融媒体中心的UPS电源系统改造实践
2022-10-08黄斌
黄 斌
(重庆三峡融媒体中心,重庆 万州 400014)
0 引 言
随着计算机应用系统对电源的要求越来越高,不间断电源(Uninterruptible Power Supply,UPS)日益受到重视,并逐渐发展成为一种具有稳压、稳频、滤波、抗电磁和射频干扰以及防电压浪涌等功能的电力保护系统。尤其是在电网的线路及供电质量不太高、抗干扰技术落后,同时计算机系统对电源的要求又比较高的情况下,UPS的作用就更加明显。
1 UPS技术原理
UPS电源系统是供配电系统的重要组成部分,可在市电输入中断时保证其所带负载的供电不间断,以维持技术系统的正常运转,同时在市电输入正常时具有整流、净化市电的作用,能使供电输出相对更加稳定[1]。
UPS是将蓄电池(多为铅酸免维护蓄电池)与主机相连接,通过主机逆变器等模块电路将直流电转换成市电的系统设备[2-4]。UPS的基本技术原理如图1所示。
图1 UPS基本原理示意图
UPS电源系统的规划建设需要综合考虑系统性能、建设成本及后期维护等多方面因素,才能达到好用、实用、耐用的效果。本文将结合改造实际中的相关问题进行阐述。
2 融媒体中心UPS电源系统改造总体方案
重庆融媒体中心原有的UPS电源系统采用两台塔式三进单出的40 kVA的UPS主机,分别配置3组蓄电池组,每组40只电池,外部电源接入不同回路的市电线路。虽然电池组于2016年进行过整体更换,但整套电源系统经过10余年的运行,老化日益严重,故障频发。因此,UPS电源系统的改造势在必行。
重庆融媒体中心UPS电源系统改造项目分为二期。一期新增了200 kW的柴油发电机和ATS自动倒换开关,配置了1台EA66160三进三出的160 kVA的在线双变换式模块化UPS主机(可满配8块20 kVA的功率模块,本项目实际配置4块);二期配置了同一厂家的EA66100(100 kVA)三进三出模块化UPS主机(可满配5块20 kVA的功率模块,实际配置3块,含从160 kVA模块化UPS主机迁移的1块),构成具备扩容能力的在用60 kVA独立的双机系统。系统设备连接如图2所示。
图2 UPS电源系统设备连接示意图
3 UPS电源负载设计
以国内目前融媒体中心的普遍配置情况来看,需要接入UPS电源的负载主要包括广播直播间、广播电视节目编排和播出、报刊编排、节目制作后台及部分制作工作站等技术系统。主要设备大致分为两类,一类是服务器、存储器、网络交换机及计算机等,另一类是调音台、节目播出周边及信号接收传输等设备。上述设备内部电源大多采用开关电源,而在以开关电源作负载时,一般UPS的功率因数仅为0.65左右。
重庆融媒体中心原有两台塔式UPS主机的输出电流的测试数据共计160 A左右。考虑到未来融媒体中心功能模块及技术系统需不断迭代,伴随着大量新设备的增加,因此,在进行重庆融媒体“中央厨房”技术系统项目建设过程中,经估算硬件设备总功率为45 kW左右,按照0.7左右的功率因数折算为视在功率应为65 kVA,也就是本次UPS电源系统改造的负载容量。考虑到实际情况,除计算机外,大部分设备为双电源,其中对于广播电视节目播出通路的相关设备,明确规定必须接入不同的UPS回路。经过对融媒体中心UPS电源负载的现有技术系统的工作时段分析,报刊编排及制作工作站一般仅在白天使用,晚上19点之后下班停机,相应的负载量减少3~4 kVA。
4 UPS主机的选型和冗余方式
UPS主机的选型需使用知名品牌、提供有效检测报告、售后服务能力有保障的正规厂家产品,必须根据行业规范的技术参数对照检查。目前,主流厂家推出了在线双变换式的UPS主机,支持模块热插拔,采用全数字化控制技术,具备智能化管理功能,其实质就是相同功率的模块N+X并联冗余,当某块模块故障,可进行热更换而不影响正常工作。在功率容量方面,本次改造项目确定5+1块(1为冷备)20 kVA的功率模块,虽然目前也有智能管理的功率模块可实现智能休眠,但根据投入运行后负载量,在晚上非上班时段测到的功率减少仅有3~4 kVA,因此在后期维护时,项目采用定期、手动方式进行1块冷备功率模块在该机框轮换插拔,实现功率模块的轮换接入使用,达到在用与冷备模块同步使用同步老化的目的。
项目针对UPS电源的冗余方式采用2N双总线系统。两台UPS主机独立运行,分别输入至双电源设备和节目播出主备通路的字幕机、播控机等单电源设备,其余设备则按UPS电源输出三相均衡调配供电。改造项目建设过程中,考虑到未来融媒体中心新设备的增添,在首期选用160 kVA的模块化UPS主机时,规划增加了功率模块,可扩容至100 kVA或更大容量。考虑到单点故障问题,二期项目根据广播电视安全播出的要求以及UPS主机、供电输出线路的备份等需求进行综合考虑,最终确定再配备1台UPS主机,形成独立的双机运行系统。
5 蓄电池组的配备
蓄电池组的后备时间决定了电池组容量,进而很大程度上影响整个UPS电源系统的经济性[5]。鉴于本次融媒体中心改造项目在配备了柴油发电机的基本保障下,确定后备时间为2个小时,改造时根据蓄电池组内阻分析仪测试结果,暂时利旧原两组40只×3组的蓄电池组。
蓄电池组容量×电压/主机额定功率×0.75(功率因数)=满载时蓄电池工作时间。以目前融媒体中心UPS主机(60 kVA的额定工作功率)为例计算,40块×3组=120块蓄电池,额定放电电压12 V,容量100 Ah。系统满载时,蓄电池组工作时间为100 Ah×3组×40块×12 V/60 000 W×0.75=3.2 h。改造完成之后,2台UPS主机的视在功率分别为32 kVA和23 kVA。如果以实际负载功率计算则可达4.5 h。经过实际放电测试,视在功率为32 kVA的蓄电池组,放电2.5 h后电压达230 V左右,说明利旧电池组完全满足要求。
6 改造后的运行效果
UPS电源系统改造投用1年多以来,性能可靠,运行稳定。在此期间,逐渐出现不少内阻增大、浮充电压升高达14 V的蓄电池。结合电池组使用年限已达6年的情况,维护人员陆续更换了近20节电池。近期,将更换3组100 Ah×32块×12 V的全新蓄电池组,其中2组接入视在功率为32 kVA的UPS主机,另1组接入23 kVA的UPS主机。与此同时,调整UPS电源负载的部分输出线路,将UPS主机的视在功率分别调整为36 kVA和19 kVA左右,与新配蓄电池组的工作时间匹配。这样,最大化利用了原有蓄电池,在节约成本的同时又使供电得到保障。
7 UPS电源系统维护应注意的问题
根据相关资料,UPS电源系统的维护工作主要集中在蓄电池组部分[6]。模块化UPS主机配备了远程监测智能管理软件,可实时读取UPS的输入输出电压、电流及负载等状态参数值。本次改造还安装了蓄电池在线监测系统,实时采集电池组的总电压、电流、温度等参数,监测每只电池的内阻、电压、温度,为检测、维护蓄电池组提供了准确的科学依据。
为保证UPS电源系统的正常运行,除做好电源主机等系统的日常定期实地巡查和监测系统管理外,特别要注意蓄电池组的维护性放电,防止电池深度放电。在放电过程中,通常使其放电容量达到其额定容量的50%就要停止放电,以免影响循环使用寿命。在蓄电池放电维护的时候也可以使用UPS主机的自检功能,设置放电时间,无需断开市电开关,当主机检测到蓄电池低压时自动转为市电模式,这样极大地避免掉电风险。
8 结 语
本文以重庆融媒体中心UPS电源系统改造总体方案为例,介绍UPS电源系统改造的技术路线、设备需求,对比分析了改造效果,提出了UPS电源系统的维护注意事项,对我国广大融媒体中心的UPS电源系统改造有一定参考价值。