兩個變壓器的高壓側(cè)為同一電源且變壓器的組別相同時，可保證平時LBS不起作用而兩個UPS可以自然同步。而且，一臺變壓器檢修時，仍有一臺UPS的主輸入和旁路輸入電源正常，故總有一臺UPS可以正常使用。

5．雙母線UPS系統(tǒng)的AC配電電路

（1）配電電路的重要性

高可用性電源系統(tǒng)要求可靠性、功能性、可維性和故障容限。UPS和負載設備之間的AC配電將最終決定可維性和故障容限指標。實際運行的經(jīng)驗表明，與電源有關(guān)的80%的停機故障是由UPS和關(guān)鍵負載之間的電路中斷引起的。人為操作錯誤、設備故障、負載故障、短路和各種特殊事件都會引起電源系統(tǒng)故障。設備總會出現(xiàn)故障，人為操作錯誤總會發(fā)生。因此，正確選擇UPS向關(guān)鍵負載設備配電的方法，妥善設計配電電路是非常重要的。

（2）雙電源負載的配電電路

具有雙電源線的負載，只要有任何一個電源線供電，該負載就可以正常運行。雙電源負載的每個機柜或機架都由來自兩個獨立的UPS電源供電，可以直接從UPS通過PDU到負載設備（服務器）。也可在PDU和服務器之間增加RDC（遠端配電箱），以簡化分支電路的布線。雙電源負載的供電不需要轉(zhuǎn)換開關(guān)，故不需要LBS。但是，考慮到后期可能增加單電源負載，故建議采用（LBS）。這種配電電路結(jié)構(gòu)可以獲得連續(xù)的可用性。冗余可以擴展到每個負載設備的輸入端。任何一個UPS系統(tǒng)（及其所連接的PDU和RDC）都可以完全斷電進行維護，不會影響關(guān)鍵負載。配電單元（PDU）由輸入隔離變壓器、一個或多個配電板組件和電源監(jiān)控設備的組成。

遠端配電柜（RDC）包括體積很小的配電板組件和電源監(jiān)控設備。典型的RDC設計為適合標準的活動地板蓋板。RDC不包括輸入隔離變壓器，它接受PDU中的斷路器的電源。RDC可以配置為單輸入（所有的配電板由同一個電源供電）、雙輸入（由獨立的電源供電）或4輸入。

當使用PDU變壓器為STS供電時，兩個變壓器的中性線是有意的在一點連接在一起的，并進行中線對地的連接。這保證了STS進行轉(zhuǎn)換時不會產(chǎn)生地電位的偏移或引起中線電流在接地電路中流動（這有可能引起接地故障保護系統(tǒng)動作）。

大多數(shù)局站都有多個配電單元，每個都有一個或兩個PDU變壓器。每個PDU將有一個中線對地的連接，PDU的地將固定接在大樓的接地系統(tǒng)。這保證了每個PDU都為其所連接的設備提供了一個干凈的中線和地線的基準點。

（3）采用靜態(tài)開關(guān)的單電源負載配電系統(tǒng)

1）配電系統(tǒng)的組成

有些服務器是單電源輸入的，因此電源系統(tǒng)設計者必須采取適當?shù)姆椒ūＷC可維護性和故障容限。STS由兩個PDU變壓器供電。STS的輸出供給各個遠端配電柜（箱）（RDC），RDC為各個單個的機架或機柜供電。LBS使兩個UPS系統(tǒng)的輸出保持同步，因此負載可以在它們之間不間斷的轉(zhuǎn)換。

當需要維護UPS1及其PDU時，STS可以手動轉(zhuǎn)換到UPS2及其PDU。于是UPS1及其PDU可以完全斷電進行維護。UPS2及其PDU可以同樣進行維護。此外，如果一個UPS有故障，STS可以自動在它們之間轉(zhuǎn)換。這個配電電路的缺點是：冗余在STS的輸入端終止，STS下游的所有故障都是單點故障。

2）STS的安裝位置

在圖1中，靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)放在一對PDU變壓器輸出的后面。也可以將STS用在單個PDU變壓器的輸入的前面，這樣成本會低一些，但存在變壓器磁化浪涌電流的問題。PDU變壓器在啟動時有磁化電流浪涌，這種浪涌電流可能達到穩(wěn)態(tài)負載電流的8倍，如果輸入到變壓器的電壓短時下降（足以使STS轉(zhuǎn)換到其他的UPS），在STS完成轉(zhuǎn)換時，變壓器就需要重新磁化。對于大容量UPS，這可能不是問題。但是，如果多個STS同時進行從一個UPS向另一個UPS轉(zhuǎn)換，則變壓器激磁浪涌電流就可能成為一個問題。

因此，靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)還是放在一對PDU變壓器輸出的后面好。

（4）采用“末端轉(zhuǎn)換開關(guān)”的單電源負載配電系統(tǒng)

將冗余擴展到更接近負載設備的一個方法是采用“末端轉(zhuǎn)換開關(guān)”的配電系統(tǒng)。“末端轉(zhuǎn)換開關(guān)”是專門用于單個配電箱的智能開關(guān)（smartswitch），這些智能開關(guān)可以安裝在活動地板下面或在負載設備的機架內(nèi)。

采用智能開關(guān)可以使單電源負載設備和雙線負載設備同時安裝在同一個機箱內(nèi)。兩種類型的設備截止至其輸入端子都具有冗余，因此具有最大的可維護性和故障容限。智能開關(guān)與STS不同，STS采用可控硅作為轉(zhuǎn)換裝置，而智能開關(guān)采用繼電器。這種方法的一個優(yōu)點是具有較大的靈活性。系統(tǒng)設計者可以按全部是雙電源負載規(guī)劃和布線，并將雙電源線布放到每一個配電箱，因此雙電源負載可以接入。單個的配電箱和智能開關(guān)也可以按照雙電源負載的要求配置。這種配電系統(tǒng)需要LBS，以使每個UPS系統(tǒng)輸出保持同步。

（5）高可用性的雙母線UPS配電系統(tǒng)

在雙母線UPS供電系統(tǒng)中，RDC的每個輸入采用不同的STS供電。這些STS應使用不同的UPS系統(tǒng)作為它們的首選電源。這將避免100%的負載在一個電源上，而0%的負載在另一個電源上，因而抵消了冗余的優(yōu)點的情況。

這種結(jié)構(gòu)的硬件成本比其他的結(jié)構(gòu)高些，因為需要額外的PDU變壓器和附加的靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)。但整個電源系統(tǒng)完全可以維護，一直到負載設備和智能開關(guān)的輸入端。

量測冗余度：量測量個數(shù)m與待估計的狀態(tài)量個數(shù)n之間的比值m/n。

系統(tǒng)冗余度越高，對狀態(tài)估計采用一定的估計方法排除不良數(shù)據(jù)和消除誤差影響就越好。冗余測量的存在是狀態(tài)估計可以提高數(shù)據(jù)精度的基礎(chǔ)。量測冗余度的高低是決定狀態(tài)估計結(jié)果好壞的重要條件。