广播电视UPS 系统设计技术分析

杨俊杰

(苏州市广播电视总台,苏州 215021)

1 设计依据

对广播电视系统来说,UPS 电源通常是播控设备、直播设备等重要设备的最后一道供电保障,特别在国家广播电视总局出台《广播电视安全播出管理规定及实施细则》(总局62 号令)后,广播电视系统对UPS 的应用有了更加明确的规范性要求,其UPS 电源设计方案的可靠性、合理性受到越来越多的重视与探讨。

在《广播电视安全播出管理规定及专业实施细则》(第62 号令)中,对UPS 系统配置应用方面重点引用了GB 50174-2017《数据中心设计规范》中的数据机房分级应用标准,其分级标准如表1 所示。

UPS 电源系统分级配置标准表 表1

2 系统配置方式

2.1 配置方式的选择

供配电系统作为广播电视技术系统的重要环节,其系统设置有着严格的安全指标规定。 根据覆盖范围的不同,广播电视中心保障等级划分为一级、二级、三级,供配电系统应严格对应保障等级在专用电源、自备电源、专用变压器、不间断电源(UPS)、后备时间等方面进行不同的配置。 在《广播电视安全播出管理规定及实施细则》(总局62 号令)中,不同保障等级的广播电视中心供配电系统的规定如表2 所示,该规定在实践中已运行多年,相对稳定。

广播电视中心供配电配置标准表 表2

广播电视的技术系统包括总控、直播转播、节目制作、数据传输、节目信号发射监测与接收等系统。 1 级广播电视中心的主备播出设备、双电源播出设备,应选择A 级机房UPS 系统配置;1 级广播电视中心的其他重要技术设备以及2、3 级广播电视中心的主备、双电源播出设备,可选择B 级机房UPS 系统配置。 一个省级台的项目由于工艺需求不同、供配电等级不同,项目中可能会有A 级、B级、C 级三个不同等级的机房UPS 设置,而其中的A级机房还应根据工艺需求在2N 和M(N+1)系统中进行准确选择。

在UPS 系统的电源输入柜、主机输入柜输出柜、负载输出柜等各环节装置中,应合理采用空气开关上下级完全选择性配合等多项安全措施,以保证供电系统不越级跳闸,同时配置方式应使故障在最小范围得到有效控制并通过容错或冗余配置合理撤出系统。 接下来对A、B 级机房UPS 电源配置的分析探讨,针对不同供电保障等级,合理确定UPS系统配置方式,以保障系统使用达到相关标准。

2.2 N+1 并联冗余的配置方式(B 级数据中心标准)

UPS 系统的第一类故障来源为UPS 主机或电池的故障,为应对这类故障风险,UPS 系统可采用双主机(或模块化的多主机,本文以双主机为例进行探讨)、双电池的N+1 并联冗余模式的配置方式,其供电方式:2 台UPS 主机由同一母线输入电源,并经同一母线共同为负载供电。 UPS 系统正常运行时,2 台主机自动均分负荷,各自承担总负荷的50%;一台主机或一套电池发生故障时,UPS 自动退出运行,所有负荷在0s 转换时间下切换至剩余UPS;如果发生系统过载的情况,整个UPS 系统转旁路运行。

N+1 并联冗余配置具有容错冗余和扩容双重功能,根据资料,N+1 并联冗余系统的平均无故障时间(MTBF)是单机系统的5.5 倍,大大增高了可靠性。 图1 所示为N+1 并联冗余接线图。

2.3 2N 双母线冗余的配置方式(A 级数据中心标准)

UPS 系统的第二类故障来源为UPS 系统至负荷之间配电线路的故障。 为应对这类故障风险,UPS 系统可采用2N 双母线冗余的配置方式,其供电方式:2 台UPS 主机(或2 组模块化的并联主机,本文以双主机为例进行探讨)由2 段独立的母线输入电源,并经2 段独立母线分别为负荷供电。 正常运行时,每台主机承担总负荷的50%;当1 套系统的主机、电池发生故障或是主机至负荷之间配电线路发生故障时,所有负荷切换至剩余UPS。 对于双输入端子的设备,其2 路负荷电源分别取自2 套独立的UPS 系统,当1 套UPS 系统的任何设备或线路发生故障,负荷在0s 转换时间下自动切换至剩余的UPS;对于单输入端子设备,其负荷电源接在静态转换开关(STS)的输出端,2 套UPS 系统电源分接在静态转换开关(STS)的输入端,当一套UPS 系统上的任何设备和线路发生故障,负荷经转换时间为1/4周波,STS 切换至剩余UPS。

图1 N+1 并联冗余接线图

2N 双母线冗余系统可实现点对点冗余,在N+1并联冗余系统的基础上进一步提高了容错能力。图2 所示为2N 双母线冗余接线。

2.4 M(N+1)冗余的配置方式(A 级数据中心标准)

除2N 双母线冗余外,M(N+1) 冗余的配置方式也是广播电视UPS 系统中最常用的方式之一,其中以M=2 即2(N+1)配置方式在1 级广播电视系统中应用较广。 其供电方式:四个主机、四套电池两两组成2 段独立的并联母线,2 段独立母线分别为负荷供电。 正常运行时,每台主机承担总负荷的25%;当1 套系统的主机、电池发生故障时,故障系统所承担的负荷切换至与之并机的UPS 系统;当一段母线至负荷之间配电线路发生故障时,另一段母线承担全部负荷。

该配置方式结合了N+1 系统与2N 系统的优点,为从电源入口到关键负载的所有线路提供了全方位的冗余,即使在并行维护的过程中,也仍存在冗余,无需将负载转换到旁路模式。

图2 2N 双母线冗余接线图

通过以上分析可以看出,在满足保障等级前提下,若负荷以单输入端子设备为主,则N+1 并联冗余的配置模式可减少STS 的使用从而更为适宜, 因为STS 意味着单故障点及复杂的故障模式;若负荷以双输入端子设备为主,则2N 双母线冗余的配置模式的可靠性更强;在经济成本与空间场地均能接受且重点关注高可靠性的情况下,则应使用M(N+1)冗余的配置方式。 具体在应用实践中,可根据实际情况将三种配置模式灵活组合使用。 图3 所示为2(N+1)双母线冗余接线。

此外,按GB 50174-2017《数据中心设计规范》第3.2.2 条,在市电电源质量有相对保障的情况下,A 级数据中心还可采用1 路(N+1)UPS 与1 路市电供电的双母线冗余模式,但这种方式在广播电视系统中应用较少,具体可参阅18DX009《数据中心工程设计与安装》。

2.5 UPS 系统输入电源的配置

UPS 系统的第三类故障来源为UPS 系统上级电源。 为应对这类故障风险,N+1 并联冗余模式的2 路输入电源应采用自动转换开关进行自动切换,且2 路电源应保证对应不同的外部电源或1 路外部电源与1 路柴油发电机电源。 对2N 及2(N+1)双母线冗余模式而言,2 路输入电源之间可不装设自动转换开关,但应保证2 路电源对应于不同的外部电源,且柴油发电机电源已接入工艺变压器低压侧(或高压侧)的主母排。

图3 2(N+1)双母线冗余接线图

此外,广播电视系统还有其自身的特殊性,一些UPS 供电的重要播出设备自启用后就不再有检修时间窗口,这为输入电源自动转换开关的维护、维修带来很大不便。 为了克服这一问题,广播电视系统中广泛釆用一体式带维修旁路的自动转换开关,也可对现有自动转换开关进行组合式线路改造,增设手动维修旁路开关。 图4 所示为自动转换开关双维修旁路原理。

图4 自动转换开关双维修旁路原理图

3 蓄电池的容量计算

3.1 单体电池电压的选择

单体电池电压主要分为2V、12V 两种,对于同一类型的VRLA(阀控式密封铅酸)蓄电池来说,两种电压的电池放电特性基本相似,没有明显区别,一般2V 蓄电池通常容量比较大,在通信行业、电力系统直流电源中被广泛应用,而对于UPS 系统来说,因为UPS 电源的直流工作电压较高,所以12V电池在成本、安装空间等方面比2V 电池更有优势。因此,下文中提到的电池容量计算将以广播电视UPS 系统中应用更为普遍的12V 电池为例,2V 电池的容量计算原理与之相同。

3.2 容量计算方式的选择

我国传统的计算蓄电池容量的方法为安时法,其在GB 51194-2016《通信电源设备安装工程设计规范》中有详细描述,而当前蓄电池生产厂家普遍采用的是恒功率(或恒电流)法,其使用更为方便。这两种计算方式从理念上来讲是一致的,特别是安时法中的放电容量系数的取值不再依据GB 51194-2016 表5.2.4 中的经验取值,而是直接采用蓄电池厂家的放电数据表进行计算,其精确度会大大提高。 下面对两种计算方式分别进行实例计算及电池选型,并进行对比。

3.3 安时法

按GB 51194-2016《通信电源设备安装工程设计规范》第5.2.4 条,蓄电池组容量计算如式(1)所示:

式中,Q 为蓄电池总容量,Ah; K 为安全系数,取1.25; I

为负荷电流,A;T 为放电小时数,h; η 为放电容量系数;α 为电池温度系数,1/℃,当放电小时率≥10,取α = 0.006;当10 ＞放电小时率≥1,取α = 0.008;当放电小时率＜1,取α = 0.01;t 为实际电池所在地最低环境温度,℃,所在地有采暖设备时,按15℃考虑;无采暖设备时,按5℃考虑。

3.3.1 蓄电池总容量Q

按GB/T 19638.1-2014《固定型阀控式铅酸蓄电池第1 部分:技术条件》第6.17 条容量性能试验,计算出的蓄电池容量指的是放电10 小时率额定容量。

3.3.2 负荷电流 I

按GB 51194-2016 第5.2.5 条,负荷电流计算如式(2)所示:

式中,P

为输出有功功率,W;μ 为逆变器效率,一般可达0.95;U 为蓄电池放电时逆变器的输出电压,V。

3.3.3 蓄电池放电时逆变器的输入电压 U

广播电视系统采用的UPS 容量在20kVA 以上时为三相输出,其逆变器的直流输入标称电压为384 ～420V,按GB 51194-2016《通信电源设备安装工程设计规范》第5.1.3 条,12V 单体电池的浮充电压为13.20～13.62V,按不利情况取浮充电压为13.20V。

按DL/T 5044-2014 《电力工程直流电源系统设计技术规程》附录C,每组蓄电池节数n (只)的数量如式(3)所示:

式中,Un为直流电源标称电压,V; Uf为单体蓄电池浮充电压,V。

按GB 51194-2016《通信电源设备安装工程设计规范》第5.2.5 条,2V 单体电池的放电输出电压取1.85V,12V 单体电池的放电输出电压则取1.85×6=11.1(V)。 蓄电池放电时逆变器的输入电压U(V)如式(4)所示:

3.3.4 放电小时数T

国家广播电视总局出台《广播电视安全播出管理规定及实施细则》之后,广播电视UPS 系统的放电小时率统一要求为0.5。

3.3.5 放电容量系数η

在GB 51194-2016《通信电源设备安装工程设计规范》表5.2.4 中,列出了放电容量系数为经验取值,但是在实践过程中会发现,不同品牌不同型号的电池放电容量系数有着较大的差异,特别是高功率电池的放电容量系数实际值与该表给出的经验取值差异更大,所以建议通过电池厂家提供的放电参数来计算放电容量系数会更为准确,比如一款玻璃纤维隔板(AGM)阀控式密封12V 200AH 电池的放电容量系数如表3 所示。

一款12V 200AH 电池的放电参数表 表3

通过表3 可以看出,随着电池生产工艺的不断进步,电池放电容量系数的实际值已经和规范给出的经验值有了较大的差异,所以在计算过程中取实际值可以得到更为精准的结果。

3.4 恒功率法

恒功率法的计算原理为:UPS 系统放电过程中,输出功率基本恒定,而蓄电池的放电电压逐步降低、放电电流逐步增大,直到放电电压下降至终止电压。 因此,在恒功率条件下蓄电池厂家进行不同放电小时率的放电性能测试,并将参数提供给用户,比如表3 中就列出了一款12V 200AH 电池的恒功率放电参数。

恒功率法的计算方法为将安时法中的式(2)、(4)代入式(1),并简化可得式(5):

式中,W 为放电功率,W,折算至2V 单体电池的放电功率; K 为安全系数,取1.25; P 为输出有功功率,W;μ 为逆变器的效率,一般可达0.95; n 为每组蓄电池节数;α 为电池温度系数,1/℃,当放电小时率≥10,取α = 0.006;当10 ＞放电小时率≥1,取α = 0.008;当放电小时率＜1,取α = 0.01;t 为实际电池所在地最低环境温度,℃,所在地有采暖设备时,按15℃考虑;无采暖设备时,按5℃考虑。

3.5 恒功率法的另一种简略算法

在实际负载有功功率尚不明确,仅已知UPS 主机额定容量的情况下,蓄电池厂家在使用恒功率法计算电池容量时一般采用另一种简略算法,如式(6)所示:

式中,W 为放电功率,W,折算至2V 单体电池的放电功率;S

为UPS 主机额定容量,VA; cosφ 为负载功率因数,统一取1;μ 为逆变器的效率,一般可达0.95;n

为每组蓄电池节数。在这种算法中,电池容量不再进行安全系数及温度系数的修正,主要是因为UPS 主机本身就存在使用安全系数,负荷率一般不超过额定容量的90%,此外,将负荷功率因数统一取值为1,相当于又进行了一次粗略的修正,所以这种算法的最终结果基本可用。

4 结束语

按广电总局规定,UPS 系统检修如果涉及到广播电视节目临时停播,且播出影响范围涉及全国或跨省时,应采取提前报批等停播申请程序,故系统供配电设计均应充分考虑到带电维护及故障设备安全退出的可能性,采用避免单点故障的系统配置。 此外,应用配电监控系统和环境监控系统也是提高安全保障的重要措施,通过对整个供配电系统监测预报警故障,实现在线诊断早发现、早预防,可有效提高24h 不间断供电运行可靠性。

广播电视行业UPS 配电系统设计技术是一整套完整技术,依据不同技术工艺,统筹考虑配电系统等级需求、运行管理需求、技术管理需求之后,方能合理确定UPS 系统配置方式,以保障不同等级的工艺技术用电需求。