衛(wèi)星地球站雙機(jī)并聯(lián)熱備份UPS供配電系統(tǒng)的設(shè)計與實施

韓辰 周穎 江蘇省廣播電視總臺

1.引言

不間斷電源系統(tǒng)（以下簡稱UPS）是保障廣電機(jī)房供配電的關(guān)鍵設(shè)備。江蘇衛(wèi)星地球站原有4臺UPS，采用單路單機(jī)方式分別為2個機(jī)房的主、備路負(fù)載供電。如果其中任何一臺UPS設(shè)備發(fā)生故障，采用單電源方式供電的設(shè)備因此會出現(xiàn)供電中斷，有可能導(dǎo)致節(jié)目播出事故的發(fā)生。

為完善衛(wèi)星地球站供配電系統(tǒng)配置，提高電源系統(tǒng)可靠性，確?！笆糯蟆敝匾コ銎趦?yōu)質(zhì)安全播出，江蘇衛(wèi)星地球站對供配電系統(tǒng)實施了雙機(jī)并聯(lián)熱備份改造。

2.UPS備份模式

目前，UPS設(shè)備系統(tǒng)主要采用3種備份模式：串聯(lián)熱備份、功率均分并聯(lián)備份、并聯(lián)熱備份。

（1）串聯(lián)熱備份

串聯(lián)熱備份系統(tǒng)是將一臺UPS的輸出接到另一臺UPS的旁路輸入，正常運(yùn)行時由一臺UPS供電，另一臺處于備份狀態(tài)，系統(tǒng)工作原理如圖1所示。

該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、控制系統(tǒng)簡單，但系統(tǒng)不能完全滿足備份的基本要求，即僅有兩條供電支路，主機(jī)與備機(jī)不能互為備份。由于系統(tǒng)中存在的幾處瓶頸故障點均能導(dǎo)致系統(tǒng)供電失敗，目前這一系統(tǒng)將逐步被并聯(lián)技術(shù)淘汰。（2）功率均分并聯(lián)備份

圖1 串聯(lián)熱備份原理示意圖

功率均分并聯(lián)備份系統(tǒng)由二臺UPS及通過第三附屬設(shè)備（均分器、并機(jī)柜、并機(jī)板等）組成，正常運(yùn)行兩臺UPS同時輸出，通過第三附屬設(shè)備作有功和無功功率均分，使每臺UPS各承擔(dān)總負(fù)載的一半負(fù)載量。系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 功率均分并聯(lián)備份原理示意圖

圖3 并聯(lián)熱備份原理示意圖

該系統(tǒng)雖然能達(dá)到三條供電支路，兩臺UPS能互為備份，但整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、控制系統(tǒng)復(fù)雜，系統(tǒng)中受自身互相影響及外界影響因素較多，因而其穩(wěn)定性與可靠性受到無法控制的影響，實際運(yùn)行中這些影響容易導(dǎo)致系統(tǒng)運(yùn)行失敗。另外，這種備份系統(tǒng)存在第三附屬設(shè)備這一瓶頸故障點，它的穩(wěn)定也將直接影響系統(tǒng)的可靠性。（3）并聯(lián)熱備份

并聯(lián)熱備份系統(tǒng)通過將兩臺UPS輸出端直接并聯(lián)，正常工作中UPS1、UPS2以及市電旁路正常運(yùn)行，只是通過三個靜態(tài)開關(guān)根據(jù)實際情況選擇其中一路導(dǎo)通供電給負(fù)載，其余兩條供電支路處于熱備份狀態(tài)。系統(tǒng)工作原理見圖3。

該系統(tǒng)綜合了串聯(lián)備份系統(tǒng)和功率均分并聯(lián)的優(yōu)點，系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、控制系統(tǒng)簡單、三條支路獨立供電、兩臺UPS能互為備份等優(yōu)點。它以單機(jī)運(yùn)行模式，達(dá)到雙機(jī)互為備份的效果，消除了瓶頸故障點，實現(xiàn)了各環(huán)節(jié)的并聯(lián)備份。實際運(yùn)行中，并聯(lián)熱備份系統(tǒng)穩(wěn)定，其可靠性大大提高，達(dá)到雙機(jī)備份的根本目的。

3.雙機(jī)并聯(lián)熱備份系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)組成

該系統(tǒng)由兩臺UPS組成，負(fù)載由其中任何一臺UPS承擔(dān)，另一臺處于備份狀態(tài)，雙機(jī)并聯(lián)熱備份系統(tǒng)運(yùn)行原理如圖4所示。系統(tǒng)具有互為備份的功能，在系統(tǒng)中任何一臺UPS發(fā)生故障，負(fù)載仍然能繼續(xù)由系統(tǒng)中的另一臺UPS向負(fù)載供電而不受市電干擾。

從結(jié)構(gòu)上看，兩臺UPS的輸出端直接并聯(lián)，它們的逆變器也共用兩臺UPS的振蕩器，確保UPS1與UPS2同步，并同時與市電旁路直接取得同步。兩臺UPS共用一條市電旁路，該旁路選擇一路市電接入。

從負(fù)載端口看，此備份系統(tǒng)有三條獨立支路供電。正常運(yùn)行時，系統(tǒng)可選擇任何一臺UPS的一條支路供電，另二條供電支路處于熱備份。

運(yùn)行中，任何一臺UPS局部或整體故障，負(fù)載仍能由另一臺UPS不間斷地向負(fù)載繼續(xù)供電。

3.2 主備切換條件

（1）市電中斷和整流器故障時，電池組放電，當(dāng)電池電壓低于320Vdc時，本機(jī)逆變器切換至備機(jī)逆變器工作。

（2）負(fù)載超載至額定負(fù)載（滿載）的125%時，逆變器工作10分鐘后切換至備機(jī)逆變器工作。

（3）散熱風(fēng)扇故障，逆變器工作溫度超過90℃時切換至備機(jī)逆變器工作。

（4）逆變器本身故障時（逆變器控制板、驅(qū)動板或IGBT管故障）切換至備機(jī)逆變器工作。

逆變器切換是通過監(jiān)測總輸出窗口來控制的?？傒敵龃翱谠O(shè)置為額定電壓的±10%（可調(diào)），當(dāng)逆變器監(jiān)測到總輸出電壓超出該窗口范圍將會發(fā)生切換，上述逆變器切換的條件均依據(jù)該控制邏輯。單機(jī)情況將轉(zhuǎn)到緊急旁路供電，如果是熱備份并機(jī)將切換到備機(jī)逆變器供電。

3.3 切換邏輯

雙機(jī)并聯(lián)熱備份系統(tǒng)是建立在單機(jī)的邏輯上的。在單機(jī)工作的情況下，逆變器與旁路是鎖相同步的，當(dāng)逆變器輸出失壓超過10%時，逆變器切換到緊急旁路工作。在并聯(lián)熱備份系統(tǒng)里，因為增加了一路備用的逆變器，所以當(dāng)本機(jī)逆變器切換時就不是直接切換到旁路，而是切換到備用的逆變器上工作。

兩個逆變器間的切換，及逆變器與旁路之間的切換均為無縫切換，在UPS系統(tǒng)中要實現(xiàn)無縫切換首先需要保證兩個切換電源之間是鎖相同步的，然后通過對靜態(tài)開關(guān)的控制，采用先合后開的轉(zhuǎn)換方式來實現(xiàn)。在單機(jī)系統(tǒng)中，逆變器的輸出始終與旁路是鎖相同步的。

在并機(jī)熱備份系統(tǒng)中，首先兩個逆變器的鎖相同步控制信號是互為備份的，在工作時只用到其中一個逆變器的同步控制信號，當(dāng)該同步控制信號失效將自動啟用另一逆變器的同步控制信號。該做法的優(yōu)點在于用一個同步控制信號同時控制兩臺機(jī)的逆變器輸出頻率，這樣保證了兩臺逆變器絕對是同頻（同步）；再以該信號與旁路（市電）做鎖相同步，確保兩個逆變器與市電是同步的，這與單機(jī)的鎖相同步是一樣的。這就確保了“逆變器-逆變器-旁路”之間相互轉(zhuǎn)換做到了無縫轉(zhuǎn)換。

圖4 雙機(jī)并聯(lián)熱備份系統(tǒng)運(yùn)行原理

表1 雙機(jī)并聯(lián)熱備份系統(tǒng)切換邏輯

以圖4的結(jié)構(gòu)為例，假定UPS1和旁路接入A線外電，UPS2接入B線外電，切換情況如表1所示。

4. 系統(tǒng)實施

4.1 地球站1號機(jī)房UPS

根據(jù)功能需求，在原UPS的市電輸入端增加兩個UPS機(jī)房交流輸入柜，除了方便交流電纜走線及操作外，還可將UPS的整流輸入和旁路輸入由一路開關(guān)控制改為兩路開關(guān)單獨控制，這樣就不會因為整流或旁路故障引起整臺UPS沒有市電輸入，造成負(fù)載斷電故障。

原有的四臺UPS保持原位置不變，再新增4臺UPS構(gòu)成雙機(jī)并聯(lián)工作方式。其中UPS1和UPS2構(gòu)成并聯(lián)為1號機(jī)房主路電源負(fù)載供電，UPS3和UPS4構(gòu)成并聯(lián)為1號機(jī)房備路電源負(fù)載供電，地球站1號機(jī)房電源系統(tǒng)配置見圖5。

4.2 地球站2號機(jī)房UPS

UPS5和UPS6構(gòu)成并聯(lián)為2號機(jī)房主路電源負(fù)載供電，UPS7和UPS8構(gòu)成并聯(lián)為2號機(jī)房備路電源負(fù)載供電。地球站2號機(jī)房電源系統(tǒng)配置如圖6所示。

4.3 電源機(jī)房布局

系統(tǒng)改造后，需要多放置4臺UPS主機(jī)和4組電池組，原先的UPS室大小無法滿足使用需求和技術(shù)要求。因此，將原先的UPS室改造為UPS主機(jī)室，只放置UPS主機(jī)和交流輸入柜及其他輔助設(shè)施。同時，新建1個電池室，用于放置原有的UPS電池組和新增的UPS電池組。

4.4 UPS機(jī)房環(huán)境保障與安保監(jiān)控

根據(jù)電池室的實際面積和布局，配置了機(jī)房專用空調(diào)和除濕機(jī)，確保機(jī)房溫濕度符合電池充放電所需環(huán)境；電池架上加裝溫濕度傳感器，通過采集電池室的實時溫度，提供準(zhǔn)確的監(jiān)測值；空調(diào)和除濕機(jī)周圍布放漏水檢測線，可實現(xiàn)對該區(qū)域是否漏水識別與告警；環(huán)境參數(shù)接入網(wǎng)管系統(tǒng)，可實現(xiàn)異態(tài)報警和記錄功能。

電池室內(nèi)部設(shè)置符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的消防監(jiān)控系統(tǒng)，監(jiān)控信息接入?yún)^(qū)域消防聯(lián)防系統(tǒng)，并配置自動氣體滅火裝置。電池室內(nèi)部設(shè)置監(jiān)控攝像機(jī)，全方位實時監(jiān)控電池運(yùn)行狀況，視頻監(jiān)控圖像接入嵌入式數(shù)字硬盤錄像機(jī)記錄并保存。機(jī)房管理人員及安保人員能夠?qū)崟r登錄預(yù)覽和查詢錄像。

5. 結(jié)束語

系統(tǒng)安裝調(diào)試完成后，經(jīng)實際帶載測試，雙機(jī)并聯(lián)熱備份UPS供配電系統(tǒng)的性能達(dá)到設(shè)計要求。兩個逆變器間切換以及逆變器與旁路之間的切換均可實現(xiàn)無縫切換，電源系統(tǒng)所有倒換過程對在線系統(tǒng)設(shè)備的運(yùn)行均無任何影響。雙機(jī)并聯(lián)熱備份UPS項目的實施有效減少了單路市電中斷、單臺UPS故障造成的播出事故隱患，提高了雙路斷電情況下后備電源保障時間，同時也為電源系統(tǒng)的維護(hù)檢修提供了極大的便利。

圖5 地球站1號機(jī)房電源系統(tǒng)配置

圖6 地球站2號機(jī)房電源系統(tǒng)配置