方活學(xué) 潘代華 湖北廣播電視臺

電視播控中心UPS電源運行方式分析

方活學(xué) 潘代華 湖北廣播電視臺

本文結(jié)合省級電視中心供配電系統(tǒng)設(shè)計方案，對三種經(jīng)典UPS電源運行方式進行了深入分析。雙機并列運行在輸出交流參數(shù)不一樣時會出現(xiàn)環(huán)流現(xiàn)象，主從串聯(lián)運行存在單一路徑的隱患，雙機分列運行真正實現(xiàn)了雙回路供電，相比前兩種安全可靠性更高。

并機 環(huán)流 主從串聯(lián) 雙機分列

引言

2009年12月，廣電總局頒布了廣播電視安全管理規(guī)定實施細(xì)則，在細(xì)則中對電視中心UPS電源配置做出了明確要求。配置UPS電源，作為提高供電可靠性、保證播出設(shè)備不間斷運行的重要措施之一，目前已得到了廣泛應(yīng)用。但是，由于UPS電源運行方式設(shè)計不合理，引起的重大安全播出事故時有發(fā)生。本文結(jié)合電視播控中心UPS電源配置案例，對幾種典型的UPS運行方式進行深入分析。

一、系統(tǒng)概況

湖北臺電視播控中心承擔(dān)著12套電視頻道的播出任務(wù)，內(nèi)設(shè)衛(wèi)星頻道播出機房、總控機房、IT服務(wù)器機房、專業(yè)頻道播出機房、上載機房、傳輸機房等。2015年，根據(jù)電視發(fā)展的需要，新建了5套高清頻道播出系統(tǒng)。高清頻道建設(shè)前，全部播出設(shè)備由1臺160KVA的UPS電源供電，且只有一低壓供電回路，不符合廣播電視安全播出管理規(guī)定實施細(xì)則的要求。因此，借高清頻道建設(shè)之機，對現(xiàn)有供配電系統(tǒng)進行了改造。

二、系統(tǒng)分析

2.1 供電要求

根據(jù)民用建筑電氣設(shè)計規(guī)范和廣播電視安全播出管理規(guī)定，省級電視播控中心設(shè)備負(fù)荷屬于一級負(fù)荷中特別重要負(fù)荷。供配電設(shè)計應(yīng)遵循以下原則：安全可靠，便于維護管理，接線簡單，消除單一節(jié)點，配置冗余。

2.2 負(fù)荷分析及計算

電視播出系統(tǒng)主要設(shè)備有監(jiān)視器、錄像機、電視墻、交換機、矩陣切換臺、視音頻分配器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、視頻服務(wù)器、光收發(fā)機等，全部設(shè)備都是電子設(shè)備，啟動電流大，受電壓波動影響大。電視播出系統(tǒng)原有和新增播出設(shè)備總負(fù)荷為84KW。

UPS電源輸出功率計算應(yīng)考慮實際負(fù)載、預(yù)留擴容、運行安全、負(fù)載率等因數(shù)。計算公式如式（1）：

Pjs：設(shè)備計算負(fù)荷；K1：設(shè)備需要系數(shù)，取0.75；K2：安全系數(shù)，考慮UPS一般工作在額定功率的60%一70%，取1.5；K3：擴容系數(shù)，取1.25；PF：負(fù)載功率因數(shù)，取0.8。

電視播控中心現(xiàn)有UPS電源1臺，容量160KVA，擬計劃新增1臺UPS電源。根據(jù)以上計算，新增UPS電源輸出功率選用200KVA。

三、UPS電源運行方式選擇

2臺UPS電源運行方式應(yīng)用較為廣泛的主要有雙機并列、主從串聯(lián)、雙機分列運行三種，下面對這三種經(jīng)典運行方式分別進行分析。

3.1 雙機并列運行

圖1 雙機并列運行

雙機并列運行方式如圖1所示。2臺UPS電源通過1K和2K斷路器并聯(lián)到母線上向播出設(shè)備供電。正常情況下，2臺UPS各承擔(dān)50%的總負(fù)載，當(dāng)其中某臺UPS電源發(fā)生故障需要維修退出時，其所帶負(fù)載由另一臺UPS電源承擔(dān)。雙機并聯(lián)運行，通過增加1臺UPS電源作為冗余，提高了供電的可靠性。該運行方式曾經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，但是，在實際使用過程中，存在以下問題：

（1）技術(shù)復(fù)雜。2臺UPS電源并機運行前，要求電壓、頻率及相位三者完全一致。因此，需要增加并機卡、并機柜及相應(yīng)通訊系統(tǒng)等附件，以保證兩臺UPS電源并機時輸出參數(shù)一樣。

（2）易出現(xiàn)環(huán)流。即使是同型號的兩臺UPS電源在并機運行過程中，由于老化程度不一樣，使用時間長，輸出的參數(shù)可能不會完全一樣，兩臺UPS電源之間就會產(chǎn)生幅差和相位差，出現(xiàn)環(huán)流，嚴(yán)重時會導(dǎo)致UPS電源運行不穩(wěn)定，發(fā)生設(shè)備故障，造成供電中斷。

（3）存在單一路徑。兩臺或多臺UPS電源并聯(lián)輸出匯總到同一母線上，一旦母線發(fā)生故障，即便兩臺UPS電源正常，也無法向設(shè)備正常供電。

（4）系統(tǒng)維護管理風(fēng)險大。兩臺UPS電源并機運行條件要求嚴(yán)格，若因維護管理不當(dāng)，造成其中1臺UPS電源發(fā)生故障，可能會導(dǎo)致整個系統(tǒng)崩潰。

雙機并聯(lián)運行曾經(jīng)廣為使用，但由于并機操作復(fù)雜，實踐證明，一旦發(fā)生并機故障，對整個播出系統(tǒng)的安全運行將是災(zāi)難性的。

3.3 雙機主從串聯(lián)運行

為了解決雙機并聯(lián)運行存在的并機復(fù)雜等技術(shù)問題，將其中1臺UPS電源作為另1臺UPS電源的靜態(tài)旁路輸入，從而出現(xiàn)了主從串聯(lián)運行方式。主從串聯(lián)運行方式如圖2所示。

圖2 主從串聯(lián)運行

從機UPS1電源輸出端連接到主機UPS2電源的交流旁路“靜態(tài)開關(guān)”的輸入端。正常情況下，UPS2的靜態(tài)旁路開關(guān)關(guān)閉，從機UPS1處于空載運行狀態(tài)，主機UPS2向負(fù)載供電。當(dāng)主機UPS2出現(xiàn)故障時，UPS2靜態(tài)旁路開關(guān)打開，UPS1向負(fù)載供電，從而確保向負(fù)載不間斷供電。

主從串聯(lián)運行技術(shù)實現(xiàn)簡單、接線簡潔，通過增加冗余提高了供電系統(tǒng)的可靠性，但也存在以下安全隱患：

（1）主UPS電源靜態(tài)旁路不能正常切換。當(dāng)主UPS電源內(nèi)部電源模塊發(fā)生故障，UPS電源將立即停機，此時UPS電源將不能完成靜態(tài)旁路的切換。從UPS電源即使正常，也不能向負(fù)載供電，整個播出設(shè)備供電將中斷。

（2）如果主UPS電源靜態(tài)旁路開關(guān)出現(xiàn)故障，此時需要切換時，將導(dǎo)致播出負(fù)載斷電停機。

（3）維修困難。當(dāng)主UPS電源發(fā)生故障，通過靜態(tài)旁路開關(guān)切換到從UPS電源供電時，由于播出系統(tǒng)不能停機，主UPS電源則無法停機維修。一旦從UPS電源也出現(xiàn)故障，則整個系統(tǒng)將斷電，從而導(dǎo)致播出系統(tǒng)因斷電而停機。

（4）與并聯(lián)方式一樣同樣存在單點隱患。如果1K斷路器發(fā)生故障，整個系統(tǒng)供電將中斷。

3.4 雙機分列運行

圖3 雙機分列運行

雙機分列運行方式如圖3所示。正常運行時，雙電源設(shè)備由UPS1和UPS2各分?jǐn)?0%的負(fù)載總?cè)萘?，?dāng)其中一臺UPS電源出現(xiàn)故障時，另一臺UPS電源承擔(dān)全部負(fù)載。對于單電源設(shè)備，在前端增加STS靜態(tài)開關(guān)，UPS1電源和UPS2電源引出兩回線路為STS靜態(tài)開關(guān)的一主一備電源輸入，當(dāng)UPS1或UPS2出現(xiàn)故障時，STS靜態(tài)開關(guān)切換到UPS2或UPS1，靜態(tài)開關(guān)切換時間小于8ms，切換期間不會導(dǎo)致播出設(shè)備供電中斷。

雙機分列運行有以下特點：

（1）消除了單一節(jié)點。引自不同變壓器的低壓回路通過兩臺獨立運行的UPS電源向設(shè)備供電，實現(xiàn)了真正意義上的雙電源供電，提高了供電系統(tǒng)可靠性。

（2）維護方便。當(dāng)其中一臺UPS電源出現(xiàn)故障時，可將故障UPS電源從系統(tǒng)中完全退出，不影響系統(tǒng)正常運行，維修方便。

（3）消除了環(huán)流隱患。由于兩臺UPS電源分列運行，互不干擾，不會出現(xiàn)環(huán)流、相位差、幅差、通訊等問題。

（4）結(jié)構(gòu)簡單。兩臺UPS電源線路接線簡潔清晰、一目了然。設(shè)備運行時，值班人員操作簡單、管理容易。

在采用雙機分列運行方式時，需要對單電源設(shè)備增加STS靜態(tài)開關(guān)，以保證單電源設(shè)備有兩路獨立的電源供電。如果STS靜態(tài)開關(guān)本身發(fā)生了故障，那么將導(dǎo)致單電源設(shè)備供電中斷。因此，在系統(tǒng)設(shè)計時，除了對單電源設(shè)備增加STS靜態(tài)開關(guān)外，還需要對單電源設(shè)備進行冗余配置。

本項目兩臺UPS電源容量不一樣，一舊一新，參數(shù)也不一樣，不適合并列運行。主從串聯(lián)運行由于存在單路徑隱患，不滿足設(shè)計要求。綜上所述，我們選用第三種運行方式，通過對單電源設(shè)備增加STS靜態(tài)開關(guān)，對兩臺UPS電源實現(xiàn)分列運行。

四、結(jié)論

在供配電系統(tǒng)中配置UPS電源是提高供電可靠性的重要措施，多臺UPS電源運行方式的合理選擇在供配電設(shè)計時至關(guān)重要。通過分析，2臺UPS并聯(lián)運行時由于存在環(huán)流、通訊等安全隱患，一旦操作失誤，發(fā)生并機故障，其后果往往是災(zāi)難性的。主從串聯(lián)雖然能夠解決并機隱患，但是存在著靜態(tài)旁路單一路徑。在2臺UPS電源分列運行方式中，通過對單電源設(shè)備增加STS靜態(tài)開關(guān)，從而實現(xiàn)了真正意義上的雙回路供電。

［1］國家廣播電影電視總局.廣播電視安全播出管理規(guī)定[Z].2009-12-16.

［2］周志敏.紀(jì)愛華 快速掌握UPS工程應(yīng)用及故障處理，北京，化學(xué)工業(yè)出版社, 2013.