廣播電視UPS電源可靠性與容錯率的設(shè)計

張 欽

（天津廣播電視發(fā)展有限公司，天津 300000）

0 引言

目前，廣播電視行業(yè)要求電能不間斷供應24 h，確保節(jié)目的播出質(zhì)量，也避免停電、市電不穩(wěn)定對直播造成負面影響?；谶@種情況，引入UPS 電源是必然選擇，且為了獲取更好的供電成效，需要對UPS 電源進行優(yōu)化設(shè)計，提升其運行可靠性以及容錯率，切實滿足不同等級工藝技術(shù)的用電需要。

1 廣播電視UPS 電源及其設(shè)計依據(jù)分析

1.1 廣播電視UPS 電源

UPS（不間斷電源，如圖1 所示）主要將蓄電池與主機相連接，通過主機逆變器等模塊電路將直流電轉(zhuǎn)變?yōu)槭须姷南到y(tǒng)設(shè)備，實現(xiàn)不間斷的、穩(wěn)定的電力供應。在實際的運行過程中，如果市電正常供應，UPS 電源可以將市電穩(wěn)壓后提供給負載使用，此時的UPS 可以視為交流式電穩(wěn)壓器；如果市電中斷，UPS 電源可以立即在逆變器切換轉(zhuǎn)換的支持下，向負載繼續(xù)供應220 V 交流電，保證相關(guān)設(shè)備在正常運行的條件下長時間穩(wěn)定[1]。

圖1 廣播電視UPS 電源

1.2 提高廣播電視UPS 電源可靠性與容錯率的設(shè)計依據(jù)

從UPS 電源現(xiàn)實功能的角度來看，其中廣播電視系統(tǒng)中維護播控設(shè)備、直播設(shè)備長時間穩(wěn)定運行的最后一道防線，可以滿足當前廣播電視系統(tǒng)對于電力供應的更高要求，落實對廣播電視UPS 電源可靠性與容錯率優(yōu)化[2]?，F(xiàn)階段，國家廣播電視總局在總局62 號令中對廣播電視UPS電源提出了更多的規(guī)范性要求，需要進一步強化其可靠性以及科學合理性，該規(guī)范中，對UPS 電源系統(tǒng)的配置進行了分級設(shè)定，具體如下。

在A 級機房條件下，可以應用M（N+1）冗余和2N雙母線冗余等，可引入一路（N+1）UPS 和一路市電供電方式，該冗余需要設(shè)置UPS 系統(tǒng)自動換轉(zhuǎn)旁路以及UPS 系統(tǒng)手動維修旁路；在B 級機房條件下，可以應用N+1 并聯(lián)冗余，該冗余需要設(shè)置UPS 系統(tǒng)自動換轉(zhuǎn)旁路以及UPS 系統(tǒng)手動維修旁路；在C 級機房條件下，滿足基本要求即可。

2 廣播電視UPS 電源系統(tǒng)配置方法的設(shè)計

2.1 配置方法的選取標準

針對不同的等級，廣播電視中心供配電的設(shè)計標準要求也存在一定的差異性，在進行廣播電視UPS 電源系統(tǒng)的配置過程中，應當著重關(guān)注這些標準要求的落實，具體如下。

保障等級為1 級主要包括省級以上的廣播電視臺或者擁有上星節(jié)目的廣播電視中心，廣播時要求接入2 路外部電源（至少包括1 路專線電源），并配置自備電源，要求設(shè)置專用工藝變壓器（基于不同外電設(shè)置且互為備用），設(shè)定UPS 系統(tǒng)電池的最低備用時間為30 min，要求引入主播出設(shè)備、備用播出設(shè)備和雙電源播出設(shè)備具有差異性的UPS供電回路；保障等級為2 級主要包括副省級城市以及省會城市的廣播電視臺或者節(jié)目覆蓋全省/跨省上的非上星節(jié)目廣播電視中心，廣播時要求接入2 路外部電源（至少包括1 路專線電源），并且配置自備電源或是與相關(guān)電力部門提前落實應急供電協(xié)議的簽訂，要求設(shè)置專用工藝變壓器，設(shè)定UPS 系統(tǒng)電池的最低備用時間為30 min，要求引入主播出設(shè)備、備用播出設(shè)備以及雙電源播出設(shè)備具有差異性的供電回路；保障等級為3 級主要包括地市/縣級以上的廣播電視臺或者非上星節(jié)目的廣播電視中心，應當接入2 路外部電源，如果僅具備1 路外部電源則必須要配置自備電源，不要求設(shè)置專用工藝變壓器，設(shè)定UPS 系統(tǒng)電池的最低備用時間為30 min，要求引入主播出設(shè)備、備用播出設(shè)備以及雙電源播出設(shè)備具有差異性的供電回路。

2.2 不同數(shù)據(jù)中心標準下的冗余配置方式

2.2.1 基于A 級數(shù)據(jù)中心標準下的M（N+1）冗余的配置方式

就當前的情況來看，M（N+1）冗余的配置方式是目前A級數(shù)據(jù)中心標準下廣播電視UPS系統(tǒng)較為常用的一種方式，其中2（N+1）的方法在1 級廣播電視系統(tǒng)中更為常用，具體供電方式如下。引入4 套電池 以及4 臺主機，搭建起2 段相互獨立的并聯(lián)母線，均承擔負荷供電的任務(wù)；在實際的運行過程中，如果保持運行的正常狀態(tài)，則這4臺主機分別負擔1/4 的總負荷；如果存在1 套相互獨立的并聯(lián)母線出現(xiàn)故障時，該段在實際運行過程中應當承擔的負荷迅速轉(zhuǎn)入并聯(lián)UPS 系統(tǒng)承擔；如果在1 段母線與負荷之間的線路出現(xiàn)運行異常時，第2 段母線則立即負擔起所有負荷。相比于其他冗余配置方式來說，這種M（N+1）冗余的配置方式有更為明顯的應用優(yōu)勢，能夠提供覆蓋面更廣的冗余。同時，在使用M（N+1）冗余的配置方式時，并行維護中也具備冗余，因此不需要在實際的維護過程中將負載切換至旁路。

2.2.2 基于A 級數(shù)據(jù)中心標準下的2N 雙母線冗余的配置方式

為了解決UPS 系統(tǒng)與負荷之間的線路故障問題。引入2 臺 USP 主機 。2N雙母線冗余的具體供電方式如下。引入2 臺 USP 主機，在2 段相互獨立的母線的支持下實現(xiàn)帶能源輸入，同時通過這2 段相互獨立的母線分別完成對應負荷的供電；在實際的運行過程中，如果保持運行的正常狀態(tài)，則這2 臺主機分別負擔1/2 的總負荷；如果存在1 臺主機或是對應配電線路發(fā)生故障時，該段在實際運行過程中應當承擔的負荷迅速由剩余UPS 系統(tǒng)承擔。

當雙輸入端子設(shè)備為主要負荷時，2 套相互獨立的USP 系統(tǒng)共同提供2 路負荷電源。在實際運行中，其中1套USP 系統(tǒng)出現(xiàn)故障后，負荷立即（0 s）自動轉(zhuǎn)入剩余USP，由其承擔負荷當單輸入端子設(shè)備為主要負荷時，靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)的輸出端連接著負荷電源，且接入2 套USP 系統(tǒng)。此時，如果其中1 套USP 系統(tǒng)發(fā)生故障問題，則會在1/4 周波條件下自動完成負荷轉(zhuǎn)換，所有負荷轉(zhuǎn)入剩余USP 承擔。應用2N 雙母線冗余的配置方式，進一步增強 USP 系統(tǒng)的容錯能力。

2.2.3 基于B 級數(shù)據(jù)中心標準下的N+1并聯(lián)冗余的配置方式

為了更好地應對 USP 主機及電池故障的問題，可以引入N+1 并聯(lián)冗余的配置方式，降低相應故障的發(fā)生概率。N+1 并聯(lián)冗余的具體供電方式如下。引入 2 臺 USP 主機，同時通過相同母線輸入電源，并利用該母線為負載提供電力支持；在實際的運行過程中，如果保持運行的正常狀態(tài)，則這2 臺主機分別負擔1/2 的總負荷；如果存在1 臺主機或是1 套電池路發(fā)生故障時，USP 實現(xiàn)自動化運行，并立即將負荷自動轉(zhuǎn)入剩余USP，由其承擔負荷；如果存在系統(tǒng)過載的問題，則該USP 均轉(zhuǎn)入旁路實施運行。

對于N+1 并聯(lián)冗余的配置方式而言，其具備擴容功能以及冗余性。相比于單機系統(tǒng)來說，依托N+1 并聯(lián)冗余的配置能夠大幅延長平均無故障時間（一般為5.5 倍），使系統(tǒng)更加穩(wěn)定地運行。

2.2.4 對比分析

為了滿足成本以及空間的要求，如果系統(tǒng)對UPS 系統(tǒng)的可靠性有著更高的要求，則選用M（N+1）冗余的配置方式更為合適；如果雙輸入端子設(shè)備為主要負荷，則選用2N雙母線冗余的配置方式更為合適；如果單輸入端子設(shè)備為主要負荷，則選用N+1 并聯(lián)冗余的配置方式更為合適。需要注意的是，選用任意冗余配置方式的最基礎(chǔ)前提是滿足保障等級。

2.3 UPS 系統(tǒng)輸入電源的配置

為了更好地應對USP 系統(tǒng)上級電源的故障問題，可以引入N+1 并聯(lián)冗余的配置方式，通過自動轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)對2路輸入電源的管控以及自動化切換，并保證相應的2路電源分別對應不同的差異性外路電源，也可以1 路電源對應外部電源、1 路電源對應柴油發(fā)電機電源。應用M（N+1）冗余、2N雙母線冗余的配置方式時，雖然可以不在線路加設(shè)自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，但是必須要重點控制相應2 路電源分別對應差異性外路電源，且在工藝變壓器一側(cè)的主母排上接入柴油發(fā)電機電源。

需要注意的是，部分USP 供電在自動啟用后就不會再顯示檢修時間窗口，并不利于后續(xù)維修養(yǎng)護工作的落實?；谠撉闆r，需要加設(shè)具備維修旁路的一體式自動轉(zhuǎn)換開關(guān)，也可以在線路中增設(shè)手動維修旁路開關(guān)。自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的雙維修旁路原理如圖2 所示。

圖2 自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的雙維修旁路原理

3 廣播電視UPS 電源的蓄電池容量確定

3.1 單體電池電壓的選取

現(xiàn)階段，單體電池的常用電壓主要有12 V 與2 V，在蓄電池類別相同的條件下，基于這2 種電壓的電池在放電特性方面基本不具備差異性，且由于2 V 蓄電池的容量普遍呈現(xiàn)出較高水平，所以在電力等領(lǐng)域中較為常用[3]。但是，對于UPS 系統(tǒng)而言，受到UPS 電源主流工作電壓相對較高時，12 V 電壓的蓄電池有著更高的應用優(yōu)勢?；诖?，在該文的計算過程中，均以12 V 電壓的蓄電池為例。

3.2 蓄電池容量計算方法的確定

3.2.1 安時法

計算蓄電池容量如公式（1）所示。

在上述計算公式中，蓄電池容量使用Q進行表示；安全系數(shù)使用K進行表示，計算中的取值設(shè)定為1.25；負荷電流使用I進行表示；實際放電小時數(shù)使用T進行表示；放電容量系數(shù)使用η進行表示；電池溫度系數(shù)使用α進行表示。計算時，如果放電小時數(shù)<10 h,則該電池溫度系數(shù)設(shè)定為0.006，1 h<放電小時數(shù)<10 h,則該電池溫度系數(shù)設(shè)定為0.008，如果放電小時數(shù)<1 h，則該電池溫度系數(shù)設(shè)定為0.01；電池所在環(huán)境的最低溫度使用t進行表示，一般來說，如果環(huán)境中不存在采暖設(shè)備，則最低溫度設(shè)定為5 ℃，如果環(huán)境中存在采暖設(shè)備，則最低溫度設(shè)定為15 ℃[4]。

選定型號為12 V、電池容量為200 Ah 的電池進行放電容量系數(shù)的實際值與經(jīng)驗值（來源于GB 51194—2016）的對比，具體如下：在放電小時數(shù)達到0.5 h 的條件下，放電容量系數(shù)的實際值為0.57，而相應參數(shù)的經(jīng)驗值為0.48；在放電小時數(shù)達到1 h 的條件下，放電容量系數(shù)的實際值為0.69，而相應參數(shù)的經(jīng)驗值為0.55；在放電小時數(shù)達到2 h 的條件下，放電容量系數(shù)的實際值為0.77，而相應參數(shù)的經(jīng)驗值為0.61；在放電小時數(shù)達到4 h 的條件下，放電容量系數(shù)的實際值為0.897，而相應參數(shù)的經(jīng)驗值為0.79；在放電小時數(shù)達到6 h 的條件下，放電容量系數(shù)的實際值為0.96，而相應參數(shù)的經(jīng)驗值為0.88；在放電小時數(shù)達到8 h 的條件下，放電容量系數(shù)的實際值為1.01，而相應參數(shù)的經(jīng)驗值為0.94；在放電小時數(shù)達到10 h 的條件下，放電容量系數(shù)的實際值為1.04，而相應參數(shù)的經(jīng)驗值為1。

綜合來看，現(xiàn)階段蓄電池實際的電池放電容量系數(shù)已經(jīng)與經(jīng)驗值（規(guī)范中提供）存在相對明顯的差異，基于這樣的情況，在計算實際的蓄電池容量時，出于對最終結(jié)果精準程度的考量，需要利用電池放電容量系數(shù)實際值完成相應計算。

3.2.2 恒功率法

利用下述公式即可完成對蓄電池容量的計算，如公式（2）所示。

在上述計算公式中，Q表示蓄電池容量；輸出有功功率利用P進行表示；逆變器的效率使用μ進行表示，普遍選取0.95；蓄電池的節(jié)數(shù)利用n進行表示；其余參數(shù)的含義、取值情況與安時法計算式中的內(nèi)容保持一致。

3.2.3 優(yōu)化算法

如果僅掌握UPS 主機的額定容量，但是并不了解實際負載的有功功率時，可以使用如下計算方法完成對蓄電池容量的計算，如公式（3）所示。

在上述計算公式中，UPS 主機的額定容量使用S進行表示；負載功率因數(shù)使用cosφ進行表示，一般在計算中取1 即可；其余參數(shù)的含義、取值情況與恒功率法計算式中的內(nèi)容保持一致。在計算蓄電池容量時，不需要對溫度系數(shù)、安全系數(shù)進行修正處理，且負荷率普遍穩(wěn)定在90%額定容量的條件下。同時，對負載功率因數(shù)均進行統(tǒng)一取值，即為1，可以視為再次完成一次簡單的修正處理，因此該蓄電池容量的優(yōu)化算法具有一定的可操作性，并且其結(jié)果具有可靠性。

4 結(jié)語

綜上所述，在廣播電視系統(tǒng)中引入UPS 電源是必然選擇，為了獲取更好的供電成效，需要對UPS 電源進行優(yōu)化設(shè)計，提升其運行可靠性以及容錯率。參考廣電總局提出的規(guī)則，在進行UPS 系統(tǒng)檢修時，如果節(jié)目停播，且停播影響范圍較廣時，必須要提前發(fā)出申請并進入停播申請程序?；谶@樣的情況，在設(shè)計UPS 電源時要納入帶電維護和故障設(shè)備安全退出等功能，增強不間斷供電運行的可靠程度，結(jié)合UPS 系統(tǒng)配置方法的優(yōu)化，全面滿足行業(yè)所有用電需要。