不間斷電源在廣播電視節目制作和播出中的應用

鄒德偉 韓 爽

（作者單位：遼寧省朝陽廣播電視臺）

近年來，由于計算機網絡與多媒體技術的飛速發展，廣播電視行業自身業務發展需求，非線性編輯制作系統、硬盤存儲和播出系統在各級廣播電視臺得到了普遍應用。廣播電視節目的制作和播出系統是一個復雜的綜合性系統，對安全性、連續性、時效性的要求很高，其中使用的眾多專業電子設備需要可靠穩定的電能，一旦供電系統出現故障，可能會導致素材丟失、節目停播，甚至會使整個制播網絡系統陷入癱瘓，嚴重影響節目的制作播出質量和安全性。作為保證負載可靠供電的最重要一環，不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統幾乎承擔著為所有制播設備安全供電的重任。就朝陽廣播電視臺而言，核心機房、新聞編輯間、電視播出機房、廣播中控室、廣播直播間等都配備有中功率UPS，以保障在外電中斷或出現波動時能夠持續穩定供電，實現節目順利制作和安全優質播出。但從應用層面來看，目前UPS在應用過程中還普遍存在著技術、環境和人三大方面的難題。首先是技術，要應用先進的、創新性技術，不斷提高產品性能，從而滿足客戶對于安全高效、節約成本等方面的要求。其次是環境，如何打破應用場景限制，提高產品的適應性和靈活性是要解決的又一難題。最后是人，即工作人員要積極提高系統運行維護方面的便捷性和智能化。

2021年8月份，朝陽廣播電視臺對UPS系統進行了全面升級改造，通過對市場上不同品牌中功率UPS產品的性能和價格比較，結合自身業務發展需求，最終選用的是Liebert EXM2系列中功率UPS。相比以往的中功率UPS，該系列產品無論是在應用技術上還是在性能上都有所創新和提升，可以稱得上是新一代中功率UPS產品中的“全能王”，為電視臺提供了同級最佳解決方案和很好的設計體驗。下面結合EXM2的創新技術和實際性能以及筆者在安裝使用中的心得體會，從技術層面進行分析與探討。

1 應用多種創新性技術，高效能、大用途、低成本，切實滿足客戶多樣化需求

在技術方面，回歸到UPS產品本身，如何應用先進性技術、創新性設計，不斷提高產品的性能，適應中功率UPS不同應用場景需求，是需要解決的首要問題。針對這一問題，EXM2提出了極致可靠、極高能效、極低資本性支出的設計理念。

1.1 系統具有極高可靠性

為了達到極致可靠性，在EXM2系統內部，采用母排并聯，絕緣距離可以達到電纜的10倍以上，由于母排裸露，散熱效果非常好，即使內部發生異常短路，可靠性依然很高。傳統的高頻一體化UPS一旦出現故障只能轉到旁路運行，其穩定性較差，該系列UPS在一體化的基礎上進行了創新性的模塊化設計，當一個模塊發生故障后，其余模塊仍能正常運行，即使出現兩次故障，依然可以輸出60%左右的額定功率。

1.2 系統具有高能效性

與朝陽廣播電視臺以前使用的中功率UPS產品相比，EXM2能效方面的優勢明顯。第一，研發上采用大功率UPS應用技術，成功地將雙變換模式能耗降低了25%左右。第二，支持ECO（經濟運行模式），當市電正常時，UPS主機系統通過旁路電磁兼容性（EMC）濾波器輸出向負載供電，逆變器處于待機狀態，從而減少電能損耗；當市電異常時，逆變器開始工作，UPS轉為雙變換工作模式。使用ECO模式UPS的效率可提高3%～5%[1]。第三，推出了動態在線（D ynamic online）模式，該模式下逆變器與旁路并聯工作，作為有源濾波器提供無功補償和濾波，電流諧波總畸變率（THDi）小于3%，效率高達99%，同時具有并機休眠功能，進一步提升了并機系統輕載效率。第四，采用可控硅和繼電器兩種切換器件。使用繼電器節能但可靠性差，可控硅具有耐受性強、穩定性高的優點。EXM2將可控硅和繼電器并聯，切換的時候采用高耐沖擊的可控硅進行切換，正常運行的時候采用繼電器，很好地解決了UPS系統在進行切換時故障率會上升的問題，實現了可靠性和能效的兼得。

1.3 系統采用新一代絕緣柵雙極型晶體管整流技術

以前UPS多采用絕緣柵型場效應管（MOS）做整流器件，但它的主要弱點是不易把UPS的容量做得很大。絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）是一種結合了MOS和雙極型三極管的優點而產生的一種電壓驅動式半導體器件，具有驅動功率小、飽和壓降低、開關速度快的優點。首先，IGBT整流采用三電平脈沖寬度調制（PWM）控制技術和載波相位配合等技術，把輸入電流諧波降到最小，達到正弦波輸入要求，從而使輸出電壓波形也接近正弦波。其次，IGBT整流采用矢量控制技術，輸入功率因數接近1，對電網表現為近似純電阻負載。這種應用IGBT整流技術的UPS具有節能、拓撲結構簡單、對電網污染少、可以適應各種負載、具有更高的穩定性等優點[2]。

1.4 所用UPS是一款在線雙變換式、三相不間斷電源系統

雙變換就是輸入的交流電先通過整流器變換為直流電，然后再由逆變器變換為交流電提供給負載，即無論市電是否正常，均由逆變器通過相應的靜態開關向負載供電。其工作原理簡單說就是，市電正常時將市電經整流器變換成直流，一路供給蓄電池進行充電，貯存后備能量；另一路供給逆變器，逆變器再將直流電變換成高質量的交流電供給負載。當市電異常時，逆變器將電池組貯存的直流電能轉換成交流電能對負載供電[3]。雙變換在線式UPS的優點是輸出的交流電波形和市電一樣是正弦波，而且純凈無雜波，不受市電不穩定的影響。同時，因為逆變器一直處于工作狀態，所以其可實現0 ms切換。另外，在線式UPS還有一大優點是供電時間長，一般可持續幾個小時。在線雙變換式UPS能在電網供電和電池供電之間自動進行切換，保障關鍵設備安全可靠運行，使用戶負載免受供電問題困擾。

1.5 具有靈活的電池配置方式

朝陽廣播電視臺所使用的系列UPS，對電池節數可調范圍進行了拓展，確保前期電池容量精準配置，優化系統成本的同時也利于后期的電池利舊和維護。另外，采用兩線電池設計，無須配備中線，減少了電纜的長度，可節省開關和施工成本25%以上。

2 優化內部架構，最大限度保持系統的穩定性和適應性，滿足多場景應用需求

從環境角度本身來看，中功率UPS被廣泛應用在廣電通信、交通運輸、金融服務保險、加工制造業、中小型IT企業、工商等各行各業，使用場景非常復雜和分散。針對不同應用場景對環境的不同要求，EXM2對內部架構進行優化設計，增加了很多實用功能。

第一，有效解決了潮濕、粉塵、金屬粉末等UPS正常運行過程中長期積累的環境問題，整個內部器件在最大限度上保證了對環境的適應。從技術上分析，造成積累性環境問題的根本原因在于UPS的設計追求高密度化，內部所有的器件被集中在一起，很難做到風道隔離，散熱和防塵效果不夠理想。EXM2采用了獨特的內部架構設計，讓粉塵等通過獨立風道排出，不會流經印制電路板（PCB）和其他內部敏感元器件，散熱性能和防塵性能都得到了提高，從而防止元器件過早失效，大大提高了產品的可靠性。此外，對UPS最核心的開關器件IGBT做了針對性的絕緣處理，以防止瞬間電流過大，發生短路，避免拉弧故障產生，同時在系統前端增加過濾網防塵，在銅排之間增加絕緣片隔離處理等，這些設計都有效提高了產品對環境的適應性。

第二，對于環境改造有很強的靈活性和適應性。人為改造環境對UPS的要求也十分嚴格，在UPS改造升級過程中經常會出現原有的UPS放置空間不足的問題。而EXM2高系統性、一體化的鋰電池可以節省70%以上的占地面積。同時，由于采用上出風的設計，提供靈活的選件，允許自由安裝，客戶可以并排、靠墻或在轉角位置擺放安裝，切實滿足不同負載場景需求。

第三，針對停電或空調故障引起的機房溫度升高，以及突發的碰撞、地震等環境問題，EXM2做了全面升級。系統在40 ℃高溫的環境中可穩定運行，即使在50 ℃的高溫下，仍然可以輸出80%的額定功率。另外，系統振動加固，并通過了工信部指定的9級抗震測試，當發生嚴重震動或碰撞時，可最大限度保持系統穩定性。

3 模塊化設計，智能化操作，全面提升系統運行維護的可靠性、便捷性

從“人”的方面來講，如何保證UPS系統穩定可靠運行是很重要的考量因素。對于大多數UPS系統來說，普遍存在著運維成本高、維護保養人員專業知識不足的問題，而EXM2創新內部架構設計，從安裝到使用的各個環節都實現了簡單化、智能化、人性化，使系統無須專人維護，就可以在不同場景中可靠穩定運行，切實解決了UPS應用中“人”的難題，工作人員可以將更多精力投入核心業務上。

第一，EXM2的智能運維功能可實時監控UPS系統的運行情況，使運維人員能快速準確地排查問題并解決問題，實現高效維護。通過主機箱上的觸摸屏，運維人員可以在雙變換、經濟運行和動態在線三種運行模式之間靈活切換，隨時掌握系統運行情況。一旦出現故障，系統就會進行提示和警告，既能彌補運維人員專業知識的不足，又可以清晰的方式去指導運維人員的操作，有效減少人為失誤。此外，在運維過程中，有一些隱藏在UPS主機內部的故障隱患，如電容漏液，通常很難被發現，EXM2則會對內部設備的使用壽命通過彈窗進行提醒，讓運維人員知道哪些易損元器件的壽命快要到期，確保及時維修和更換。

第二，輸出采用傳統的隔離變壓器，可以在整個控制電路中達到閉環，做到真正意義上的電氣隔離。隔離變壓器既可以濾除負載端諧波，提高供電質量，又可以發揮“通交流阻直流”作用，避免短路或者沖擊造成不良影響，增強系統的抗干擾能力，同時還降低了控制失敗導致的輸出直流電壓對負載的損壞，從而保障負載安全供電，提升實際應用中的可靠性。

第三，采用創新的模塊化設計。該系列UPS主機中的上出風模塊、防雷模塊、功率模塊等均支持熱插拔，靈活實現在線維護，可以達到幾分鐘內進行備件故障的排除和核心模組的替換，既使客戶快速運維的要求得到了滿足，又在很大程度上節約了安裝和維護成本。

4 蓄電池的配備使用和日常保養維護

蓄電池作為UPS系統的儲能裝置，在市電中斷時，釋放電能給逆變器，再由逆變器將直流電轉換為交流電，維持電源輸出，保障負載在一定時間內正常供電，蓄電池性能的好壞對UPS系統運行的安全可靠性十分重要。

首先是蓄電池的配備使用。EXM2配備的鋰電池具有耐用性強、體積小、能量比高、高低溫適應性強等優點。但從實際負載條件、工作環境及運維成本等方面綜合考慮，朝陽廣播電視臺升級改造后的UPS系統選用的是松下閥控式鉛酸蓄電池，該電池的優點是密封性好、使用壽命長、免維護。我們把16塊鉛酸蓄電池串聯作為一組，共構成26個獨立單元，然后根據負載情況和后備時間進行組合，分別配備到核心機房、新聞編輯間、播控機房、廣播直播間等。

其次是蓄電池的日常保養和維護。在日常使用和維護過程中，人們往往會因為蓄電池是免維護的而不加以重視，事實上由于不合理使用產生的蓄電池電解液干涸、熱失控、內部短路等問題而引起的UPS系統故障的比例為1∶3左右，因此加強蓄電池的日常保養和維護工作對于降低UPS系統的故障率具有重要意義。客戶在選配高質量的蓄電池的同時，還要注意以下兩方面問題：一是要安裝在溫度適宜、通風良好、干燥潔凈的環境中。蓄電池的使用壽命和容量受環境溫度的影響很大，通常蓄電池的最佳環境溫度為20～25 ℃，溫度過高會縮短使用壽命，過低會降低容量。二是要定期充電、放電。實際工作中，在電網電壓正常的情況下，在線工作的UPS系統其蓄電池會一直處于浮充狀態，因此要適時放電，以防止蓄電池性能下降，縮短使用壽命。建議每隔3個月應人為中斷供電，對電池放電一次，放電時間長短可根據電池容量大小和負載情況而定，一次全負荷放電完畢，再按規定及時充電[4]。

5 結語

UPS系統是保證負載穩定、可靠供電的最重要一環，我們在選用高質量、高性價比的產品的同時，也要切實做好UPS系統的日常使用和維護工作。從2021年8月份開始運行到現在EXM2的工作一直很穩定，在保障朝陽廣播電視臺節目順利制作和安全優質播出中發揮著重要作用。實踐證明，EXM2高可靠性、高穩定性以及智能化、人性化的功能設計能切實滿足客戶對中功率UPS產品“可靠、高效、創新、靈活”的需求，讓以往中功率UPS應用中存在的技術、環境、人三大方面的問題迎刃而解。希望通過本文的介紹和分析，讓大家對新一代中功率UPS產品的應用技術和實際性能有更深入的了解，在今后設計和使用UPS系統時有所參考。