地面数字电视不间断电源系统搭建

王 麟，聂广才

（安徽广播电视台，安徽 合肥 230022）

责任编辑:任健男

随着广播电视事业的发展，近年来许多广播电视发射台的设备逐步进行了固态化、数字化改造，使播出系统的稳定度和可靠性得到增强，整个广电传输信道的质量得以提高。但是新设备中包含大量的计算机控制、数字调制和网络通信模块，需要高质量的、不间断的电源支持，否则供电的不稳定容易造成设备损坏和工作不正常。不间断电源系统（UPS）正是可以给负载提供不间断、干净、稳定、无频率突变、抗干扰、全天候、高质量、正弦波电源的设备，一方面，UPS能够稳定输出电压，有效保护数字播出设备，另一方面，UPS能在市电断电的同时自动切换为蓄电池供电。此外，UPS内部装有滤波器还能够净化电源，减少或避免电网上的干扰波对播出的影响以及对播出设备造成的损害。

1 原数字电视系统的供电方式及弊端

大蜀山发射台是安徽省的中心骨干台，也是全省最早开展数字电视试验和播出的台站，地面数字系统包括21CH国标标清传输系统和38CH国标高清传输系统两部分。系统原先采用一主一备两路外电电源，以此确保安全供电，主、备电源的切换方式有人工切换和断电自动切换。这种配备方式可能带来以下弊端：

1）停电事故

电源自动切换虽然能在一定程度上避免停电引起的长时间停播，但倒换时间大约在0.3～0.5 s左右，由于发射机的响应时间远低于此，加上设备从断电到恢复需要一定时间，仍会造成节目播出中断，所以两路供电仍不能保证供电连续性。

2）供电瞬间中断

供电闪断时，因时间较短，外电往往不会自动倒换，这种情况下，传统的模拟设备在电源瞬间中断后能够立即恢复工作，有时甚至不会导致停播，设备一般也不会损坏。但数字设备在瞬间断电后往往需要很长时间才能恢复，容易造成一定时间的停播，而且电源闪断带来的冲击还极易对数字设备造成危害。

3）电压波动范围大

市电电网上接有各种大功率用电设备，这些设备的启闭会造成电压大幅波动，严重影响供电质量。按照国家标准，广播发射机房供电电压波动应小于±5%，所以对引入的市电必须进行稳压处理，大蜀山发射台虽然采用的是带调压功能的变压器，可适当改善电压波动情况，但在市电质量很差的情况下，改善后的电压仍不能达到标准。

4）电网杂波干扰严重

供电电网上连接有大量中、高频设备，导致了各种杂波、非线性负载引起的波形畸变、电网工频波动、毛刺、浪涌等电源干扰。而数字设备对此更加敏感，干扰容易影响到设备的运行安全，甚至会造成设备误动作。

大蜀山发射台地面数字系统中的主要设备为上海明珠DTV-1000型和同方吉兆国标/CMMB数字1 kW型发射机，与另一部38CH的CMMB的数字发射机在出现以上4种供电异常状况下，经常会出现设备重启、控制系统紊乱、数字调制器（激励器）参数变动、功放封锁、器件损坏等状况，其频度大大高于大蜀山发射台其余20多部非数字发射机，一旦数字电视进一步推广，数字节目的播出纳入监测考核体系，如此频繁地停播和设备损坏是发射台所无法承受的，因此发射台的地面数字系统需要更可靠的电源系统来支撑。

2 地面数字电视不间断电源系统设计

2.1 设备的选型

常用的UPS电源有后备式、在线互动式、在线式三种。其中，后备式和在线互动式UPS在市电正常时只是将市电经稳压、滤波后供给负载，不可能消除市电电网上的所有干扰，市电异常时，两者都会有将电池电能转换为交流电的逆变时间，只是过程长短和输出波形有所差别。而在线式UPS在开机后逆变器始终处于工作状态，市电正常时电源通过整流器和逆变器提供给负载，同时充电器充电，当市电异常时，转换到电池供电不需要时间，是真正的“不间断”。市电进入UPS时，先将交流电整流滤波转换成直流电，通过这样的转换，市电中几乎所有干扰都被清除，起到了净化电源的作用[1]。

为满足广播电视“不间断、高质量、既经济、又安全”十二字安全运维总方针的要求，大蜀山发射台地面数字电视不间断电源系统选择UPS时首先应考虑在线式。由于输出为近似标准正弦波交流电，波形失真在3%以内，提供的是无干扰的稳压、稳额电源，再配以大容量电池箱（柜），真正实现了不间断、高质量的供电。在具体产品的选择上，还应注意以下4点：

1）应选用过载能力强，带有输入、输出变压器的UPS；

2）UPS输入端可适应的电压变化范围要大，应大于±20%，但输出稳定性要高，应在±1%以内；

3）应具备故障自动旁路输出功能和维修旁路开关，以便在线维修；

4）UPS负载应为额定有功功率的25%～80%之间，建议在70%～80%之间。

经过对市场上同类产品的比较，选择了广东易事特EA66系列模块化UPS电源，系统包括交流输入输出柜、不间断电源主控柜和2个电池柜，其中主控柜包括系统机柜配电、功率模块、系统监控器、静态开关等功能模块。

2.2 电力电缆选择

电力电缆包括交流输入、交流输出和电池电缆，因交流输出电缆是分路输出，电池电缆为易事特公司提供，故系统搭建时主要考虑交流输入和旁路输入电缆的选择。由于UPS安装于室内，而且距离负载较近，其走线多为地沟或明线，所以一般采用铜芯橡皮绝缘电缆，其导线截面积主要考虑3个因素：符合电缆使用安全的标准，符合电缆允许的温升，满足电压降要求[2]。

UPS要求最大电压降为交流50 Hz，回路电压降比率≤3%，直流回路电压降比率≤1%，如果压降超过上述范围，必须加粗导线截面积。

大蜀山发射台选用的EA66-060型在线式UPS，其功率容量为60 kV·A，故每相额定电流为I相=P/（3×U相×cosφ）=60/（3×220）≈95 A。而旁路输入额定电流可略小于每相额定输入电流，该产品规定为每相75 A。

图1为铜芯电缆100 m长回路的电压降比率（节选），参数为50/80 Hz，3相，380 V。根据表中数据就可算出电缆需要的截面积。

大蜀山发射台从配电房到UPS放置地点的电缆路由总长度约80 m，比照图中100 A电流标准可查出，35 mm2的电缆就可满足要求。大蜀山发射台配的电缆为25 mm2，图中没给出该型电缆的参数，但根据电阻与长度成正比、与截面积成反比的特点，其电压降比率也应与电缆截面积成反比，由此可算出100 m该型电缆在100 A电流下的电压降比率约为2.7%×35/25=3.78，这样大蜀山发射台电缆的电压降比率就为3.78%×80/100=3.024%，略大于3%，为保险起见，主输入选择两根电缆并联。同样道理，旁路输入可比照图1中80 A电流标准，其电压降比率为（2.1%×35/25）×（80/100）=2.352%，选择单根电缆接入就足够了。

2.3 UPS的供电设计

大蜀山发射台2个配电变压器的次级出线接至低压配电柜中的控制柜，由其中的2个智能控制开关控制能自动倒换给负载供电，正常情况下使用主变压器和其对应的智能控制开关。UPS的供电有主输入和旁路输入两路输入，一般接配电柜的不同分接开关，但实际上是接在一路控制开关上的，当断电时会倒换至另一开关维持供电。但仔细分析，这种接法是有危险的，智能控制开关就是一种ATS（Automatic Transfer Switching）开关，其本意是为了增加供电的可靠性，可一旦ATS发生故障，就会出现在用开关失电又无法及时倒换的情况。与一般的发射机类用电设备不同，UPS失电现象很难捕捉，因为UPS会转入电池逆变供电模式，如发现不及时，电池耗尽就会导致停播，带来巨大损失。因此，UPS要求其主输入和旁路输入必须来自两路不同路由的电源，并且分别设置输入断路器[3]。

经考虑，在备变压器输出和其对应的控制开关前端之间增加一个开关柜，将P2供电柜与其他供电柜独立分开，只与该外接开关柜输出相连，从P2柜上分配一个分接开关作为UPS旁路供电，这样就甩开了ATS，因发射台绝大多数时候都只使用主变压器和其对应的智能控制开关来给机房供电，这样当UPS主供电失效时，即使ATS故障，旁路供电是可靠的，电池耗尽后仍会转入旁路模式维持供电，不会发生停播。

2.4 系统搭建

确定了供电方式后，即可按UPS安装要求进行系统搭建，需要注意的是，维修旁路应该与UPS旁路输入使用同一电源，且相序也必须相同。

输出端共有3个三相断路开关和10个单相开关，前两个三相开关分配给38CH和21CH发射机使用，另一个预留给30CH CMMB发射机，待以后UPS工作稳定后再接入；单相开关中，其中一个接到配电房作为高压倒换控制UPS的备份，另一个接到信号机房作信号柜UPS的备份，其余的预留。系统接线图如图2所示。

3 新电源系统的特点

3.1 系统静态开关

在EA66模块化UPS电源中，静态开关模块主要用于逆变输出和交流旁路电源之间的快速切换，以全面提高系统的供电安全性和可靠性。静态开关模块接收两组AC输入，选择一组输出，在线工作情况下，静态开关将功率模块逆变输出连接到系统输出上，如果功率模块在某一特定时间内不能够提供足够的电压，静态开关将立即切换到旁路电源。

静态开关采用混合型控制技术，由快速半导体器件（可控硅）和电磁接触器并联组成高效AC开关，它既解决了切换时间问题，又提高了静态开关的抗冲击和抗短路能力，使系统的可靠性、稳定性大大提高。静态开关内部具备自检功能、互锁功能、系统输出异常保护功能、瞬间掉电保护功能、输出过载和短路保护功能等。它还具备UART通信功能，可与系统监控、模块单元进行通信，随时发送和接收工作指令及各种报警信息。

3.2 完善的系统监控

系统监控器位于机柜的偏上方，通过显示、操作面板，可以方便地了解系统的工作状态，查询参数及各种事件信息。系统安装完后，用户对系统的所有操作都可以通过监控器的操作面板完成。系统监控面板示意图如图3所示。

系统监控器分为状态指示灯区、数据信息显示区、按键操作区。状态指示灯区可通过LED指示灯的不同状态向用户提供简单的系统状态信息；数据信息显示区可通过LCD显示屏向用户提供详细的系统状态信息；按键操作可通过9个按键将用户的指令与系统联系起来，当用户操作按键时，LCD显示屏会有相应的信息显示，信息显示时可为中文或英文。

3.3 多种运行方式适应不同工作场合

该UPS具有4种运行方式，通过静态开关内部具备的自检功能和控制功能来驱动不同电磁接触器的开启和关闭，切换运行模式来适应不同的工作场合。

1）正常模式

正常模式即主路输入，开关Q2闭合后，经过AC/DC变换后，再逆变成AC交流电作为系统输出，外设负载由AC INPUT供电，在正常模式下，开关Q4和Q5也闭合，使电池组处于充电状态，其运行原理如图4所示。

2）电池运行（非稳定状态）

电池运行模式即系统无AC INPUT输入，闭合开关Q4和Q5后，经过DC/AC转换，系统输出，外设负载由BATTERY供电，系统正常运行，运行原理如图5所示。

3）旁路模式

当系统无AC INPUT输入、电池也欠电压时进入旁路模式，闭合开关Q1后，将旁路供电直接接到系统输出，外设负载由BYPASS INPUT供电，运行原理如图6所示。

4）维修旁路

为用户外设维修旁路开关，在系统维护、维修时，首先拨动手动旁路开关SA，使系统工作在旁路供电状态，然后合上Q6，外设负载由SERVICE PORWER供电，系统可退出运行，运行原理如图7所示。

4 总结

大蜀山发射台地面数字电视不间断电源系统搭建，为发射台几套数字传输发射系统提供了高质量可靠的电源支持，使大蜀山发射台地面数字电视发射机稳定性大大加强，故障率明显降低，器件损坏也得以减少，保障了大蜀山发射台数字电视节目的优质安全播出，节约了运维成本。系统搭建试运行3个月后，配合厂家进行了参数测试和验收，结果表明，设备所有组件状态良好，系统运行稳定。

[1]张青松.广播电视系统中UPS电源的选型与配置[J].现代电视技术，2011（11）：132-134.

[2]中山冠虹电子有限公司.大型UPS电源的安装[J].电源世界，2007（10）：49-52.

[3]黎苏庆.广播电影电视UPS供电设计[J].自动化应用，2011（7）：11-12.

[4]张建伟.广播电视专业机房UPS电源可靠性设计实践[J].电视技术，2012，36（14）：91-93.