廣播電視UPS 系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)分析

楊俊杰

(蘇州市廣播電視總臺,蘇州 215021)

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

對廣播電視系統(tǒng)來說,UPS 電源通常是播控設(shè)備、直播設(shè)備等重要設(shè)備的最后一道供電保障,特別在國家廣播電視總局出臺《廣播電視安全播出管理規(guī)定及實(shí)施細(xì)則》(總局62 號令)后,廣播電視系統(tǒng)對UPS 的應(yīng)用有了更加明確的規(guī)范性要求,其UPS 電源設(shè)計(jì)方案的可靠性、合理性受到越來越多的重視與探討。

在《廣播電視安全播出管理規(guī)定及專業(yè)實(shí)施細(xì)則》(第62 號令)中,對UPS 系統(tǒng)配置應(yīng)用方面重點(diǎn)引用了GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》中的數(shù)據(jù)機(jī)房分級應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn),其分級標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

UPS 電源系統(tǒng)分級配置標(biāo)準(zhǔn)表 表1

2 系統(tǒng)配置方式

2.1 配置方式的選擇

供配電系統(tǒng)作為廣播電視技術(shù)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié),其系統(tǒng)設(shè)置有著嚴(yán)格的安全指標(biāo)規(guī)定。 根據(jù)覆蓋范圍的不同,廣播電視中心保障等級劃分為一級、二級、三級,供配電系統(tǒng)應(yīng)嚴(yán)格對應(yīng)保障等級在專用電源、自備電源、專用變壓器、不間斷電源(UPS)、后備時(shí)間等方面進(jìn)行不同的配置。 在《廣播電視安全播出管理規(guī)定及實(shí)施細(xì)則》(總局62 號令)中,不同保障等級的廣播電視中心供配電系統(tǒng)的規(guī)定如表2 所示,該規(guī)定在實(shí)踐中已運(yùn)行多年,相對穩(wěn)定。

廣播電視中心供配電配置標(biāo)準(zhǔn)表 表2

廣播電視的技術(shù)系統(tǒng)包括總控、直播轉(zhuǎn)播、節(jié)目制作、數(shù)據(jù)傳輸、節(jié)目信號發(fā)射監(jiān)測與接收等系統(tǒng)。 1 級廣播電視中心的主備播出設(shè)備、雙電源播出設(shè)備,應(yīng)選擇A 級機(jī)房UPS 系統(tǒng)配置;1 級廣播電視中心的其他重要技術(shù)設(shè)備以及2、3 級廣播電視中心的主備、雙電源播出設(shè)備,可選擇B 級機(jī)房UPS 系統(tǒng)配置。 一個(gè)省級臺的項(xiàng)目由于工藝需求不同、供配電等級不同,項(xiàng)目中可能會有A 級、B級、C 級三個(gè)不同等級的機(jī)房UPS 設(shè)置,而其中的A級機(jī)房還應(yīng)根據(jù)工藝需求在2N 和M(N+1)系統(tǒng)中進(jìn)行準(zhǔn)確選擇。

在UPS 系統(tǒng)的電源輸入柜、主機(jī)輸入柜輸出柜、負(fù)載輸出柜等各環(huán)節(jié)裝置中,應(yīng)合理采用空氣開關(guān)上下級完全選擇性配合等多項(xiàng)安全措施,以保證供電系統(tǒng)不越級跳閘,同時(shí)配置方式應(yīng)使故障在最小范圍得到有效控制并通過容錯(cuò)或冗余配置合理撤出系統(tǒng)。 接下來對A、B 級機(jī)房UPS 電源配置的分析探討,針對不同供電保障等級,合理確定UPS系統(tǒng)配置方式,以保障系統(tǒng)使用達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 N+1 并聯(lián)冗余的配置方式(B 級數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn))

UPS 系統(tǒng)的第一類故障來源為UPS 主機(jī)或電池的故障,為應(yīng)對這類故障風(fēng)險(xiǎn),UPS 系統(tǒng)可采用雙主機(jī)(或模塊化的多主機(jī),本文以雙主機(jī)為例進(jìn)行探討)、雙電池的N+1 并聯(lián)冗余模式的配置方式,其供電方式:2 臺UPS 主機(jī)由同一母線輸入電源,并經(jīng)同一母線共同為負(fù)載供電。 UPS 系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí),2 臺主機(jī)自動均分負(fù)荷,各自承擔(dān)總負(fù)荷的50%;一臺主機(jī)或一套電池發(fā)生故障時(shí),UPS 自動退出運(yùn)行,所有負(fù)荷在0s 轉(zhuǎn)換時(shí)間下切換至剩余UPS;如果發(fā)生系統(tǒng)過載的情況,整個(gè)UPS 系統(tǒng)轉(zhuǎn)旁路運(yùn)行。

N+1 并聯(lián)冗余配置具有容錯(cuò)冗余和擴(kuò)容雙重功能,根據(jù)資料,N+1 并聯(lián)冗余系統(tǒng)的平均無故障時(shí)間(MTBF)是單機(jī)系統(tǒng)的5.5 倍,大大增高了可靠性。 圖1 所示為N+1 并聯(lián)冗余接線圖。

2.3 2N 雙母線冗余的配置方式(A 級數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn))

UPS 系統(tǒng)的第二類故障來源為UPS 系統(tǒng)至負(fù)荷之間配電線路的故障。 為應(yīng)對這類故障風(fēng)險(xiǎn),UPS 系統(tǒng)可采用2N 雙母線冗余的配置方式,其供電方式:2 臺UPS 主機(jī)(或2 組模塊化的并聯(lián)主機(jī),本文以雙主機(jī)為例進(jìn)行探討)由2 段獨(dú)立的母線輸入電源,并經(jīng)2 段獨(dú)立母線分別為負(fù)荷供電。 正常運(yùn)行時(shí),每臺主機(jī)承擔(dān)總負(fù)荷的50%;當(dāng)1 套系統(tǒng)的主機(jī)、電池發(fā)生故障或是主機(jī)至負(fù)荷之間配電線路發(fā)生故障時(shí),所有負(fù)荷切換至剩余UPS。 對于雙輸入端子的設(shè)備,其2 路負(fù)荷電源分別取自2 套獨(dú)立的UPS 系統(tǒng),當(dāng)1 套UPS 系統(tǒng)的任何設(shè)備或線路發(fā)生故障,負(fù)荷在0s 轉(zhuǎn)換時(shí)間下自動切換至剩余的UPS;對于單輸入端子設(shè)備,其負(fù)荷電源接在靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(STS)的輸出端,2 套UPS 系統(tǒng)電源分接在靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(STS)的輸入端,當(dāng)一套UPS 系統(tǒng)上的任何設(shè)備和線路發(fā)生故障,負(fù)荷經(jīng)轉(zhuǎn)換時(shí)間為1/4周波,STS 切換至剩余UPS。

圖1 N+1 并聯(lián)冗余接線圖

2N 雙母線冗余系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)冗余,在N+1并聯(lián)冗余系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了容錯(cuò)能力。圖2 所示為2N 雙母線冗余接線。

2.4 M(N+1)冗余的配置方式(A 級數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn))

除2N 雙母線冗余外,M(N+1) 冗余的配置方式也是廣播電視UPS 系統(tǒng)中最常用的方式之一,其中以M=2 即2(N+1)配置方式在1 級廣播電視系統(tǒng)中應(yīng)用較廣。 其供電方式:四個(gè)主機(jī)、四套電池兩兩組成2 段獨(dú)立的并聯(lián)母線,2 段獨(dú)立母線分別為負(fù)荷供電。 正常運(yùn)行時(shí),每臺主機(jī)承擔(dān)總負(fù)荷的25%;當(dāng)1 套系統(tǒng)的主機(jī)、電池發(fā)生故障時(shí),故障系統(tǒng)所承擔(dān)的負(fù)荷切換至與之并機(jī)的UPS 系統(tǒng);當(dāng)一段母線至負(fù)荷之間配電線路發(fā)生故障時(shí),另一段母線承擔(dān)全部負(fù)荷。

該配置方式結(jié)合了N+1 系統(tǒng)與2N 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),為從電源入口到關(guān)鍵負(fù)載的所有線路提供了全方位的冗余,即使在并行維護(hù)的過程中,也仍存在冗余,無需將負(fù)載轉(zhuǎn)換到旁路模式。

圖2 2N 雙母線冗余接線圖

通過以上分析可以看出,在滿足保障等級前提下,若負(fù)荷以單輸入端子設(shè)備為主,則N+1 并聯(lián)冗余的配置模式可減少STS 的使用從而更為適宜, 因?yàn)镾TS 意味著單故障點(diǎn)及復(fù)雜的故障模式;若負(fù)荷以雙輸入端子設(shè)備為主,則2N 雙母線冗余的配置模式的可靠性更強(qiáng);在經(jīng)濟(jì)成本與空間場地均能接受且重點(diǎn)關(guān)注高可靠性的情況下,則應(yīng)使用M(N+1)冗余的配置方式。 具體在應(yīng)用實(shí)踐中,可根據(jù)實(shí)際情況將三種配置模式靈活組合使用。 圖3 所示為2(N+1)雙母線冗余接線。

此外,按GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.2.2 條,在市電電源質(zhì)量有相對保障的情況下,A 級數(shù)據(jù)中心還可采用1 路(N+1)UPS 與1 路市電供電的雙母線冗余模式,但這種方式在廣播電視系統(tǒng)中應(yīng)用較少,具體可參閱18DX009《數(shù)據(jù)中心工程設(shè)計(jì)與安裝》。

2.5 UPS 系統(tǒng)輸入電源的配置

UPS 系統(tǒng)的第三類故障來源為UPS 系統(tǒng)上級電源。 為應(yīng)對這類故障風(fēng)險(xiǎn),N+1 并聯(lián)冗余模式的2 路輸入電源應(yīng)采用自動轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行自動切換,且2 路電源應(yīng)保證對應(yīng)不同的外部電源或1 路外部電源與1 路柴油發(fā)電機(jī)電源。 對2N 及2(N+1)雙母線冗余模式而言,2 路輸入電源之間可不裝設(shè)自動轉(zhuǎn)換開關(guān),但應(yīng)保證2 路電源對應(yīng)于不同的外部電源,且柴油發(fā)電機(jī)電源已接入工藝變壓器低壓側(cè)(或高壓側(cè))的主母排。

圖3 2(N+1)雙母線冗余接線圖

此外,廣播電視系統(tǒng)還有其自身的特殊性,一些UPS 供電的重要播出設(shè)備自啟用后就不再有檢修時(shí)間窗口,這為輸入電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的維護(hù)、維修帶來很大不便。 為了克服這一問題,廣播電視系統(tǒng)中廣泛釆用一體式帶維修旁路的自動轉(zhuǎn)換開關(guān),也可對現(xiàn)有自動轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行組合式線路改造,增設(shè)手動維修旁路開關(guān)。 圖4 所示為自動轉(zhuǎn)換開關(guān)雙維修旁路原理。

圖4 自動轉(zhuǎn)換開關(guān)雙維修旁路原理圖

3 蓄電池的容量計(jì)算

3.1 單體電池電壓的選擇

單體電池電壓主要分為2V、12V 兩種,對于同一類型的VRLA(閥控式密封鉛酸)蓄電池來說,兩種電壓的電池放電特性基本相似,沒有明顯區(qū)別,一般2V 蓄電池通常容量比較大,在通信行業(yè)、電力系統(tǒng)直流電源中被廣泛應(yīng)用,而對于UPS 系統(tǒng)來說,因?yàn)閁PS 電源的直流工作電壓較高,所以12V電池在成本、安裝空間等方面比2V 電池更有優(yōu)勢。因此,下文中提到的電池容量計(jì)算將以廣播電視UPS 系統(tǒng)中應(yīng)用更為普遍的12V 電池為例,2V 電池的容量計(jì)算原理與之相同。

3.2 容量計(jì)算方式的選擇

我國傳統(tǒng)的計(jì)算蓄電池容量的方法為安時(shí)法,其在GB 51194-2016《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中有詳細(xì)描述,而當(dāng)前蓄電池生產(chǎn)廠家普遍采用的是恒功率(或恒電流)法,其使用更為方便。這兩種計(jì)算方式從理念上來講是一致的,特別是安時(shí)法中的放電容量系數(shù)的取值不再依據(jù)GB 51194-2016 表5.2.4 中的經(jīng)驗(yàn)取值,而是直接采用蓄電池廠家的放電數(shù)據(jù)表進(jìn)行計(jì)算,其精確度會大大提高。 下面對兩種計(jì)算方式分別進(jìn)行實(shí)例計(jì)算及電池選型,并進(jìn)行對比。

3.3 安時(shí)法

按GB 51194-2016《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.4 條,蓄電池組容量計(jì)算如式(1)所示:

式中,Q 為蓄電池總?cè)萘?Ah; K 為安全系數(shù),取1.25; I

為負(fù)荷電流,A;T 為放電小時(shí)數(shù),h; η 為放電容量系數(shù);α 為電池溫度系數(shù),1/℃,當(dāng)放電小時(shí)率≥10,取α = 0.006;當(dāng)10 ＞放電小時(shí)率≥1,取α = 0.008;當(dāng)放電小時(shí)率＜1,取α = 0.01;t 為實(shí)際電池所在地最低環(huán)境溫度,℃,所在地有采暖設(shè)備時(shí),按15℃考慮;無采暖設(shè)備時(shí),按5℃考慮。

3.3.1 蓄電池總?cè)萘縌

按GB/T 19638.1-2014《固定型閥控式鉛酸蓄電池第1 部分:技術(shù)條件》第6.17 條容量性能試驗(yàn),計(jì)算出的蓄電池容量指的是放電10 小時(shí)率額定容量。

3.3.2 負(fù)荷電流 I

按GB 51194-2016 第5.2.5 條,負(fù)荷電流計(jì)算如式(2)所示:

式中,P

為輸出有功功率,W;μ 為逆變器效率,一般可達(dá)0.95;U 為蓄電池放電時(shí)逆變器的輸出電壓,V。

3.3.3 蓄電池放電時(shí)逆變器的輸入電壓 U

廣播電視系統(tǒng)采用的UPS 容量在20kVA 以上時(shí)為三相輸出,其逆變器的直流輸入標(biāo)稱電壓為384 ～420V,按GB 51194-2016《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.1.3 條,12V 單體電池的浮充電壓為13.20～13.62V,按不利情況取浮充電壓為13.20V。

按DL/T 5044-2014 《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》附錄C,每組蓄電池節(jié)數(shù)n (只)的數(shù)量如式(3)所示:

式中,Un為直流電源標(biāo)稱電壓,V; Uf為單體蓄電池浮充電壓,V。

按GB 51194-2016《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.5 條,2V 單體電池的放電輸出電壓取1.85V,12V 單體電池的放電輸出電壓則取1.85×6=11.1(V)。 蓄電池放電時(shí)逆變器的輸入電壓U(V)如式(4)所示:

3.3.4 放電小時(shí)數(shù)T

國家廣播電視總局出臺《廣播電視安全播出管理規(guī)定及實(shí)施細(xì)則》之后,廣播電視UPS 系統(tǒng)的放電小時(shí)率統(tǒng)一要求為0.5。

3.3.5 放電容量系數(shù)η

在GB 51194-2016《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》表5.2.4 中,列出了放電容量系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)取值,但是在實(shí)踐過程中會發(fā)現(xiàn),不同品牌不同型號的電池放電容量系數(shù)有著較大的差異,特別是高功率電池的放電容量系數(shù)實(shí)際值與該表給出的經(jīng)驗(yàn)取值差異更大,所以建議通過電池廠家提供的放電參數(shù)來計(jì)算放電容量系數(shù)會更為準(zhǔn)確,比如一款玻璃纖維隔板(AGM)閥控式密封12V 200AH 電池的放電容量系數(shù)如表3 所示。

一款12V 200AH 電池的放電參數(shù)表 表3

通過表3 可以看出,隨著電池生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步,電池放電容量系數(shù)的實(shí)際值已經(jīng)和規(guī)范給出的經(jīng)驗(yàn)值有了較大的差異,所以在計(jì)算過程中取實(shí)際值可以得到更為精準(zhǔn)的結(jié)果。

3.4 恒功率法

恒功率法的計(jì)算原理為:UPS 系統(tǒng)放電過程中,輸出功率基本恒定,而蓄電池的放電電壓逐步降低、放電電流逐步增大,直到放電電壓下降至終止電壓。 因此,在恒功率條件下蓄電池廠家進(jìn)行不同放電小時(shí)率的放電性能測試,并將參數(shù)提供給用戶,比如表3 中就列出了一款12V 200AH 電池的恒功率放電參數(shù)。

恒功率法的計(jì)算方法為將安時(shí)法中的式(2)、(4)代入式(1),并簡化可得式(5):

式中,W 為放電功率,W,折算至2V 單體電池的放電功率; K 為安全系數(shù),取1.25; P 為輸出有功功率,W;μ 為逆變器的效率,一般可達(dá)0.95; n 為每組蓄電池節(jié)數(shù);α 為電池溫度系數(shù),1/℃,當(dāng)放電小時(shí)率≥10,取α = 0.006;當(dāng)10 ＞放電小時(shí)率≥1,取α = 0.008;當(dāng)放電小時(shí)率＜1,取α = 0.01;t 為實(shí)際電池所在地最低環(huán)境溫度,℃,所在地有采暖設(shè)備時(shí),按15℃考慮;無采暖設(shè)備時(shí),按5℃考慮。

3.5 恒功率法的另一種簡略算法

在實(shí)際負(fù)載有功功率尚不明確,僅已知UPS 主機(jī)額定容量的情況下,蓄電池廠家在使用恒功率法計(jì)算電池容量時(shí)一般采用另一種簡略算法,如式(6)所示:

式中,W 為放電功率,W,折算至2V 單體電池的放電功率;S

為UPS 主機(jī)額定容量,VA; cosφ 為負(fù)載功率因數(shù),統(tǒng)一取1;μ 為逆變器的效率,一般可達(dá)0.95;n

為每組蓄電池節(jié)數(shù)。在這種算法中,電池容量不再進(jìn)行安全系數(shù)及溫度系數(shù)的修正,主要是因?yàn)閁PS 主機(jī)本身就存在使用安全系數(shù),負(fù)荷率一般不超過額定容量的90%,此外,將負(fù)荷功率因數(shù)統(tǒng)一取值為1,相當(dāng)于又進(jìn)行了一次粗略的修正,所以這種算法的最終結(jié)果基本可用。

4 結(jié)束語

按廣電總局規(guī)定,UPS 系統(tǒng)檢修如果涉及到廣播電視節(jié)目臨時(shí)停播,且播出影響范圍涉及全國或跨省時(shí),應(yīng)采取提前報(bào)批等停播申請程序,故系統(tǒng)供配電設(shè)計(jì)均應(yīng)充分考慮到帶電維護(hù)及故障設(shè)備安全退出的可能性,采用避免單點(diǎn)故障的系統(tǒng)配置。 此外,應(yīng)用配電監(jiān)控系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)也是提高安全保障的重要措施,通過對整個(gè)供配電系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)報(bào)警故障,實(shí)現(xiàn)在線診斷早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防,可有效提高24h 不間斷供電運(yùn)行可靠性。

廣播電視行業(yè)UPS 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)是一整套完整技術(shù),依據(jù)不同技術(shù)工藝,統(tǒng)籌考慮配電系統(tǒng)等級需求、運(yùn)行管理需求、技術(shù)管理需求之后,方能合理確定UPS 系統(tǒng)配置方式,以保障不同等級的工藝技術(shù)用電需求。