广播电视台机房设备采用HVDC高压直流供电的探索与实践

范志宏

现状分析

广播电视台作为重要的政府宣传窗口，同时还为广大有线电视及无线电视观众，提供优质电视广播及声音广播的服务，其安全播出是至关重要的。而广播电视台的安全播出离不开供电系统的可靠性与稳定性。长期以来，广播电视部门普遍采用市电或专线双线路电源供电及UPS不间断电源+后备发电机的模式，为机房提供电力，这套方案也确实给广播电视部门提供了较好的供电保障。随着设备的更新升级，这套系统也暴露出不少问题。

近年来，随着数字电视和数据业务的快速发展，广播电视前端机房设备对供电的安全性、 可靠性的要求也越来越高， 一般采取 UPS 冗余方式供电， 重要设备更是采用了 UPS双系统供电保障。基于安全原因，1+1 冗余 UPS 系统的单机负载率控制在 35%以内，加上UPS逆变效率较低，容易造成能耗浪费；UPS 并机系统运行对电源的振幅、频率、相位，以及并机系统中的零地电位差、零线环流等提出了严格要求，导致 UPS 设备的逻辑控制系统（并机）等非常复杂。另一方面，随着业务高速发展，一些机房 UPS扩容需求迫切。新建 UPS系统不仅占用了宝贵的机房空间、配电容量，还制约了机房装机扩容需求，导致整个电源系统的设备资源利用率低、可靠性差，而且 UPS 系统扩容、更新改造保障难度大。如何提供安全可靠、高效经济的新型数字电视及数据设备用电源系统，显得十分迫切。

众所周知直流供电系统的可靠性要高于UPS供电系统，那么我们能不能找到一种新的供电系统来取代UPS供电系统，消除人们的顾虑呢？因此我们对一种新型的高压直流供电系统做一些应用探讨。我台领导经过慎重调研，决定对广播电视台内部供电系统做一次全面检修及升级。这其中，最重要的是对UPS不间断电源的升级改造。

由于市电双线路切换及后备发电机供电技术已经非常成熟，只需进行日常巡检及维护即可。而我台的UPS不间断电源，使用已近二十年，每几年就要对电池组进行更换。借此机会，我们通过与电信部门、移动通讯部门、电力部门及相关厂家技术人员进行沟通交流，决定趁此次更换老化的UPS电池组的机会，对前端机房供电系统进行改造，采用HVDC240V高压直流供电系统为前端设备提供电力。

2009年12月1日，由中国电信提出的《通讯用240V直流供电系统技术要求YDB 037—2009》 通过工信部审查，12月10日颁发。高压直流供电系统现在已在全国多个城市通讯系统进行试点。而广播电视前端机房跟通讯机房有很多相似的地方，能否借鉴通讯行业的成功经验，组建自己的高压直流供电系统，也成为广电行业很关注的一个问题。我台领导在考察学习通讯行业的成功经验后，决定先对我台广播电视监播机房的配电系统，采用高压直流供电方案进行试点，成功稳定运营一年后再推广到其他部门。

传统的UPS供电模式及其缺陷

UPS（Uninterruptible Power System）也就是不间断电源系统，诞生于上世纪六十年代。传统UPS不间断电源供电系统的供电方式，要求交流电源输入。交流UPS系统由整流器、逆变器、蓄电池和静态开关等组成。在市电正常时，市电交流电源经整流器变换为直流电供给逆变器，同时给蓄电池充电，逆变器将直流电变换为50Hz交流电供给负载。在停电时，蓄电池放出电能，通过逆变器变换为交流电，供给负载。为了提高设备供电的可靠性，通常采取了多台UPS冗余并机的方式，如1+1系统。UPS的出现，是由于一些重要设备，如航天控制、医疗仪器、金融系统、计算机、数据管理系统等，不能断电而产生的。她的诞生，对信息革命产生了十分重大的影响。

但是，此系统结构也出现了以下一些缺点：

可靠性低

UPS 交流电源系统，就单台设备而言，通过冗余技术可以使UPS设备本身的可靠性大为提高，但就整个UPS供电系统而言，有很多不可备份的系统单点故障点，比如同步并机板、静态开关、输出切换开关、逆变器等，这些单点故障点，都可能导致整个通讯系统“掉电”瘫痪。即使采用相对可靠的串联热备份系统，切换电路的单点故障也容易造成整个通讯系统“掉电”瘫痪，尤其是瞬间过载的容错能力差，一旦主机过载保护切换到备机，备机由于瞬间浪涌也同时过载保护自动切换到旁路，对于过去有人值守的机房可以立即人工处理，但现在普遍采用机房无人值守，一旦发生故障，恢复时间较长，危害很大。

能耗较高

由于UPS 中采用了逆变器，逆变频率为工频50Hz，必须采用工频变压器，所以功率因数低，效率较低。正常情况下单机效率一般在60%-70%。为保证前端设备用电的安全可靠性，目前广电部门用UPS电源系统，均配置在线式串联热备份或N+1并机冗余模式；在N+1并机冗余模式中，由于交流电源振幅、频率、相位等参数严格要求同步，使得并机冗余模式控制系统复杂，随着N数值的增大，系统可靠性大大降低，所以最常见的配置为1+1并机冗余系统或2+1并机冗余系统，这就使得系统效率进一步降低，一般在40%-50%。同时，由于蓄电池平时基本处于休眠状态，为了保护蓄电池，每隔一段时间就要对电池组进行放电处理，白白耗费能量，如果在放电过程中恰逢市电出现故障，那对广播电视的安全播出将是灾难性的。实际使用中业务的发展是一个渐进的过程，兼顾到建设周期和业务发展规划，这使得UPS系统平均使用效率只有 20%-30%。这个能耗指标在过去前端设备耗能的绝对值较小，UPS系统效率低下往往被人们忽视。而目前正处在数字电视和数据业务迅猛发展时期，数据业务将渐渐变为主流业务，IT设备的能耗越来越受重视，显然，这种低效率是无法忍受的。

维护、扩容难度大

随着广播电视技术的不断发展，数字电视及数据通讯逐渐成为主体已经成为不争的事实。随着数据业务比重逐步增大，按照现在的设备供电模式，会有大量的在网UPS系统扩容、大量新的UPS系统投入运行。因为UPS扩容涉及到电源的频率、电压、相序、相位、波形等问题，不像直流电源系统扩容只关注电压一个参数，所以每一次UPS在线扩容都是一次巨大的风险操作，甚至可能因为UPS制造商产品更新换代使得UPS扩容不可能，使得UPS单台故障时没有设备替换。另外逆变器也是UPS系统中较容易出现问题的地方，一旦逆变器出故障，将造成严重的停播事故，导致灾难性后果。

高压直流电源系统简介

通讯用高压直流电源又称HVDC（High Voltage Direct Current），是一种新型的直流不间断供电系统，近年来在通讯行业的运用悄然兴起。这里说的高压是相对传统的-48V直流通讯电源而言。HVDC系统主要由交流配电单元、整流模块、蓄电池、直流配电单元、电池管理单元、绝缘监测单元及监控模块组成。正常工作情况下，整流模块将交流配电源输出的220V或380V交流转换成240V高压直流，高压直流经直流配电单元给通讯设备供电，同时也给蓄电池充电。当交流输入发生故障时，直流由蓄电池给通讯设备供电，可以说这是一种真正的不间断电源！

高压直流应用原理十分简单，就是利用用电设备开关电源功能，使用高压直流电进行电压高频变换的原理，直接为用电设备提供直流电源。

由于现在几乎所有电信及通讯、广播电视前端设备均采用开关电源进行整流降压，给设备提供电能，而开关电源的电压适应范围极宽，通常可达到AC90V～270V，整流后的电压为200～300V直流，再进行高频振荡、整流等处理，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压，输出低压直流电源给用电设备。开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。有了这一前提，为用电设备直接提供高压直流就变得极为容易。

高压直流是指大小（电压高低）和方向（正负极）都不随时间（相对范围内）而变化，比如电池。脉动直流电是指方向（正负极）不变，但大小随时间变化，比如：我们把50Hz的交流电经过二极管整流后得到的就是典型脉动直流电，半波整流得到的是50Hz的脉动直流电，如果是全波或桥式整流得到的就是 100Hz的脉动直流电，电流大小周期性改变，不能直接使用，它们只有经过滤波（用电感或电容）以后才变成平滑直流电，当然其中仍存在脉动成分（称纹波系数），大小视滤波电路的滤波效果。目前商用的高压直流都是经过配电箱大容量电容或电感滤波处理过的，其波形较为平滑，比交流电显然“干净”得多。

由于设备的开关电源前级为整流桥， 并为后级提供一个波动的高压直流，整流桥后的高压直流范围为： DC250 -336v （交流输入为： AC220V ），对于直流输入而言， 整流桥可视为直通。全桥二极管整流电路对直流电可以直接输入，只要直流电压能够达到200V以上就可以使用！所以，只要在交流输入端使用合适范围的高压直流，设备的开关电源是可以正常工作的，这在理论上首先保证了方案的可实施性。目前，我国通讯行业经过大量的理论论证及实验，决定高压直流电压选取240V，直接为通讯设备的开关电源供电，电流流程与常用交流供电十分相似。如图4所示：

从图4中可以看出，不管开关电源输入端正插还是反插直流电源，经过整流后的电流方向都跟使用交流电整流后的效果是一样的。由于高压直流或电池组提供的直流电脉冲几乎为零，电流更平滑。

高压直流供电系统的优点

高可靠性

这点可以从三个方面体现：一是采用直流供电，蓄电池可以作为电源直接并联在负载端，当停电时，蓄电池的电能可以直接供给负载，确保供电的不间断。二是直流供电只有电压幅值一个参数，各个直流模块之间不存在相位、相序、频率需同步的问题，系统结构简单很多。由于交流市电与机房内的高压直流配电系统隔离，将市电及雷击的影响降到最小，可靠性大大提高。三是交流UPS系统虽然可以提高冗余度来提高安全系数，但是由于涉及到同步问题，每个模块之间必须相互通讯来保持同步，所以还是存在并机板的单点故障问题。而直流模块没有这些问题，即使脱离控制模块，只要保持输出电压稳定，也能并联输出电能。

高效节能

工作效率提高和交流UPS系统相比，直流供电省掉了逆变环节，而一般逆变的损耗在5%左右，因此电源的效率得以提高。其次，由于广电前端输入的是直流电，也就不存在功率因数及谐波的问题，降低了线损。最后由于并机技术简单，可以采用大量的模块并联，使每个模块的使用率可达到70%～80%，比起交流UPS系统提高了不少。

可维护、扩容便捷

采用高压直流供电，就如交换设备使用的-48V直流系统一样，系统由模块组成，维护人员可以自己进行维护。因为是直流输入没有零线，因此，也就不存在“零地”电压差，避免了一些不明的故障，维护部门也无需再费时费力去解决“零地”电压的问题，这对提供高质量视频和音频广播很有帮助。另外，由于高压直流电无对地电压，不易发生触电事故，安全性更高。

由于采用模块化结构，现在一个模块的容量一般在10KW左右，只要预留好机架位置，扩容非常方便。同时在建设时，可以根据设备的数量逐渐增加模块数，使每个模块的负载率可以尽量的提高，这对于节能也是非常有好处的。

HVDC 与 UPS的主要区别

从下图中可以看出，HVDC与UPS的主要区别是电池组的位置及省却了逆变器，供电效率较高：

HVDC高压直流供电系统改装要点

我台首先改造的是监播机房。因为监播机房出问题，并不会影响到广播电视的正常播出。待监播机房高压直流配电系统改造完成并投入实际运行一年后，积累了更多经验，再对其他机房进行改造。安全播出是广播电视的生命，马虎不得。

1、电池组为整流器的冗余，在系统馈出母线实现系统模块整流输出与电池组并联；在市电异常的情况下，蓄电池组直接提供保障电源。

2、 240V高压直流输出方式采用“悬浮供电”，一改-48V 直流系统正极接地方式，即系统输出与机架、机壳、工作地、保护地隔离（240V高压直流的正极、负极均不允许接地），要有明显标识标明该系统输出不能接地。实施起来其实很简单，就是将高压直流电按交流市电的接法，接入系统电源开关及插座即可。由于高压直流无对地电压差，不易发生触电事故，故相对交流系统，提高了维护人员的安全性。而各种设备内部的开关电源变压整流后的低压直流电保持原状，负极可以接地。

3、虽然设备插头不论正插、反插都可以正常工作，而不损坏设备，但我们还是规定所有插座采用统一接法。类似强电系统“左零右火中接地”的接法，我们参照电信施工标准，对240V高压直流采用PDU（Power Distribution Unit）电源分配单元插座（主要是机柜电源插座），此类插座内置断路器，有过流保护的功能。

网上曾有人撰文，认为高压直流不能直接为服务器ATX电源供电。为慎重起见，我们对监播机房的正在工作的计算机及服务器暂时不接入高压直流系统，而是仍使用专用的220V交流供电，另外用240V高压直流接上几台闲置的服务器和家用电脑，测试高压直流对ATX电源系统的影响。但我们经过近一年的测试及观察，没发现任何问题，现已全部将服务器接到高压直流电上，工作正常。

4、对于部分交换机，由于采用的是原通讯行业-48V供电标准，是不能直接使用240V高压直流供电的。这里有两个解决办法，一是将-48V开关电源模块更换为220V的，二是从电池组中跳线，抽取出-48V电源，使用专线给设备供电。

5、为安全起见，严禁带电插拔直流电源输入输出插头。因为高压直流容易引起直流拉弧，必须在关闭设备电源开关的情况下，才能拔插设备电源插头。这需要在设备电源引入处进行警示，同时严禁将采用变压器供电的设备带入机房使用。

6、系统改造必须电力专业牵头，由有强电操作证书的专业电工实施，全程监督，方案要会审。

7、对广播电视台核心网络、信源编码复用平台、信道传输网络、BOSS运营支撑系统、CAS、EPG、光传输系统等设备等，暂时仍采用原有UPS系统供电。如现有UPS系统存在使用年限长、负荷重、故障率高、供电可靠性差等问题，从保障播出安全、兼顾设备折旧的角度考虑，结合今年的电源安全隐患整治工作，采用高压直流系统建立可靠的备份供电系统。

8、对部分低功耗的分前端或光工作站，如果UPS系统未老化，暂时使用。因为目前高压直流供电系统需要多组电池串接使用，成本稍高于12～24V蓄电池组，故对低功耗的分前端或光工作站，还是使用UPS更经济（只需12～24V蓄电池组）。但随着高压直流设备的不断完善，以后也将出现小型240V高压直流电池组，则完全可取代传统UPS电源。

高压直流解决了哪些问题？

1. 适应性强，240V直流供电系统能够支持广播电视设备的主要电源标准（ATX、SSI标准）

2. 供电系统可靠性大大提高。我台监播机房240V高压直流系统已使用一年，目前所有系统运行稳定，解决了UPS系统故障频发、系统阻断问题。

- 分散供电模式

- 蓄电池直接向负荷供电

- 扩容方便，可维护性强

3.不存在“零地”电压差问题，与市电完全隔离，可靠性更高

4.由于无对地电压，不易发生触电事故，安全性更高

5.节能效果明显，普遍节电25～30%

6.节省投资40%以上，减少超前投资50%以上

7.全部采用国产电源设备

8.系统结构相比UPS系统更为简单可靠，节省机房空间

实验结论：广电机房设备高压直流供电取代UPS是明显的趋势

结束语

国内广电部门使用HVDC高压直流供电系统还处在起步阶段，我台也在摸索高压直流应用的稳定性与可靠性。直流电源系统具有设备初期投资少、可靠性高、维护方便、可安全扩容、运行维护费用较低的特点，对于广播设备等精密电子设备干扰小，具有良好的电磁兼容性，尤其有利于广播电视系统的高质量、稳定、安全运行。因此，无论从理论上探讨还是实际使用情况统计分析，结论是直流电源供电系统的效率、安全性和可靠性比交流电源供电系统（UPS 系统）要高。利用高压直流对广电前端设备及IP设备供电，改变了传统的供电模式，将以一个全新的理念注入广电电源行业，受到业界的高度关注，尤其是经济效益和社会效益显著，相信很快会被广播电视运营商接受。