廣播電視臺機房設備采用HVDC高壓直流供電的探索與實踐

范志宏

現(xiàn)狀分析

廣播電視臺作為重要的政府宣傳窗口，同時還為廣大有線電視及無線電視觀眾，提供優(yōu)質(zhì)電視廣播及聲音廣播的服務，其安全播出是至關(guān)重要的。而廣播電視臺的安全播出離不開供電系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性。長期以來，廣播電視部門普遍采用市電或?qū)＞€雙線路電源供電及UPS不間斷電源+后備發(fā)電機的模式，為機房提供電力，這套方案也確實給廣播電視部門提供了較好的供電保障。隨著設備的更新升級，這套系統(tǒng)也暴露出不少問題。

近年來，隨著數(shù)字電視和數(shù)據(jù)業(yè)務的快速發(fā)展，廣播電視前端機房設備對供電的安全性、 可靠性的要求也越來越高， 一般采取 UPS 冗余方式供電， 重要設備更是采用了 UPS雙系統(tǒng)供電保障?；诎踩?，1+1 冗余 UPS 系統(tǒng)的單機負載率控制在 35%以內(nèi)，加上UPS逆變效率較低，容易造成能耗浪費；UPS 并機系統(tǒng)運行對電源的振幅、頻率、相位，以及并機系統(tǒng)中的零地電位差、零線環(huán)流等提出了嚴格要求，導致 UPS 設備的邏輯控制系統(tǒng)（并機）等非常復雜。另一方面，隨著業(yè)務高速發(fā)展，一些機房 UPS擴容需求迫切。新建 UPS系統(tǒng)不僅占用了寶貴的機房空間、配電容量，還制約了機房裝機擴容需求，導致整個電源系統(tǒng)的設備資源利用率低、可靠性差，而且 UPS 系統(tǒng)擴容、更新改造保障難度大。如何提供安全可靠、高效經(jīng)濟的新型數(shù)字電視及數(shù)據(jù)設備用電源系統(tǒng)，顯得十分迫切。

眾所周知直流供電系統(tǒng)的可靠性要高于UPS供電系統(tǒng)，那么我們能不能找到一種新的供電系統(tǒng)來取代UPS供電系統(tǒng)，消除人們的顧慮呢？因此我們對一種新型的高壓直流供電系統(tǒng)做一些應用探討。我臺領導經(jīng)過慎重調(diào)研，決定對廣播電視臺內(nèi)部供電系統(tǒng)做一次全面檢修及升級。這其中，最重要的是對UPS不間斷電源的升級改造。

由于市電雙線路切換及后備發(fā)電機供電技術(shù)已經(jīng)非常成熟，只需進行日常巡檢及維護即可。而我臺的UPS不間斷電源，使用已近二十年，每幾年就要對電池組進行更換。借此機會，我們通過與電信部門、移動通訊部門、電力部門及相關(guān)廠家技術(shù)人員進行溝通交流，決定趁此次更換老化的UPS電池組的機會，對前端機房供電系統(tǒng)進行改造，采用HVDC240V高壓直流供電系統(tǒng)為前端設備提供電力。

2009年12月1日，由中國電信提出的《通訊用240V直流供電系統(tǒng)技術(shù)要求YDB 037—2009》 通過工信部審查，12月10日頒發(fā)。高壓直流供電系統(tǒng)現(xiàn)在已在全國多個城市通訊系統(tǒng)進行試點。而廣播電視前端機房跟通訊機房有很多相似的地方，能否借鑒通訊行業(yè)的成功經(jīng)驗，組建自己的高壓直流供電系統(tǒng)，也成為廣電行業(yè)很關(guān)注的一個問題。我臺領導在考察學習通訊行業(yè)的成功經(jīng)驗后，決定先對我臺廣播電視監(jiān)播機房的配電系統(tǒng)，采用高壓直流供電方案進行試點，成功穩(wěn)定運營一年后再推廣到其他部門。

傳統(tǒng)的UPS供電模式及其缺陷

UPS（Uninterruptible Power System）也就是不間斷電源系統(tǒng)，誕生于上世紀六十年代。傳統(tǒng)UPS不間斷電源供電系統(tǒng)的供電方式，要求交流電源輸入。交流UPS系統(tǒng)由整流器、逆變器、蓄電池和靜態(tài)開關(guān)等組成。在市電正常時，市電交流電源經(jīng)整流器變換為直流電供給逆變器，同時給蓄電池充電，逆變器將直流電變換為50Hz交流電供給負載。在停電時，蓄電池放出電能，通過逆變器變換為交流電，供給負載。為了提高設備供電的可靠性，通常采取了多臺UPS冗余并機的方式，如1+1系統(tǒng)。UPS的出現(xiàn)，是由于一些重要設備，如航天控制、醫(yī)療儀器、金融系統(tǒng)、計算機、數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)等，不能斷電而產(chǎn)生的。她的誕生，對信息革命產(chǎn)生了十分重大的影響。

但是，此系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也出現(xiàn)了以下一些缺點：

可靠性低

UPS 交流電源系統(tǒng)，就單臺設備而言，通過冗余技術(shù)可以使UPS設備本身的可靠性大為提高，但就整個UPS供電系統(tǒng)而言，有很多不可備份的系統(tǒng)單點故障點，比如同步并機板、靜態(tài)開關(guān)、輸出切換開關(guān)、逆變器等，這些單點故障點，都可能導致整個通訊系統(tǒng)“掉電”癱瘓。即使采用相對可靠的串聯(lián)熱備份系統(tǒng)，切換電路的單點故障也容易造成整個通訊系統(tǒng)“掉電”癱瘓，尤其是瞬間過載的容錯能力差，一旦主機過載保護切換到備機，備機由于瞬間浪涌也同時過載保護自動切換到旁路，對于過去有人值守的機房可以立即人工處理，但現(xiàn)在普遍采用機房無人值守，一旦發(fā)生故障，恢復時間較長，危害很大。

能耗較高

由于UPS 中采用了逆變器，逆變頻率為工頻50Hz，必須采用工頻變壓器，所以功率因數(shù)低，效率較低。正常情況下單機效率一般在60%-70%。為保證前端設備用電的安全可靠性，目前廣電部門用UPS電源系統(tǒng)，均配置在線式串聯(lián)熱備份或N+1并機冗余模式；在N+1并機冗余模式中，由于交流電源振幅、頻率、相位等參數(shù)嚴格要求同步，使得并機冗余模式控制系統(tǒng)復雜，隨著N數(shù)值的增大，系統(tǒng)可靠性大大降低，所以最常見的配置為1+1并機冗余系統(tǒng)或2+1并機冗余系統(tǒng)，這就使得系統(tǒng)效率進一步降低，一般在40%-50%。同時，由于蓄電池平時基本處于休眠狀態(tài)，為了保護蓄電池，每隔一段時間就要對電池組進行放電處理，白白耗費能量，如果在放電過程中恰逢市電出現(xiàn)故障，那對廣播電視的安全播出將是災難性的。實際使用中業(yè)務的發(fā)展是一個漸進的過程，兼顧到建設周期和業(yè)務發(fā)展規(guī)劃，這使得UPS系統(tǒng)平均使用效率只有 20%-30%。這個能耗指標在過去前端設備耗能的絕對值較小，UPS系統(tǒng)效率低下往往被人們忽視。而目前正處在數(shù)字電視和數(shù)據(jù)業(yè)務迅猛發(fā)展時期，數(shù)據(jù)業(yè)務將漸漸變?yōu)橹髁鳂I(yè)務，IT設備的能耗越來越受重視，顯然，這種低效率是無法忍受的。

維護、擴容難度大

隨著廣播電視技術(shù)的不斷發(fā)展，數(shù)字電視及數(shù)據(jù)通訊逐漸成為主體已經(jīng)成為不爭的事實。隨著數(shù)據(jù)業(yè)務比重逐步增大，按照現(xiàn)在的設備供電模式，會有大量的在網(wǎng)UPS系統(tǒng)擴容、大量新的UPS系統(tǒng)投入運行。因為UPS擴容涉及到電源的頻率、電壓、相序、相位、波形等問題，不像直流電源系統(tǒng)擴容只關(guān)注電壓一個參數(shù)，所以每一次UPS在線擴容都是一次巨大的風險操作，甚至可能因為UPS制造商產(chǎn)品更新?lián)Q代使得UPS擴容不可能，使得UPS單臺故障時沒有設備替換。另外逆變器也是UPS系統(tǒng)中較容易出現(xiàn)問題的地方，一旦逆變器出故障，將造成嚴重的停播事故，導致災難性后果。

高壓直流電源系統(tǒng)簡介

通訊用高壓直流電源又稱HVDC（High Voltage Direct Current），是一種新型的直流不間斷供電系統(tǒng)，近年來在通訊行業(yè)的運用悄然興起。這里說的高壓是相對傳統(tǒng)的-48V直流通訊電源而言。HVDC系統(tǒng)主要由交流配電單元、整流模塊、蓄電池、直流配電單元、電池管理單元、絕緣監(jiān)測單元及監(jiān)控模塊組成。正常工作情況下，整流模塊將交流配電源輸出的220V或380V交流轉(zhuǎn)換成240V高壓直流，高壓直流經(jīng)直流配電單元給通訊設備供電，同時也給蓄電池充電。當交流輸入發(fā)生故障時，直流由蓄電池給通訊設備供電，可以說這是一種真正的不間斷電源！

高壓直流應用原理十分簡單，就是利用用電設備開關(guān)電源功能，使用高壓直流電進行電壓高頻變換的原理，直接為用電設備提供直流電源。

由于現(xiàn)在幾乎所有電信及通訊、廣播電視前端設備均采用開關(guān)電源進行整流降壓，給設備提供電能，而開關(guān)電源的電壓適應范圍極寬，通常可達到AC90V～270V，整流后的電壓為200～300V直流，再進行高頻振蕩、整流等處理，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓，輸出低壓直流電源給用電設備。開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用幾乎所有的電子設備，是當今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。有了這一前提，為用電設備直接提供高壓直流就變得極為容易。

高壓直流是指大小（電壓高低）和方向（正負極）都不隨時間（相對范圍內(nèi)）而變化，比如電池。脈動直流電是指方向（正負極）不變，但大小隨時間變化，比如：我們把50Hz的交流電經(jīng)過二極管整流后得到的就是典型脈動直流電，半波整流得到的是50Hz的脈動直流電，如果是全波或橋式整流得到的就是 100Hz的脈動直流電，電流大小周期性改變，不能直接使用，它們只有經(jīng)過濾波（用電感或電容）以后才變成平滑直流電，當然其中仍存在脈動成分（稱紋波系數(shù)），大小視濾波電路的濾波效果。目前商用的高壓直流都是經(jīng)過配電箱大容量電容或電感濾波處理過的，其波形較為平滑，比交流電顯然“干凈”得多。

由于設備的開關(guān)電源前級為整流橋， 并為后級提供一個波動的高壓直流，整流橋后的高壓直流范圍為： DC250 -336v （交流輸入為： AC220V ），對于直流輸入而言， 整流橋可視為直通。全橋二極管整流電路對直流電可以直接輸入，只要直流電壓能夠達到200V以上就可以使用！所以，只要在交流輸入端使用合適范圍的高壓直流，設備的開關(guān)電源是可以正常工作的，這在理論上首先保證了方案的可實施性。目前，我國通訊行業(yè)經(jīng)過大量的理論論證及實驗，決定高壓直流電壓選取240V，直接為通訊設備的開關(guān)電源供電，電流流程與常用交流供電十分相似。如圖4所示：

從圖4中可以看出，不管開關(guān)電源輸入端正插還是反插直流電源，經(jīng)過整流后的電流方向都跟使用交流電整流后的效果是一樣的。由于高壓直流或電池組提供的直流電脈沖幾乎為零，電流更平滑。

高壓直流供電系統(tǒng)的優(yōu)點

高可靠性

這點可以從三個方面體現(xiàn)：一是采用直流供電，蓄電池可以作為電源直接并聯(lián)在負載端，當停電時，蓄電池的電能可以直接供給負載，確保供電的不間斷。二是直流供電只有電壓幅值一個參數(shù)，各個直流模塊之間不存在相位、相序、頻率需同步的問題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單很多。由于交流市電與機房內(nèi)的高壓直流配電系統(tǒng)隔離，將市電及雷擊的影響降到最小，可靠性大大提高。三是交流UPS系統(tǒng)雖然可以提高冗余度來提高安全系數(shù)，但是由于涉及到同步問題，每個模塊之間必須相互通訊來保持同步，所以還是存在并機板的單點故障問題。而直流模塊沒有這些問題，即使脫離控制模塊，只要保持輸出電壓穩(wěn)定，也能并聯(lián)輸出電能。

高效節(jié)能

工作效率提高和交流UPS系統(tǒng)相比，直流供電省掉了逆變環(huán)節(jié)，而一般逆變的損耗在5%左右，因此電源的效率得以提高。其次，由于廣電前端輸入的是直流電，也就不存在功率因數(shù)及諧波的問題，降低了線損。最后由于并機技術(shù)簡單，可以采用大量的模塊并聯(lián)，使每個模塊的使用率可達到70%～80%，比起交流UPS系統(tǒng)提高了不少。

可維護、擴容便捷

采用高壓直流供電，就如交換設備使用的-48V直流系統(tǒng)一樣，系統(tǒng)由模塊組成，維護人員可以自己進行維護。因為是直流輸入沒有零線，因此，也就不存在“零地”電壓差，避免了一些不明的故障，維護部門也無需再費時費力去解決“零地”電壓的問題，這對提供高質(zhì)量視頻和音頻廣播很有幫助。另外，由于高壓直流電無對地電壓，不易發(fā)生觸電事故，安全性更高。

由于采用模塊化結(jié)構(gòu)，現(xiàn)在一個模塊的容量一般在10KW左右，只要預留好機架位置，擴容非常方便。同時在建設時，可以根據(jù)設備的數(shù)量逐漸增加模塊數(shù)，使每個模塊的負載率可以盡量的提高，這對于節(jié)能也是非常有好處的。

HVDC 與 UPS的主要區(qū)別

從下圖中可以看出，HVDC與UPS的主要區(qū)別是電池組的位置及省卻了逆變器，供電效率較高：

HVDC高壓直流供電系統(tǒng)改裝要點

我臺首先改造的是監(jiān)播機房。因為監(jiān)播機房出問題，并不會影響到廣播電視的正常播出。待監(jiān)播機房高壓直流配電系統(tǒng)改造完成并投入實際運行一年后，積累了更多經(jīng)驗，再對其他機房進行改造。安全播出是廣播電視的生命，馬虎不得。

1、電池組為整流器的冗余，在系統(tǒng)饋出母線實現(xiàn)系統(tǒng)模塊整流輸出與電池組并聯(lián)；在市電異常的情況下，蓄電池組直接提供保障電源。

2、 240V高壓直流輸出方式采用“懸浮供電”，一改-48V 直流系統(tǒng)正極接地方式，即系統(tǒng)輸出與機架、機殼、工作地、保護地隔離（240V高壓直流的正極、負極均不允許接地），要有明顯標識標明該系統(tǒng)輸出不能接地。實施起來其實很簡單，就是將高壓直流電按交流市電的接法，接入系統(tǒng)電源開關(guān)及插座即可。由于高壓直流無對地電壓差，不易發(fā)生觸電事故，故相對交流系統(tǒng)，提高了維護人員的安全性。而各種設備內(nèi)部的開關(guān)電源變壓整流后的低壓直流電保持原狀，負極可以接地。

3、雖然設備插頭不論正插、反插都可以正常工作，而不損壞設備，但我們還是規(guī)定所有插座采用統(tǒng)一接法。類似強電系統(tǒng)“左零右火中接地”的接法，我們參照電信施工標準，對240V高壓直流采用PDU（Power Distribution Unit）電源分配單元插座（主要是機柜電源插座），此類插座內(nèi)置斷路器，有過流保護的功能。

網(wǎng)上曾有人撰文，認為高壓直流不能直接為服務器ATX電源供電。為慎重起見，我們對監(jiān)播機房的正在工作的計算機及服務器暫時不接入高壓直流系統(tǒng)，而是仍使用專用的220V交流供電，另外用240V高壓直流接上幾臺閑置的服務器和家用電腦，測試高壓直流對ATX電源系統(tǒng)的影響。但我們經(jīng)過近一年的測試及觀察，沒發(fā)現(xiàn)任何問題，現(xiàn)已全部將服務器接到高壓直流電上，工作正常。

4、對于部分交換機，由于采用的是原通訊行業(yè)-48V供電標準，是不能直接使用240V高壓直流供電的。這里有兩個解決辦法，一是將-48V開關(guān)電源模塊更換為220V的，二是從電池組中跳線，抽取出-48V電源，使用專線給設備供電。

5、為安全起見，嚴禁帶電插拔直流電源輸入輸出插頭。因為高壓直流容易引起直流拉弧，必須在關(guān)閉設備電源開關(guān)的情況下，才能拔插設備電源插頭。這需要在設備電源引入處進行警示，同時嚴禁將采用變壓器供電的設備帶入機房使用。

6、系統(tǒng)改造必須電力專業(yè)牽頭，由有強電操作證書的專業(yè)電工實施，全程監(jiān)督，方案要會審。

7、對廣播電視臺核心網(wǎng)絡、信源編碼復用平臺、信道傳輸網(wǎng)絡、BOSS運營支撐系統(tǒng)、CAS、EPG、光傳輸系統(tǒng)等設備等，暫時仍采用原有UPS系統(tǒng)供電。如現(xiàn)有UPS系統(tǒng)存在使用年限長、負荷重、故障率高、供電可靠性差等問題，從保障播出安全、兼顧設備折舊的角度考慮，結(jié)合今年的電源安全隱患整治工作，采用高壓直流系統(tǒng)建立可靠的備份供電系統(tǒng)。

8、對部分低功耗的分前端或光工作站，如果UPS系統(tǒng)未老化，暫時使用。因為目前高壓直流供電系統(tǒng)需要多組電池串接使用，成本稍高于12～24V蓄電池組，故對低功耗的分前端或光工作站，還是使用UPS更經(jīng)濟（只需12～24V蓄電池組）。但隨著高壓直流設備的不斷完善，以后也將出現(xiàn)小型240V高壓直流電池組，則完全可取代傳統(tǒng)UPS電源。

高壓直流解決了哪些問題？

1. 適應性強，240V直流供電系統(tǒng)能夠支持廣播電視設備的主要電源標準（ATX、SSI標準）

2. 供電系統(tǒng)可靠性大大提高。我臺監(jiān)播機房240V高壓直流系統(tǒng)已使用一年，目前所有系統(tǒng)運行穩(wěn)定，解決了UPS系統(tǒng)故障頻發(fā)、系統(tǒng)阻斷問題。

- 分散供電模式

- 蓄電池直接向負荷供電

- 擴容方便，可維護性強

3.不存在“零地”電壓差問題，與市電完全隔離，可靠性更高

4.由于無對地電壓，不易發(fā)生觸電事故，安全性更高

5.節(jié)能效果明顯，普遍節(jié)電25～30%

6.節(jié)省投資40%以上，減少超前投資50%以上

7.全部采用國產(chǎn)電源設備

8.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相比UPS系統(tǒng)更為簡單可靠，節(jié)省機房空間

實驗結(jié)論：廣電機房設備高壓直流供電取代UPS是明顯的趨勢

結(jié)束語

國內(nèi)廣電部門使用HVDC高壓直流供電系統(tǒng)還處在起步階段，我臺也在摸索高壓直流應用的穩(wěn)定性與可靠性。直流電源系統(tǒng)具有設備初期投資少、可靠性高、維護方便、可安全擴容、運行維護費用較低的特點，對于廣播設備等精密電子設備干擾小，具有良好的電磁兼容性，尤其有利于廣播電視系統(tǒng)的高質(zhì)量、穩(wěn)定、安全運行。因此，無論從理論上探討還是實際使用情況統(tǒng)計分析，結(jié)論是直流電源供電系統(tǒng)的效率、安全性和可靠性比交流電源供電系統(tǒng)（UPS 系統(tǒng)）要高。利用高壓直流對廣電前端設備及IP設備供電，改變了傳統(tǒng)的供電模式，將以一個全新的理念注入廣電電源行業(yè)，受到業(yè)界的高度關(guān)注，尤其是經(jīng)濟效益和社會效益顯著，相信很快會被廣播電視運營商接受。