廣播電視UPS 系統設計技術分析

楊俊杰

(蘇州市廣播電視總臺,蘇州 215021)

1 設計依據

對廣播電視系統來說,UPS 電源通常是播控設備、直播設備等重要設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定及實施細則》(總局62 號令)后,廣播電視系統對UPS 的應用有了更加明確的規范性要求,其UPS 電源設計方案的可靠性、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定及專業實施細則》(第62 號令)中,對UPS 系統配置應用方面重點引用了GB 50174-2017《數據中心設計規范》中的數據機房分級應用標準,其分級標準如表1 所示。

UPS 電源系統分級配置標準表 表1

2 系統配置方式

2.1 配置方式的選擇

供配電系統作為廣播電視技術系統的重要環節,其系統設置有著嚴格的安全指標規定。 根據覆蓋范圍的不同,廣播電視中心保障等級劃分為一級、二級、三級,供配電系統應嚴格對應保障等級在專用電源、自備電源、專用變壓器、不間斷電源(UPS)、后備時間等方面進行不同的配置。 在《廣播電視安全播出管理規定及實施細則》(總局62 號令)中,不同保障等級的廣播電視中心供配電系統的規定如表2 所示,該規定在實踐中已運行多年,相對穩定。

廣播電視中心供配電配置標準表 表2

廣播電視的技術系統包括總控、直播轉播、節目制作、數據傳輸、節目信號發射監測與接收等系統。 1 級廣播電視中心的主備播出設備、雙電源播出設備,應選擇A 級機房UPS 系統配置;1 級廣播電視中心的其他重要技術設備以及2、3 級廣播電視中心的主備、雙電源播出設備,可選擇B 級機房UPS 系統配置。 一個省級臺的項目由于工藝需求不同、供配電等級不同,項目中可能會有A 級、B級、C 級三個不同等級的機房UPS 設置,而其中的A級機房還應根據工藝需求在2N 和M(N+1)系統中進行準確選擇。

在UPS 系統的電源輸入柜、主機輸入柜輸出柜、負載輸出柜等各環節裝置中,應合理采用空氣開關上下級完全選擇性配合等多項安全措施,以保證供電系統不越級跳閘,同時配置方式應使故障在最小范圍得到有效控制并通過容錯或冗余配置合理撤出系統。 接下來對A、B 級機房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系統配置方式,以保障系統使用達到相關標準。

2.2 N+1 并聯冗余的配置方式(B 級數據中心標準)

UPS 系統的第一類故障來源為UPS 主機或電池的故障,為應對這類故障風險,UPS 系統可采用雙主機(或模塊化的多主機,本文以雙主機為例進行探討)、雙電池的N+1 并聯冗余模式的配置方式,其供電方式:2 臺UPS 主機由同一母線輸入電源,并經同一母線共同為負載供電。 UPS 系統正常運行時,2 臺主機自動均分負荷,各自承擔總負荷的50%;一臺主機或一套電池發生故障時,UPS 自動退出運行,所有負荷在0s 轉換時間下切換至剩余UPS;如果發生系統過載的情況,整個UPS 系統轉旁路運行。

N+1 并聯冗余配置具有容錯冗余和擴容雙重功能,根據資料,N+1 并聯冗余系統的平均無故障時間(MTBF)是單機系統的5.5 倍,大大增高了可靠性。 圖1 所示為N+1 并聯冗余接線圖。

2.3 2N 雙母線冗余的配置方式(A 級數據中心標準)

UPS 系統的第二類故障來源為UPS 系統至負荷之間配電線路的故障。 為應對這類故障風險,UPS 系統可采用2N 雙母線冗余的配置方式,其供電方式:2 臺UPS 主機(或2 組模塊化的并聯主機,本文以雙主機為例進行探討)由2 段獨立的母線輸入電源,并經2 段獨立母線分別為負荷供電。 正常運行時,每臺主機承擔總負荷的50%;當1 套系統的主機、電池發生故障或是主機至負荷之間配電線路發生故障時,所有負荷切換至剩余UPS。 對于雙輸入端子的設備,其2 路負荷電源分別取自2 套獨立的UPS 系統,當1 套UPS 系統的任何設備或線路發生故障,負荷在0s 轉換時間下自動切換至剩余的UPS;對于單輸入端子設備,其負荷電源接在靜態轉換開關(STS)的輸出端,2 套UPS 系統電源分接在靜態轉換開關(STS)的輸入端,當一套UPS 系統上的任何設備和線路發生故障,負荷經轉換時間為1/4周波,STS 切換至剩余UPS。

圖1 N+1 并聯冗余接線圖

2N 雙母線冗余系統可實現點對點冗余,在N+1并聯冗余系統的基礎上進一步提高了容錯能力。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 級數據中心標準)

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 級廣播電視系統中應用較廣。 其供電方式:四個主機、四套電池兩兩組成2 段獨立的并聯母線,2 段獨立母線分別為負荷供電。 正常運行時,每臺主機承擔總負荷的25%;當1 套系統的主機、電池發生故障時,故障系統所承擔的負荷切換至與之并機的UPS 系統;當一段母線至負荷之間配電線路發生故障時,另一段母線承擔全部負荷。

該配置方式結合了N+1 系統與2N 系統的優點,為從電源入口到關鍵負載的所有線路提供了全方位的冗余,即使在并行維護的過程中,也仍存在冗余,無需將負載轉換到旁路模式。

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,若負荷以單輸入端子設備為主,則N+1 并聯冗余的配置模式可減少STS 的使用從而更為適宜, 因為STS 意味著單故障點及復雜的故障模式;若負荷以雙輸入端子設備為主,則2N 雙母線冗余的配置模式的可靠性更強;在經濟成本與空間場地均能接受且重點關注高可靠性的情況下,則應使用M(N+1)冗余的配置方式。 具體在應用實踐中,可根據實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《數據中心設計規范》第3.2.2 條,在市電電源質量有相對保障的情況下,A 級數據中心還可采用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中應用較少,具體可參閱18DX009《數據中心工程設計與安裝》。

2.5 UPS 系統輸入電源的配置

UPS 系統的第三類故障來源為UPS 系統上級電源。 為應對這類故障風險,N+1 并聯冗余模式的2 路輸入電源應采用自動轉換開關進行自動切換,且2 路電源應保證對應不同的外部電源或1 路外部電源與1 路柴油發電機電源。 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自動轉換開關,但應保證2 路電源對應于不同的外部電源,且柴油發電機電源已接入工藝變壓器低壓側(或高壓側)的主母排。

圖3 2(N+1)雙母線冗余接線圖

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

圖4 自動轉換開關雙維修旁路原理圖

3 蓄電池的容量計算

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,沒有明顯區別,一般2V 蓄電池通常容量比較大,在通信行業、電力系統直流電源中被廣泛應用,而對于UPS 系統來說,因為UPS 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 電池更有優勢。因此,下文中提到的電池容量計算將以廣播電視UPS 系統中應用更為普遍的12V 電池為例,2V 電池的容量計算原理與之相同。

3.2 容量計算方式的選擇

我國傳統的計算蓄電池容量的方法為安時法,其在GB 51194-2016《通信電源設備安裝工程設計規范》中有詳細描述,而當前蓄電池生產廠家普遍采用的是恒功率(或恒電流)法,其使用更為方便。這兩種計算方式從理念上來講是一致的,特別是安時法中的放電容量系數的取值不再依據GB 51194-2016 表5.2.4 中的經驗取值,而是直接采用蓄電池廠家的放電數據表進行計算,其精確度會大大提高。 下面對兩種計算方式分別進行實例計算及電池選型,并進行對比。

3.3 安時法

按GB 51194-2016《通信電源設備安裝工程設計規范》第5.2.4 條,蓄電池組容量計算如式(1)所示:

式中,Q 為蓄電池總容量,Ah; K 為安全系數,取1.25; I

為負荷電流,A;T 為放電小時數,h; η 為放電容量系數;α 為電池溫度系數,1/℃,當放電小時率≥10,取α = 0.006;當10 ＞放電小時率≥1,取α = 0.008;當放電小時率＜1,取α = 0.01;t 為實際電池所在地最低環境溫度,℃,所在地有采暖設備時,按15℃考慮;無采暖設備時,按5℃考慮。

3.3.1 蓄電池總容量Q

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

3.3.2 負荷電流 I

按GB 51194-2016 第5.2.5 條,負荷電流計算如式(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0.95;U 為蓄電池放電時逆變器的輸出電壓,V。

3.3.3 蓄電池放電時逆變器的輸入電壓 U

廣播電視系統采用的UPS 容量在20kVA 以上時為三相輸出,其逆變器的直流輸入標稱電壓為384 ～420V,按GB 51194-2016《通信電源設備安裝工程設計規范》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設計技術規程》附錄C,每組蓄電池節數n (只)的數量如式(3)所示:

式中,Un為直流電源標稱電壓,V; Uf為單體蓄電池浮充電壓,V。

按GB 51194-2016《通信電源設備安裝工程設計規范》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)。 蓄電池放電時逆變器的輸入電壓U(V)如式(4)所示:

3.3.4 放電小時數T

國家廣播電視總局出臺《廣播電視安全播出管理規定及實施細則》之后,廣播電視UPS 系統的放電小時率統一要求為0.5。

3.3.5 放電容量系數η

在GB 51194-2016《通信電源設備安裝工程設計規范》表5.2.4 中,列出了放電容量系數為經驗取值,但是在實踐過程中會發現,不同品牌不同型號的電池放電容量系數有著較大的差異,特別是高功率電池的放電容量系數實際值與該表給出的經驗取值差異更大,所以建議通過電池廠家提供的放電參數來計算放電容量系數會更為準確,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如表3 所示。

一款12V 200AH 電池的放電參數表 表3

通過表3 可以看出,隨著電池生產工藝的不斷進步,電池放電容量系數的實際值已經和規范給出的經驗值有了較大的差異,所以在計算過程中取實際值可以得到更為精準的結果。

3.4 恒功率法

恒功率法的計算原理為:UPS 系統放電過程中,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行不同放電小時率的放電性能測試,并將參數提供給用戶,比如表3 中就列出了一款12V 200AH 電池的恒功率放電參數。

恒功率法的計算方法為將安時法中的式(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,取1.25; P 為輸出有功功率,W;μ 為逆變器的效率,一般可達0.95; n 為每組蓄電池節數;α 為電池溫度系數,1/℃,當放電小時率≥10,取α = 0.006;當10 ＞放電小時率≥1,取α = 0.008;當放電小時率＜1,取α = 0.01;t 為實際電池所在地最低環境溫度,℃,所在地有采暖設備時,按15℃考慮;無采暖設備時,按5℃考慮。

3.5 恒功率法的另一種簡略算法

在實際負載有功功率尚不明確,僅已知UPS 主機額定容量的情況下,蓄電池廠家在使用恒功率法計算電池容量時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 主機額定容量,VA; cosφ 為負載功率因數,統一取1;μ 為逆變器的效率,一般可達0.95;n

為每組蓄電池節數。在這種算法中,電池容量不再進行安全系數及溫度系數的修正,主要是因為UPS 主機本身就存在使用安全系數,負荷率一般不超過額定容量的90%,此外,將負荷功率因數統一取值為1,相當于又進行了一次粗略的修正,所以這種算法的最終結果基本可用。

4 結束語

按廣電總局規定,UPS 系統檢修如果涉及到廣播電視節目臨時停播,且播出影響范圍涉及全國或跨省時,應采取提前報批等停播申請程序,故系統供配電設計均應充分考慮到帶電維護及故障設備安全退出的可能性,采用避免單點故障的系統配置。 此外,應用配電監控系統和環境監控系統也是提高安全保障的重要措施,通過對整個供配電系統監測預報警故障,實現在線診斷早發現、早預防,可有效提高24h 不間斷供電運行可靠性。

廣播電視行業UPS 配電系統設計技術是一整套完整技術,依據不同技術工藝,統籌考慮配電系統等級需求、運行管理需求、技術管理需求之后,方能合理確定UPS 系統配置方式,以保障不同等級的工藝技術用電需求。