江苏广播播出系统UPS电源系统设计与实施

高建华 张晨光 江苏省广播电视总台广播传媒中心

1.前言

根据国家广播电影电视总局第62号令以及2010年2月正式施行的《广播电视安全播出管理规定》中供配电系统配置的规定：各级播出单位都应符合《供配电设计规范》（GB50052）对一级负荷的规定：由两个电源供电，且当一个电源发生故障时，另一个电源不应同时受到损坏。一级负荷中特别重要的负荷，除由两个电源供电外，尚应增设应急电源，并严禁将其他负荷接入应急供电系统。主要播出负荷应采用UPS供电，主备播出设备、双电源播出设备应分别接入不同的UPS供电回路，且UPS电池组后备时间应满足设计负荷工作60分钟以上。

江苏广播作为省级广播电台，目前播出系统电源设置严格按照《广播电视安全播出管理规定》的要求，从外电接入到应急供电系统的配置遵循不间断、高质量、既经济、又安全的方针，以应对供电系统的突发和紧急状况。

2. 方案配置

过去江苏广播外电输入系统，虽然具备双回路准专线供电以及应急柴油发电机相配合的供电保障，可以应对一路或两路外电较长时间失电情况的发生（供电部门提前通知）。但是，如遇供电线路突发故障或线路波动闪断等现象发生，值班人员从发现到采取相应的步骤处理故障，期间会有一定的失电时间，不能保证外电供电的不间断。

近年来广播事业蓬勃发展，听众对收听广播获取信息的需求也越来越大。2010年国家广电总局第62号令的正式实施，市场和政策法规都对广播节目从内容制作到播出质量提出了更高的要求。因此，针对江苏广播播出系统电源存在的上述问题，建设新配电房时，我们在播出系统电源中增加了UPS不间断电源保障系统，以保障节目播出的完整 。

UPS系统是连接在输入电源和负载之间，为播出系统提供不受电网干扰、稳压、稳频的电源设备。在市电掉电后，UPS系统可将电池能量逆变给负载，继续提供一段时间的供电。

UPS系统由整流模块（REC）和逆变模块（INV）组成的AC-DC-AC变换主回路、由反向并联的可控硅组成旁路静态开关、维修旁路空开Q3BP、输出隔离变压器和逆变静态开关、蓄电池组以及输入Q1/输出空开Q5等组成，UPS原理见图1。系统输出稳定、洁净、不间断电源 ，从而做到系统供电的不间断。

我们在确定具体方案时，参考研究了UPS系统常用的几种并机运行方式，如：冗余并机、扩容并机以及串联热备份工作模式。着重研究了常用的冗余并机和扩容并机系统的特点。冗余并机运行不提高系统的容量但可大大提高系统的可靠性；扩容并机运行不能提高系统的可靠性但可增加整个系统的容量。通过对比二者的特点，结合江苏广播电力系统已有的相应配置和播出系统设备负载的实际总容量，以及广电总局的相关规定等情况，在充分考虑了我台播出系统所需负载容量和对电力系统稳定可靠性的需求后，最终采用适合江苏广播播出系统运行的1+1双机冗余并机运行方式。

图1 UPS原理图

3. 方案实施

将两台容量为60KVA/48KW其性能、容量和型号参数相同的艾默生iTrust UL33系列UPS不间断电源并机接入播出系统电源运行。该两台UPS系统并联连接在输入电源和播出系统设备之间，工作状态为在线模式，形成单总线双机冗余系统。整个系统由ATS双电源转换开关、整流模块、逆变模块、辅助电源、输入和输出配电、监控系统以及并机控制输入输出隔离滤波系统等组成。主要性能参数指标如下：

（1）主路输入：输入电压380V（线电压）、输入方式三相三线、功率因数＞0.99、谐波电流＜3%、电压范围+15%～-45%，-20%～-45%之间降额使用、频率范围50Hz±10%；

（2）旁路输入：输入电压380V（线电压）、输入电压范围±10%、输入方式三相四线、频率范围50Hz±10%

图2 江苏广播播出系统UPS 1+1冗余并机原

（3）输出：稳态电压精度（平衡负载）±1%、动态电压瞬变±5%（0～100%负载变化）、动态瞬变恢复时间＜20ms、电压畸变（线性负载）THD＜1%（相电压）、电压畸变（ 非线性负载）THD＜3%（相电压）、功率因数0.8（滞后）、频率跟踪范围50Hz±2Hz、频率精度（电池逆变）±0.1%、三相相位差120±1°（平衡或不平衡负载）、100%不平衡负载电压时稳压精度±2%、频率跟踪速率＜1Hz/s。

（4）逆变器过载能力

① 105%额定负载＜负载＜125%额定负载时，10±0.1min后转旁路输出；

② 125%额定负载＜负载＜150%额定负载时，一分钟后转旁路输出；

③ 负载＞150%额定负载时，200ms后转旁路输出；输出电流峰值比3：1。

（5）系统：系统效率（线性负载）92%、系统效率（ECO模式）＞98%、电池逆变效率（线性负载）94%、空载环流＜1A、电流不平衡度＜1%、绝缘电阻（Ω）＞2M（500VDC）、绝缘强度（输入输出对地）2820Vdc,1min无飞弧、漏电电流＜3.5mA。

常态是外电输入连接在市电1 2#延龄巷线上，当2#线失电则利用ATS自投开关自动切换到市电2 1#游府西街线。

正常工作状态下，各台UPS系统间自动均分负载，当其中一台UPS系统故障时，自动切换退出运行，另一台UPS承担全部负载继续供电；如果系统过载或故障，则整个UPS系统通过开关转旁路运行。二者的输出分别供给各播出机房的主备播播出系统，做到在一路外电电源失电的情况下，不影响节目的正常播出。即使在两路外电电源同时失电的情况下，UPS系统也可利用其自身的蓄电池组所蓄电力保证在60分钟内完全承担全部节目的播出。

通过上述介绍可见江苏广播播出电源UPS系统具有以下特点：

（1）两台UPS通过冗余并机显著提高了系统的稳定性，常态下每台UPS均未工作到满载，即使负载适当增大，系统仍能维持逆变供电而不转旁路。

（2）通过冗余并机大大增加了系统过载能力，容量是单台UPS的两倍，为系统提供了更大的设备负载和过电能力。

（3）冗余并机和单台UPS一样具有正常工作模式、电池工作模式、旁路供电模式和维修工作模式，当冗余系统失去冗余能力时，并机系统将发出告警，大大提高了平均无故障时间和系统的可靠性。

4.总结和建议

4.1 总结

江苏省广播电视总台广播传媒中心播出系统电源2007年开始启用UPS不间断电源系统，该系统经过十年的使用，在日常播出和各类重大安全播出保障期中，无论是遇到外电失电或是电源闪断现象，均提供了可靠的供电保障，保证了广播正常播出，确保满足广电总局不间断、高质量、既经济、又安全的要求。实际运行证明，该系统具有一定的安全可靠性，适合江苏广播播出系统的需求，同时对兄弟台也可起到借鉴作用。

4.2 建议

随着科学技术的飞速发展，特别是近年来广播电视技术设备呈快速升级换代之势，目前从制作到播出的设备已基本进入全新的数字时代，这一变化必将要求对播出系统所提供的电能具有更高的安全可靠性。

目前我们使用的UPS是单总线双机冗余保障系统，在遇到一路外电失电时可通过ATS双电源转换开关实现自动切换，但如果ATS转换开关发生故障则无法实现自动转换，形成“单点瓶颈”故障，此时只能利用UPS系统电池提供电能，制约了系统性能的发挥。

目前解决上述“单点瓶颈”故障隐患的办法有很多，如“双总线双机冗余保障系统”等，但这种优化改动涉及面广，遇到的问题也多（设备配置、场地、资金、负载需求等）。简单易行的方法是提高设备元器件的可靠性，用性能和可靠性更高的转换开关替代现有的ATS转换开关，提高切换系统的可靠性。STS静态转换开关（Static Transfer Switch）是一种电源二选一自动切换系统，正常状态负载连接于主电源，当主电源发生故障时，负载自动切换到备用电源，主电源恢复正常后负载可自动切换回主电源，切换方式为先断后通。较之ATS转换开关系统具有切换时间短（小于4ms），切换时无火花、无声音特点，其切换速度比ATS转换开关快百倍，一般电子设备对于这种切换几乎是无缝切换，是替代ATS转换开关的上佳选择，使用STS静态转换开关基本可做到电源的不间断切换。