江蘇廣播播出系統(tǒng)UPS電源系統(tǒng)設(shè)計與實施

高建華 張晨光 江蘇省廣播電視總臺廣播傳媒中心

1.前言

根據(jù)國家廣播電影電視總局第62號令以及2010年2月正式施行的《廣播電視安全播出管理規(guī)定》中供配電系統(tǒng)配置的規(guī)定：各級播出單位都應(yīng)符合《供配電設(shè)計規(guī)范》（GB50052）對一級負(fù)荷的規(guī)定：由兩個電源供電，且當(dāng)一個電源發(fā)生故障時，另一個電源不應(yīng)同時受到損壞。一級負(fù)荷中特別重要的負(fù)荷，除由兩個電源供電外，尚應(yīng)增設(shè)應(yīng)急電源，并嚴(yán)禁將其他負(fù)荷接入應(yīng)急供電系統(tǒng)。主要播出負(fù)荷應(yīng)采用UPS供電，主備播出設(shè)備、雙電源播出設(shè)備應(yīng)分別接入不同的UPS供電回路，且UPS電池組后備時間應(yīng)滿足設(shè)計負(fù)荷工作60分鐘以上。

江蘇廣播作為省級廣播電臺，目前播出系統(tǒng)電源設(shè)置嚴(yán)格按照《廣播電視安全播出管理規(guī)定》的要求，從外電接入到應(yīng)急供電系統(tǒng)的配置遵循不間斷、高質(zhì)量、既經(jīng)濟、又安全的方針，以應(yīng)對供電系統(tǒng)的突發(fā)和緊急狀況。

2. 方案配置

過去江蘇廣播外電輸入系統(tǒng)，雖然具備雙回路準(zhǔn)專線供電以及應(yīng)急柴油發(fā)電機相配合的供電保障，可以應(yīng)對一路或兩路外電較長時間失電情況的發(fā)生（供電部門提前通知）。但是，如遇供電線路突發(fā)故障或線路波動閃斷等現(xiàn)象發(fā)生，值班人員從發(fā)現(xiàn)到采取相應(yīng)的步驟處理故障，期間會有一定的失電時間，不能保證外電供電的不間斷。

近年來廣播事業(yè)蓬勃發(fā)展，聽眾對收聽廣播獲取信息的需求也越來越大。2010年國家廣電總局第62號令的正式實施，市場和政策法規(guī)都對廣播節(jié)目從內(nèi)容制作到播出質(zhì)量提出了更高的要求。因此，針對江蘇廣播播出系統(tǒng)電源存在的上述問題，建設(shè)新配電房時，我們在播出系統(tǒng)電源中增加了UPS不間斷電源保障系統(tǒng)，以保障節(jié)目播出的完整 。

UPS系統(tǒng)是連接在輸入電源和負(fù)載之間，為播出系統(tǒng)提供不受電網(wǎng)干擾、穩(wěn)壓、穩(wěn)頻的電源設(shè)備。在市電掉電后，UPS系統(tǒng)可將電池能量逆變給負(fù)載，繼續(xù)提供一段時間的供電。

UPS系統(tǒng)由整流模塊（REC）和逆變模塊（INV）組成的AC-DC-AC變換主回路、由反向并聯(lián)的可控硅組成旁路靜態(tài)開關(guān)、維修旁路空開Q3BP、輸出隔離變壓器和逆變靜態(tài)開關(guān)、蓄電池組以及輸入Q1/輸出空開Q5等組成，UPS原理見圖1。系統(tǒng)輸出穩(wěn)定、潔凈、不間斷電源 ，從而做到系統(tǒng)供電的不間斷。

我們在確定具體方案時，參考研究了UPS系統(tǒng)常用的幾種并機運行方式，如：冗余并機、擴容并機以及串聯(lián)熱備份工作模式。著重研究了常用的冗余并機和擴容并機系統(tǒng)的特點。冗余并機運行不提高系統(tǒng)的容量但可大大提高系統(tǒng)的可靠性；擴容并機運行不能提高系統(tǒng)的可靠性但可增加整個系統(tǒng)的容量。通過對比二者的特點，結(jié)合江蘇廣播電力系統(tǒng)已有的相應(yīng)配置和播出系統(tǒng)設(shè)備負(fù)載的實際總?cè)萘?，以及廣電總局的相關(guān)規(guī)定等情況，在充分考慮了我臺播出系統(tǒng)所需負(fù)載容量和對電力系統(tǒng)穩(wěn)定可靠性的需求后，最終采用適合江蘇廣播播出系統(tǒng)運行的1+1雙機冗余并機運行方式。

圖1 UPS原理圖

3. 方案實施

將兩臺容量為60KVA/48KW其性能、容量和型號參數(shù)相同的艾默生iTrust UL33系列UPS不間斷電源并機接入播出系統(tǒng)電源運行。該兩臺UPS系統(tǒng)并聯(lián)連接在輸入電源和播出系統(tǒng)設(shè)備之間，工作狀態(tài)為在線模式，形成單總線雙機冗余系統(tǒng)。整個系統(tǒng)由ATS雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)、整流模塊、逆變模塊、輔助電源、輸入和輸出配電、監(jiān)控系統(tǒng)以及并機控制輸入輸出隔離濾波系統(tǒng)等組成。主要性能參數(shù)指標(biāo)如下：

（1）主路輸入：輸入電壓380V（線電壓）、輸入方式三相三線、功率因數(shù)＞0.99、諧波電流＜3%、電壓范圍+15%～-45%，-20%～-45%之間降額使用、頻率范圍50Hz±10%；

（2）旁路輸入：輸入電壓380V（線電壓）、輸入電壓范圍±10%、輸入方式三相四線、頻率范圍50Hz±10%

圖2 江蘇廣播播出系統(tǒng)UPS 1+1冗余并機原

（3）輸出：穩(wěn)態(tài)電壓精度（平衡負(fù)載）±1%、動態(tài)電壓瞬變±5%（0～100%負(fù)載變化）、動態(tài)瞬變恢復(fù)時間＜20ms、電壓畸變（線性負(fù)載）THD＜1%（相電壓）、電壓畸變（ 非線性負(fù)載）THD＜3%（相電壓）、功率因數(shù)0.8（滯后）、頻率跟蹤范圍50Hz±2Hz、頻率精度（電池逆變）±0.1%、三相相位差120±1°（平衡或不平衡負(fù)載）、100%不平衡負(fù)載電壓時穩(wěn)壓精度±2%、頻率跟蹤速率＜1Hz/s。

（4）逆變器過載能力

① 105%額定負(fù)載＜負(fù)載＜125%額定負(fù)載時，10±0.1min后轉(zhuǎn)旁路輸出；

② 125%額定負(fù)載＜負(fù)載＜150%額定負(fù)載時，一分鐘后轉(zhuǎn)旁路輸出；

③ 負(fù)載＞150%額定負(fù)載時，200ms后轉(zhuǎn)旁路輸出；輸出電流峰值比3：1。

（5）系統(tǒng)：系統(tǒng)效率（線性負(fù)載）92%、系統(tǒng)效率（ECO模式）＞98%、電池逆變效率（線性負(fù)載）94%、空載環(huán)流＜1A、電流不平衡度＜1%、絕緣電阻（Ω）＞2M（500VDC）、絕緣強度（輸入輸出對地）2820Vdc,1min無飛弧、漏電電流＜3.5mA。

常態(tài)是外電輸入連接在市電1 2#延齡巷線上，當(dāng)2#線失電則利用ATS自投開關(guān)自動切換到市電2 1#游府西街線。

正常工作狀態(tài)下，各臺UPS系統(tǒng)間自動均分負(fù)載，當(dāng)其中一臺UPS系統(tǒng)故障時，自動切換退出運行，另一臺UPS承擔(dān)全部負(fù)載繼續(xù)供電；如果系統(tǒng)過載或故障，則整個UPS系統(tǒng)通過開關(guān)轉(zhuǎn)旁路運行。二者的輸出分別供給各播出機房的主備播播出系統(tǒng)，做到在一路外電電源失電的情況下，不影響節(jié)目的正常播出。即使在兩路外電電源同時失電的情況下，UPS系統(tǒng)也可利用其自身的蓄電池組所蓄電力保證在60分鐘內(nèi)完全承擔(dān)全部節(jié)目的播出。

通過上述介紹可見江蘇廣播播出電源UPS系統(tǒng)具有以下特點：

（1）兩臺UPS通過冗余并機顯著提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，常態(tài)下每臺UPS均未工作到滿載，即使負(fù)載適當(dāng)增大，系統(tǒng)仍能維持逆變供電而不轉(zhuǎn)旁路。

（2）通過冗余并機大大增加了系統(tǒng)過載能力，容量是單臺UPS的兩倍，為系統(tǒng)提供了更大的設(shè)備負(fù)載和過電能力。

（3）冗余并機和單臺UPS一樣具有正常工作模式、電池工作模式、旁路供電模式和維修工作模式，當(dāng)冗余系統(tǒng)失去冗余能力時，并機系統(tǒng)將發(fā)出告警，大大提高了平均無故障時間和系統(tǒng)的可靠性。

4.總結(jié)和建議

4.1 總結(jié)

江蘇省廣播電視總臺廣播傳媒中心播出系統(tǒng)電源2007年開始啟用UPS不間斷電源系統(tǒng)，該系統(tǒng)經(jīng)過十年的使用，在日常播出和各類重大安全播出保障期中，無論是遇到外電失電或是電源閃斷現(xiàn)象，均提供了可靠的供電保障，保證了廣播正常播出，確保滿足廣電總局不間斷、高質(zhì)量、既經(jīng)濟、又安全的要求。實際運行證明，該系統(tǒng)具有一定的安全可靠性，適合江蘇廣播播出系統(tǒng)的需求，同時對兄弟臺也可起到借鑒作用。

4.2 建議

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，特別是近年來廣播電視技術(shù)設(shè)備呈快速升級換代之勢，目前從制作到播出的設(shè)備已基本進(jìn)入全新的數(shù)字時代，這一變化必將要求對播出系統(tǒng)所提供的電能具有更高的安全可靠性。

目前我們使用的UPS是單總線雙機冗余保障系統(tǒng)，在遇到一路外電失電時可通過ATS雙電源轉(zhuǎn)換開關(guān)實現(xiàn)自動切換，但如果ATS轉(zhuǎn)換開關(guān)發(fā)生故障則無法實現(xiàn)自動轉(zhuǎn)換，形成“單點瓶頸”故障，此時只能利用UPS系統(tǒng)電池提供電能，制約了系統(tǒng)性能的發(fā)揮。

目前解決上述“單點瓶頸”故障隱患的辦法有很多，如“雙總線雙機冗余保障系統(tǒng)”等，但這種優(yōu)化改動涉及面廣，遇到的問題也多（設(shè)備配置、場地、資金、負(fù)載需求等）。簡單易行的方法是提高設(shè)備元器件的可靠性，用性能和可靠性更高的轉(zhuǎn)換開關(guān)替代現(xiàn)有的ATS轉(zhuǎn)換開關(guān)，提高切換系統(tǒng)的可靠性。STS靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)（Static Transfer Switch）是一種電源二選一自動切換系統(tǒng)，正常狀態(tài)負(fù)載連接于主電源，當(dāng)主電源發(fā)生故障時，負(fù)載自動切換到備用電源，主電源恢復(fù)正常后負(fù)載可自動切換回主電源，切換方式為先斷后通。較之ATS轉(zhuǎn)換開關(guān)系統(tǒng)具有切換時間短（小于4ms），切換時無火花、無聲音特點，其切換速度比ATS轉(zhuǎn)換開關(guān)快百倍，一般電子設(shè)備對于這種切換幾乎是無縫切換，是替代ATS轉(zhuǎn)換開關(guān)的上佳選擇，使用STS靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)基本可做到電源的不間斷切換。