楊俊杰

(蘇州市廣播電視總臺,蘇州 215021)

1 設(shè)計(jì)依據(jù)

對廣播電視系統(tǒng)來說,UPS 電源通常是播控設(shè)備、直播設(shè)備等重要設(shè)備的最后一道供電保障,特別在國家廣播電視總局出臺《廣播電視安全播出管理規(guī)定及實(shí)施細(xì)則》(總局62 號令)后,廣播電視系統(tǒng)對UPS 的應(yīng)用有了更加明確的規(guī)范性要求,其UPS 電源設(shè)計(jì)方案的可靠性、合理性受到越來越多的重視與探討。

在《廣播電視安全播出管理規(guī)定及專業(yè)實(shí)施細(xì)則》(第62 號令)中,對UPS 系統(tǒng)配置應(yīng)用方面重點(diǎn)引用了GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》中的數(shù)據(jù)機(jī)房分級應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn),其分級標(biāo)準(zhǔn)如表1 所示。

UPS 電源系統(tǒng)分級配置標(biāo)準(zhǔn)表 表1

2 系統(tǒng)配置方式

2.1 配置方式的選擇

供配電系統(tǒng)作為廣播電視技術(shù)系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié),其系統(tǒng)設(shè)置有著嚴(yán)格的安全指標(biāo)規(guī)定。 根據(jù)覆蓋范圍的不同,廣播電視中心保障等級劃分為一級、二級、三級,供配電系統(tǒng)應(yīng)嚴(yán)格對應(yīng)保障等級在專用電源、自備電源、專用變壓器、不間斷電源(UPS)、后備時間等方面進(jìn)行不同的配置。 在《廣播電視安全播出管理規(guī)定及實(shí)施細(xì)則》(總局62 號令)中,不同保障等級的廣播電視中心供配電系統(tǒng)的規(guī)定如表2 所示,該規(guī)定在實(shí)踐中已運(yùn)行多年,相對穩(wěn)定。

廣播電視中心供配電配置標(biāo)準(zhǔn)表 表2

廣播電視的技術(shù)系統(tǒng)包括總控、直播轉(zhuǎn)播、節(jié)目制作、數(shù)據(jù)傳輸、節(jié)目信號發(fā)射監(jiān)測與接收等系統(tǒng)。 1 級廣播電視中心的主備播出設(shè)備、雙電源播出設(shè)備,應(yīng)選擇A 級機(jī)房UPS 系統(tǒng)配置;1 級廣播電視中心的其他重要技術(shù)設(shè)備以及2、3 級廣播電視中心的主備、雙電源播出設(shè)備,可選擇B 級機(jī)房UPS 系統(tǒng)配置。 一個省級臺的項(xiàng)目由于工藝需求不同、供配電等級不同,項(xiàng)目中可能會有A 級、B級、C 級三個不同等級的機(jī)房UPS 設(shè)置,而其中的A級機(jī)房還應(yīng)根據(jù)工藝需求在2N 和M(N+1)系統(tǒng)中進(jìn)行準(zhǔn)確選擇。

在UPS 系統(tǒng)的電源輸入柜、主機(jī)輸入柜輸出柜、負(fù)載輸出柜等各環(huán)節(jié)裝置中,應(yīng)合理采用空氣開關(guān)上下級完全選擇性配合等多項(xiàng)安全措施,以保證供電系統(tǒng)不越級跳閘,同時配置方式應(yīng)使故障在最小范圍得到有效控制并通過容錯或冗余配置合理撤出系統(tǒng)。 接下來對A、B 級機(jī)房UPS 電源配置的分析探討,針對不同供電保障等級,合理確定UPS系統(tǒng)配置方式,以保障系統(tǒng)使用達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 N+1 并聯(lián)冗余的配置方式(B 級數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn))

UPS 系統(tǒng)的第一類故障來源為UPS 主機(jī)或電池的故障,為應(yīng)對這類故障風(fēng)險(xiǎn),UPS 系統(tǒng)可采用雙主機(jī)(或模塊化的多主機(jī),本文以雙主機(jī)為例進(jìn)行探討)、雙電池的N+1 并聯(lián)冗余模式的配置方式,其供電方式:2 臺UPS 主機(jī)由同一母線輸入電源,并經(jīng)同一母線共同為負(fù)載供電。 UPS 系統(tǒng)正常運(yùn)行時,2 臺主機(jī)自動均分負(fù)荷,各自承擔(dān)總負(fù)荷的50%;一臺主機(jī)或一套電池發(fā)生故障時,UPS 自動退出運(yùn)行,所有負(fù)荷在0s 轉(zhuǎn)換時間下切換至剩余UPS;如果發(fā)生系統(tǒng)過載的情況,整個UPS 系統(tǒng)轉(zhuǎn)旁路運(yùn)行。

N+1 并聯(lián)冗余配置具有容錯冗余和擴(kuò)容雙重功能,根據(jù)資料,N+1 并聯(lián)冗余系統(tǒng)的平均無故障時間(MTBF)是單機(jī)系統(tǒng)的5.5 倍,大大增高了可靠性。 圖1 所示為N+1 并聯(lián)冗余接線圖。

2.3 2N 雙母線冗余的配置方式(A 級數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn))

UPS 系統(tǒng)的第二類故障來源為UPS 系統(tǒng)至負(fù)荷之間配電線路的故障。 為應(yīng)對這類故障風(fēng)險(xiǎn),UPS 系統(tǒng)可采用2N 雙母線冗余的配置方式,其供電方式:2 臺UPS 主機(jī)(或2 組模塊化的并聯(lián)主機(jī),本文以雙主機(jī)為例進(jìn)行探討)由2 段獨(dú)立的母線輸入電源,并經(jīng)2 段獨(dú)立母線分別為負(fù)荷供電。 正常運(yùn)行時,每臺主機(jī)承擔(dān)總負(fù)荷的50%;當(dāng)1 套系統(tǒng)的主機(jī)、電池發(fā)生故障或是主機(jī)至負(fù)荷之間配電線路發(fā)生故障時,所有負(fù)荷切換至剩余UPS。 對于雙輸入端子的設(shè)備,其2 路負(fù)荷電源分別取自2 套獨(dú)立的UPS 系統(tǒng),當(dāng)1 套UPS 系統(tǒng)的任何設(shè)備或線路發(fā)生故障,負(fù)荷在0s 轉(zhuǎn)換時間下自動切換至剩余的UPS;對于單輸入端子設(shè)備,其負(fù)荷電源接在靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(STS)的輸出端,2 套UPS 系統(tǒng)電源分接在靜態(tài)轉(zhuǎn)換開關(guān)(STS)的輸入端,當(dāng)一套UPS 系統(tǒng)上的任何設(shè)備和線路發(fā)生故障,負(fù)荷經(jīng)轉(zhuǎn)換時間為1/4周波,STS 切換至剩余UPS。

圖1 N+1 并聯(lián)冗余接線圖

2N 雙母線冗余系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對點(diǎn)冗余,在N+1并聯(lián)冗余系統(tǒng)的基礎(chǔ)上進(jìn)一步提高了容錯能力。圖2 所示為2N 雙母線冗余接線。

2.4 M(N+1)冗余的配置方式(A 級數(shù)據(jù)中心標(biāo)準(zhǔn))

除2N 雙母線冗余外,M(N+1) 冗余的配置方式也是廣播電視UPS 系統(tǒng)中最常用的方式之一,其中以M=2 即2(N+1)配置方式在1 級廣播電視系統(tǒng)中應(yīng)用較廣。 其供電方式:四個主機(jī)、四套電池兩兩組成2 段獨(dú)立的并聯(lián)母線,2 段獨(dú)立母線分別為負(fù)荷供電。 正常運(yùn)行時,每臺主機(jī)承擔(dān)總負(fù)荷的25%;當(dāng)1 套系統(tǒng)的主機(jī)、電池發(fā)生故障時,故障系統(tǒng)所承擔(dān)的負(fù)荷切換至與之并機(jī)的UPS 系統(tǒng);當(dāng)一段母線至負(fù)荷之間配電線路發(fā)生故障時,另一段母線承擔(dān)全部負(fù)荷。

該配置方式結(jié)合了N+1 系統(tǒng)與2N 系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn),為從電源入口到關(guān)鍵負(fù)載的所有線路提供了全方位的冗余,即使在并行維護(hù)的過程中,也仍存在冗余,無需將負(fù)載轉(zhuǎn)換到旁路模式。

圖2 2N 雙母線冗余接線圖

通過以上分析可以看出,在滿足保障等級前提下,若負(fù)荷以單輸入端子設(shè)備為主,則N+1 并聯(lián)冗余的配置模式可減少STS 的使用從而更為適宜, 因?yàn)镾TS 意味著單故障點(diǎn)及復(fù)雜的故障模式;若負(fù)荷以雙輸入端子設(shè)備為主,則2N 雙母線冗余的配置模式的可靠性更強(qiáng);在經(jīng)濟(jì)成本與空間場地均能接受且重點(diǎn)關(guān)注高可靠性的情況下,則應(yīng)使用M(N+1)冗余的配置方式。 具體在應(yīng)用實(shí)踐中,可根據(jù)實(shí)際情況將三種配置模式靈活組合使用。 圖3 所示為2(N+1)雙母線冗余接線。

此外,按GB 50174-2017《數(shù)據(jù)中心設(shè)計(jì)規(guī)范》第3.2.2 條,在市電電源質(zhì)量有相對保障的情況下,A 級數(shù)據(jù)中心還可采用1 路(N+1)UPS 與1 路市電供電的雙母線冗余模式,但這種方式在廣播電視系統(tǒng)中應(yīng)用較少,具體可參閱18DX009《數(shù)據(jù)中心工程設(shè)計(jì)與安裝》。

2.5 UPS 系統(tǒng)輸入電源的配置

UPS 系統(tǒng)的第三類故障來源為UPS 系統(tǒng)上級電源。 為應(yīng)對這類故障風(fēng)險(xiǎn),N+1 并聯(lián)冗余模式的2 路輸入電源應(yīng)采用自動轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行自動切換,且2 路電源應(yīng)保證對應(yīng)不同的外部電源或1 路外部電源與1 路柴油發(fā)電機(jī)電源。 對2N 及2(N+1)雙母線冗余模式而言,2 路輸入電源之間可不裝設(shè)自動轉(zhuǎn)換開關(guān),但應(yīng)保證2 路電源對應(yīng)于不同的外部電源,且柴油發(fā)電機(jī)電源已接入工藝變壓器低壓側(cè)(或高壓側(cè))的主母排。

圖3 2(N+1)雙母線冗余接線圖

此外,廣播電視系統(tǒng)還有其自身的特殊性,一些UPS 供電的重要播出設(shè)備自啟用后就不再有檢修時間窗口,這為輸入電源自動轉(zhuǎn)換開關(guān)的維護(hù)、維修帶來很大不便。 為了克服這一問題,廣播電視系統(tǒng)中廣泛釆用一體式帶維修旁路的自動轉(zhuǎn)換開關(guān),也可對現(xiàn)有自動轉(zhuǎn)換開關(guān)進(jìn)行組合式線路改造,增設(shè)手動維修旁路開關(guān)。 圖4 所示為自動轉(zhuǎn)換開關(guān)雙維修旁路原理。

圖4 自動轉(zhuǎn)換開關(guān)雙維修旁路原理圖

3 蓄電池的容量計(jì)算

3.1 單體電池電壓的選擇

單體電池電壓主要分為2V、12V 兩種,對于同一類型的VRLA(閥控式密封鉛酸)蓄電池來說,兩種電壓的電池放電特性基本相似,沒有明顯區(qū)別,一般2V 蓄電池通常容量比較大,在通信行業(yè)、電力系統(tǒng)直流電源中被廣泛應(yīng)用,而對于UPS 系統(tǒng)來說,因?yàn)閁PS 電源的直流工作電壓較高,所以12V電池在成本、安裝空間等方面比2V 電池更有優(yōu)勢。因此,下文中提到的電池容量計(jì)算將以廣播電視UPS 系統(tǒng)中應(yīng)用更為普遍的12V 電池為例,2V 電池的容量計(jì)算原理與之相同。

3.2 容量計(jì)算方式的選擇

我國傳統(tǒng)的計(jì)算蓄電池容量的方法為安時法,其在GB 51194-2016《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》中有詳細(xì)描述,而當(dāng)前蓄電池生產(chǎn)廠家普遍采用的是恒功率(或恒電流)法,其使用更為方便。這兩種計(jì)算方式從理念上來講是一致的,特別是安時法中的放電容量系數(shù)的取值不再依據(jù)GB 51194-2016 表5.2.4 中的經(jīng)驗(yàn)取值,而是直接采用蓄電池廠家的放電數(shù)據(jù)表進(jìn)行計(jì)算,其精確度會大大提高。 下面對兩種計(jì)算方式分別進(jìn)行實(shí)例計(jì)算及電池選型,并進(jìn)行對比。

3.3 安時法

按GB 51194-2016《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.4 條,蓄電池組容量計(jì)算如式(1)所示:

式中,Q 為蓄電池總?cè)萘?Ah; K 為安全系數(shù),取1.25; I

為負(fù)荷電流,A;T 為放電小時數(shù),h; η 為放電容量系數(shù);α 為電池溫度系數(shù),1/℃,當(dāng)放電小時率≥10,取α = 0.006;當(dāng)10 ＞放電小時率≥1,取α = 0.008;當(dāng)放電小時率＜1,取α = 0.01;t 為實(shí)際電池所在地最低環(huán)境溫度,℃,所在地有采暖設(shè)備時,按15℃考慮;無采暖設(shè)備時,按5℃考慮。

3.3.1 蓄電池總?cè)萘縌

按GB/T 19638.1-2014《固定型閥控式鉛酸蓄電池第1 部分:技術(shù)條件》第6.17 條容量性能試驗(yàn),計(jì)算出的蓄電池容量指的是放電10 小時率額定容量。

3.3.2 負(fù)荷電流 I

按GB 51194-2016 第5.2.5 條,負(fù)荷電流計(jì)算如式(2)所示:

式中,P

為輸出有功功率,W;μ 為逆變器效率,一般可達(dá)0.95;U 為蓄電池放電時逆變器的輸出電壓,V。

3.3.3 蓄電池放電時逆變器的輸入電壓 U

廣播電視系統(tǒng)采用的UPS 容量在20kVA 以上時為三相輸出,其逆變器的直流輸入標(biāo)稱電壓為384 ～420V,按GB 51194-2016《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.1.3 條,12V 單體電池的浮充電壓為13.20～13.62V,按不利情況取浮充電壓為13.20V。

按DL/T 5044-2014 《電力工程直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)程》附錄C,每組蓄電池節(jié)數(shù)n (只)的數(shù)量如式(3)所示:

式中,Un為直流電源標(biāo)稱電壓,V; Uf為單體蓄電池浮充電壓,V。

按GB 51194-2016《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》第5.2.5 條,2V 單體電池的放電輸出電壓取1.85V,12V 單體電池的放電輸出電壓則取1.85×6=11.1(V)。 蓄電池放電時逆變器的輸入電壓U(V)如式(4)所示:

3.3.4 放電小時數(shù)T

國家廣播電視總局出臺《廣播電視安全播出管理規(guī)定及實(shí)施細(xì)則》之后,廣播電視UPS 系統(tǒng)的放電小時率統(tǒng)一要求為0.5。

3.3.5 放電容量系數(shù)η

在GB 51194-2016《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》表5.2.4 中,列出了放電容量系數(shù)為經(jīng)驗(yàn)取值,但是在實(shí)踐過程中會發(fā)現(xiàn),不同品牌不同型號的電池放電容量系數(shù)有著較大的差異,特別是高功率電池的放電容量系數(shù)實(shí)際值與該表給出的經(jīng)驗(yàn)取值差異更大,所以建議通過電池廠家提供的放電參數(shù)來計(jì)算放電容量系數(shù)會更為準(zhǔn)確,比如一款玻璃纖維隔板(AGM)閥控式密封12V 200AH 電池的放電容量系數(shù)如表3 所示。

一款12V 200AH 電池的放電參數(shù)表 表3

通過表3 可以看出,隨著電池生產(chǎn)工藝的不斷進(jìn)步,電池放電容量系數(shù)的實(shí)際值已經(jīng)和規(guī)范給出的經(jīng)驗(yàn)值有了較大的差異,所以在計(jì)算過程中取實(shí)際值可以得到更為精準(zhǔn)的結(jié)果。

3.4 恒功率法

恒功率法的計(jì)算原理為:UPS 系統(tǒng)放電過程中,輸出功率基本恒定,而蓄電池的放電電壓逐步降低、放電電流逐步增大,直到放電電壓下降至終止電壓。 因此,在恒功率條件下蓄電池廠家進(jìn)行不同放電小時率的放電性能測試,并將參數(shù)提供給用戶,比如表3 中就列出了一款12V 200AH 電池的恒功率放電參數(shù)。

恒功率法的計(jì)算方法為將安時法中的式(2)、(4)代入式(1),并簡化可得式(5):

式中,W 為放電功率,W,折算至2V 單體電池的放電功率; K 為安全系數(shù),取1.25; P 為輸出有功功率,W;μ 為逆變器的效率,一般可達(dá)0.95; n 為每組蓄電池節(jié)數(shù);α 為電池溫度系數(shù),1/℃,當(dāng)放電小時率≥10,取α = 0.006;當(dāng)10 ＞放電小時率≥1,取α = 0.008;當(dāng)放電小時率＜1,取α = 0.01;t 為實(shí)際電池所在地最低環(huán)境溫度,℃,所在地有采暖設(shè)備時,按15℃考慮;無采暖設(shè)備時,按5℃考慮。

3.5 恒功率法的另一種簡略算法

在實(shí)際負(fù)載有功功率尚不明確,僅已知UPS 主機(jī)額定容量的情況下,蓄電池廠家在使用恒功率法計(jì)算電池容量時一般采用另一種簡略算法,如式(6)所示:

式中,W 為放電功率,W,折算至2V 單體電池的放電功率;S

為UPS 主機(jī)額定容量,VA; cosφ 為負(fù)載功率因數(shù),統(tǒng)一取1;μ 為逆變器的效率,一般可達(dá)0.95;n

為每組蓄電池節(jié)數(shù)。在這種算法中,電池容量不再進(jìn)行安全系數(shù)及溫度系數(shù)的修正,主要是因?yàn)閁PS 主機(jī)本身就存在使用安全系數(shù),負(fù)荷率一般不超過額定容量的90%,此外,將負(fù)荷功率因數(shù)統(tǒng)一取值為1,相當(dāng)于又進(jìn)行了一次粗略的修正,所以這種算法的最終結(jié)果基本可用。

4 結(jié)束語

按廣電總局規(guī)定,UPS 系統(tǒng)檢修如果涉及到廣播電視節(jié)目臨時停播,且播出影響范圍涉及全國或跨省時,應(yīng)采取提前報(bào)批等停播申請程序,故系統(tǒng)供配電設(shè)計(jì)均應(yīng)充分考慮到帶電維護(hù)及故障設(shè)備安全退出的可能性,采用避免單點(diǎn)故障的系統(tǒng)配置。 此外,應(yīng)用配電監(jiān)控系統(tǒng)和環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)也是提高安全保障的重要措施,通過對整個供配電系統(tǒng)監(jiān)測預(yù)報(bào)警故障,實(shí)現(xiàn)在線診斷早發(fā)現(xiàn)、早預(yù)防,可有效提高24h 不間斷供電運(yùn)行可靠性。

廣播電視行業(yè)UPS 配電系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)是一整套完整技術(shù),依據(jù)不同技術(shù)工藝,統(tǒng)籌考慮配電系統(tǒng)等級需求、運(yùn)行管理需求、技術(shù)管理需求之后,方能合理確定UPS 系統(tǒng)配置方式,以保障不同等級的工藝技術(shù)用電需求。