固定衛(wèi)星通信地球站高壓直流供電設(shè)計(jì)應(yīng)用探討

王力祥，劉學(xué)

（中國(guó)人民解放軍66389 部隊(duì)，河北 石家莊 050081）

全國(guó)各地電視臺(tái)紛紛推出了高清衛(wèi)星直播節(jié)目，使我國(guó)正式步入衛(wèi)星廣播電視時(shí)代。中央級(jí)衛(wèi)星地球站與省級(jí)衛(wèi)星地球站肩負(fù)著廣播電視的重要任務(wù)，是社會(huì)大眾獲得外界信息的主要平臺(tái)。電力配送系統(tǒng)是衛(wèi)星地球站的重要構(gòu)成部分，其核心功能就是為所有衛(wèi)星地球站點(diǎn)提供驅(qū)動(dòng)電力，是所有衛(wèi)星地球站點(diǎn)的生命通道。

1 固定衛(wèi)星通信地球站供電系統(tǒng)概述

1.1 固定衛(wèi)星通信地球站供電要求

首先，電力供給系統(tǒng)的接入電路應(yīng)采用兩條路徑，其中第一條為基于不間斷供電模式的電力專(zhuān)用線(xiàn)路，最大負(fù)荷強(qiáng)度應(yīng)當(dāng)大于30min；其次，發(fā)電機(jī)組的穩(wěn)定性要高，其輸出的功率必須能夠滿(mǎn)足播出系統(tǒng)、空調(diào)機(jī)房、照明系統(tǒng)的滿(mǎn)載運(yùn)行要求，工藝負(fù)荷與其他負(fù)荷應(yīng)采用獨(dú)立的供電線(xiàn)路和供電裝置，機(jī)房系統(tǒng)應(yīng)采用雙通道供電路徑。

1.2 UPS 及其在衛(wèi)星地球站供電系統(tǒng)中的應(yīng)用

衛(wèi)星地球站對(duì)播出安全和播出穩(wěn)定性具有較高要求，為確保節(jié)目播出的連貫性，必須運(yùn)用UPS 作為供電設(shè)備的主控系統(tǒng)。該系統(tǒng)是一種能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控的線(xiàn)上電力控制系統(tǒng)，內(nèi)部采用了兩條電力傳輸路徑，能夠有效確保各種設(shè)備的電力供給安全。在多業(yè)務(wù)同步運(yùn)行的情況下，如果條件較為充足，可為所有播出設(shè)備配置一體化的UPS 系統(tǒng)。目前，UPS系統(tǒng)已經(jīng)在我國(guó)衛(wèi)星地球站中獲得了廣泛應(yīng)用，配電方案主要為以下幾種。

（1）系統(tǒng)運(yùn)行環(huán)境：最低工作溫度為-10℃，最高工作溫度為40℃，系統(tǒng)在25℃的環(huán)境下具有極高的穩(wěn)定性，在≤95%的濕度環(huán)境下，系統(tǒng)硬件不存在凝露現(xiàn)象。

（2）系統(tǒng)容量的配置。非線(xiàn)性負(fù)載是廣播電視機(jī)房設(shè)備的主要荷載特性，大部分廣播電視都采用了開(kāi)關(guān)電源，其中，非線(xiàn)性負(fù)載狀態(tài)下的電流強(qiáng)度較大，容易對(duì)電子元件造成沖擊，在UPS 容量較小的情況下，會(huì)引發(fā)電源波失真現(xiàn)象，末級(jí)器的穩(wěn)定性大幅下降。為確保UPS 電源波形的穩(wěn)定性，必須確保有功功率和無(wú)功功率的對(duì)稱(chēng)性。UPS 功率的計(jì)算公式為：S2=P2+Q2，其中，S 表示視載功率，計(jì)量單位為VA；P 表示有功功率，計(jì)量單位為W；Q 表示無(wú)功功率，計(jì)量單位為VAR。

（3）UPS 的技術(shù)指標(biāo)參數(shù)。線(xiàn)路的電壓強(qiáng)度為380V，電壓荷載強(qiáng)度為±15%，有功功率因數(shù)≥0.95，諧振電流負(fù)載范圍≤5%，振動(dòng)頻率為50Hz±10%。

2 常規(guī)UPS 系統(tǒng)的高壓直流電力的供電情況

2.1 UPS 電力供給系統(tǒng)的可靠性研究

目前，在地球站使用的UPS 系統(tǒng)主要有“1+1”“2+1”“雙系統(tǒng)”等工作模式，這些模式均能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)系統(tǒng)冗余數(shù)據(jù)的持續(xù)備份，可最大化保留系統(tǒng)數(shù)據(jù)的完整性。傳統(tǒng)交流UPS系統(tǒng)采用的是雙線(xiàn)路供電系統(tǒng)，兩條交流電路均為獨(dú)立結(jié)構(gòu)，冗余數(shù)據(jù)的備份機(jī)制覆蓋了設(shè)備輸電的所有環(huán)節(jié)，從而使其具有較高的可用等級(jí)。系統(tǒng)電氣元件的配置參數(shù)如表1 所。

表1 UPS 系統(tǒng)的電氣元件參數(shù)表

則有，市電交流輸入冗余系統(tǒng)可用性A入：

基于交流電源線(xiàn)路的UPS 雙供電系統(tǒng)采用了總線(xiàn)控制電路，可用性計(jì)算公式為：

采用交流電源供電系統(tǒng)的地球站設(shè)備需要通過(guò)對(duì)系統(tǒng)冗余數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)配置，來(lái)保障電源系統(tǒng)的運(yùn)行效率，輸入交流電的過(guò)程中會(huì)完成AC/DC 和DC/AC 的變換，系統(tǒng)中的故障點(diǎn)為較多，供電的效率較低，運(yùn)行穩(wěn)定性較差。

2.2 高壓直流供電系統(tǒng)的可靠性

高壓直流電供電系統(tǒng)與交流電供電系統(tǒng)的線(xiàn)路存在較大差異，本文在對(duì)比分析這兩種電路系統(tǒng)的過(guò)程中，主要以供電系統(tǒng)的整體穩(wěn)定性與可靠性為參考，這種分析了兩種供電系統(tǒng)的可用性?；诟邏褐绷鞴╇娤到y(tǒng)的地球站結(jié)構(gòu)圖形中展示了5 種不同的線(xiàn)路冗余組合：①以交流市電和有機(jī)交流電組成的輸入型線(xiàn)路冗余；②以雙輸入型直流電組組成的雙線(xiàn)路冗余；③基于1、2 蓄電池組的電源線(xiàn)路冗余；④基于AC/DC 變換組合的N+l 線(xiàn)路冗余；⑤基于交流市電輸入線(xiàn)和備用電路AC/DC 變換的整流線(xiàn)路冗余。

（1）AC/DC 整流模塊系統(tǒng)與高壓直流供電系統(tǒng)在串聯(lián)組合模式下的AC/DC 變換，能夠產(chǎn)生與組合系統(tǒng)負(fù)荷需求相符的A8電流，該電流的可用性為A8=0.999997。

（2）冗余系統(tǒng)在市電交流輸入狀態(tài)下的可用性A 入

（3）基于AC/DC 轉(zhuǎn)換的市電整流系統(tǒng)可用性A入+

（4）基于備用直流系統(tǒng)的可用性Ab

（5）基于市電交流和備用直流的冗余系統(tǒng)直流系統(tǒng)可用性：

（6）基于直流配模式的系統(tǒng)Ad

（7）基于高壓直流電路的系統(tǒng)可用性A

將高壓直流供電系統(tǒng)的運(yùn)行數(shù)據(jù)與交流雙線(xiàn)供電系統(tǒng)的可用性數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析后，可以發(fā)現(xiàn)高壓直流供電系統(tǒng)的可用性更高，如果采用這種供電系統(tǒng)作為地球站設(shè)備的供電系統(tǒng)，能夠顯著提高各項(xiàng)設(shè)備的穩(wěn)定性，保障設(shè)備的運(yùn)行質(zhì)量。

3 地球站的高壓直流電路供電方案

3.1 供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

隨著240V 高壓直流供電系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用，相關(guān)的技術(shù)體系已趨于成熟，系統(tǒng)穩(wěn)定性與可靠性均達(dá)到了較高水平。同時(shí)，該系統(tǒng)的穩(wěn)定性較高，動(dòng)態(tài)擴(kuò)容能力較強(qiáng)，電流電力的轉(zhuǎn)換效率高，可維護(hù)性較強(qiáng)，能夠有效滿(mǎn)足高壓直流系統(tǒng)的安全供電需求。相較于傳統(tǒng)供電系統(tǒng)，240V 高壓直流供電系統(tǒng)的技術(shù)成熟度較高，技術(shù)成本較低，在各種電力設(shè)備的供電方面具有較高的可靠性。

3.2 高壓直流系統(tǒng)的可用性

圖1展示了設(shè)備電源模塊交流電的供電入口等效結(jié)構(gòu)圖，在常規(guī)工況環(huán)境下，AB 線(xiàn)路之間的Ui 交流電強(qiáng)度為220V；整流后的CD 間Uo 最小為198V，最大為308V（受負(fù)載率大小、PFC—功率因數(shù)的影響）。市電電壓在波動(dòng)狀態(tài)下會(huì)引發(fā)整流電壓的同步波動(dòng)。參照GB/T 12325-2003《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》中的電壓標(biāo)準(zhǔn)，得出的電壓偏差范圍在-10%～+7%，最小電流強(qiáng)度為198V，最大為235.4V，整流電壓Uo 的最小強(qiáng)度為178.2，最小為329.6V。由此可見(jiàn)，設(shè)備CD 之間的工作電壓輸出范圍較大，若設(shè)備的供電電源為直流電，即：A 端為正極、B 端為負(fù)極，Ui=DC270V 時(shí)，二極管2、4 會(huì)始終保持導(dǎo)通狀態(tài)，1、3 二極管始終處于截止?fàn)顟B(tài)。其中，2、4 二極管均為電流的導(dǎo)體，CD 之間的Uo 強(qiáng)度為270V，輸出電流為直流電。結(jié)論是：由此可見(jiàn)，AC220V 與DC270V 條件得到滿(mǎn)足的情況下，設(shè)備會(huì)進(jìn)入完全等效狀態(tài)。

圖1 電源設(shè)備的交流電并聯(lián)圖

4 結(jié)語(yǔ)

高壓直流供電系統(tǒng)不僅有效克服了UPS 系統(tǒng)中的各項(xiàng)故障問(wèn)題，還具有較高的維護(hù)性和操作性，使系統(tǒng)的穩(wěn)定性大幅提高，安全水平進(jìn)一步提升。近幾年，240V 高壓直流供電系統(tǒng)為各種設(shè)備的運(yùn)行提供了良好環(huán)境，表現(xiàn)出了優(yōu)越的運(yùn)行效能，隨著240V 高壓直流供電技術(shù)體系的不斷成熟，應(yīng)用范圍將持續(xù)擴(kuò)展，尤其在衛(wèi)星通信系統(tǒng)中的應(yīng)用已成為必然的趨勢(shì)。