广电播控中心UPS应用实例方案

广电播控中心UPS应用实例方案

引言
　　如何提高电视播控中心的供电质量、减少或避免停电事故，是关系到电视节目能否安全优质播出和传输的重要问题。采用合适的UPS（不间断电源）供电系统为电视播控中心供电，是有效地改善电视播控中心供电质量和消除停电事故的良好途径，也是提高电视播控系统和总控系统安全可靠性的必要措施，更是电视节目安全优质播出和传输的重要保障。
1 常见三种UPS的特点
　　UPS主要由整流器、充电器、逆变器和蓄电池组等构成，按其工作方式可分为离线式（亦称后备式）（Off－line）UPS、在线式（On－line）UPS和在线互动式（On_Line Interactive）UPS。UPS具有较好的稳压功能，当市电电网输入电压在176～264V/324～436V之间变化时，能保证输出电压稳定在220V/380V（±5％范围以内）。当市电电网瞬间断电或停电时，UPS能自动将蓄电池的直流电逆变为交流电继续为负载供电。
1．1 后备式UPS
　　后备式UPS是单变换型UPS，它的逆变器在电网电压正常情况下处于非工作状态，市电通过滤波和稳压环节直接供给负载，此时蓄电池处于充电状态。在市电电压异常情况下，后备式UPS通过转换开关切换到蓄电池供电状态，后备蓄电池开始工作，蓄电池的电能通过逆变器变换成交流正弦波或准方波供给负载。后备式UPS采用了抗干扰型分级调压稳压技术，当市电电压正常时，它能向负载提供抗高频干扰的稳压电源，但供电质量不高，输出电压的幅度随市电电网电压幅度的改变而改变，难以消除或隔离来自市电电网、UPS本身和整流滤波型非线性负载设备的各种干扰和谐波成分，输出为正弦波电压的后备式UPS的波形失真系数约为5％。后备式UPS从市电供电到蓄电池逆变供电的转换时间较长（约为4～10ms），而且由于逆变器不经常工作，所以容易出现故障。
1．2 在线式UPS
　　在线式UPS是双变换型UPS，它的工作原理是：当市电电网正常时，输入交流电压通过充电器对电池充电，同时整流器将交流电压转换为直流电压，通过逆变器再将直流电压逆变为交流正弦波(或准方波）电压供给负载。当市电中断时，后备电池开始工作，电池的直流电通过逆变器变换为交流电供给负载。无论市电供电是否正常，在线式UPS的逆变器始终处于工作状态，加上输入低通滤波器、输出低通滤波器和输出隔离变压器的滤波和隔离作用，能够有效地从根本上消除或隔离来自市电电网、UPS本身以及整流滤波型非线性负载设备的各种波动、干扰和谐波成分，其正弦波输出波形失真系数很小（3％以内），可实现对负载的高质量净化（不失真、无干扰、稳压）和安全可靠（零转换时间）地供电。在线式UPS能更好地解决市电异常、自身故障、过载等造成的供电问题，因此电视播控中心应优先选择在线式UPS。在线式UPS的缺点是在整流和逆变的转换过程中会损耗一部分电能，所以在线式UPS的电源效率相对较低（在90％以下）。
1．3 在线互动式UPS
　　在线互动式UPS的工作方式介于后备式和在线式两者之间，它结合了后备式效率高和在线式供电质量高的优点。当市电在额定电压范围内时，不作调节直接输出至用电负载设备，如同一台后备式UPS。当市电电压高于或低于额定值时，则启动升压或降压功能，并不使用蓄电池供电，直到市电电压超出正常范围或停电时，才使用蓄电池供电。在线互动式UPS的逆变器始终处于工作状态，是双向变换工作方式，在蓄电池供电状态，它工作在逆变方式，与后备式UPS相比，转换时间较短（约为2ms），其交流输出电压稳定性较好。在市电供电状态，它工作在整流方式，给蓄电池充电，充电效果不太理想，故不太适合做长延时的UPS(必要时可外加蓄电池组及充电器)。

2 湖南省广电播控中心对UPS的性能要求
　　选择合适的UPS供电系统为电视播控中心供电是提高电视播控系统和总控系统安全可靠性工作必要保障。那么，电视播控中心对UPS的性能有那些具体要求呢？
2．1 安全可靠性要求
　　电视播控中心必须采用单机平均无故障工作时间达20万小时以上的、高安全可靠性的在线式大型UPS，UPS本身应采用1＋1冗余并机工作方式，配置完全相同的UPS采用独立的蓄电池组，组成冗余并机供电系统，消除任何可能导致出现单点瓶颈型的故障隐患，确保为负载设备提供高质量不间断的交流电能。
2．2 供电方式要求
　　电视播控中心的在线式UPS的供电方式必须满足下列四种工作要求：
　　（1）当市电正常供电时，经过AC/DC（整流），向蓄电池充电，同时经过DC/AC（逆变）向负载供电。
　　（2）当市电停电时，蓄电池开始工作，蓄电池直流电通过逆变器变换为交流正弦波电压供给负载。
　　（3）当UPS故障或过载时，自动转为静态旁路由市电直接向负载供电。
　　（4）当UPS维护或检修时，通过维修旁路开关，不间断地转到由市电向负载供电，从而将UPS与负载隔离，进行维护或检修。
2．3 隔离干扰能力
　　电视播控中心的电源干扰不仅来自市电电网，也可能来自设计不够完善的UPS本身，还可能来自非线性负载设备。输出滤波不良的UPS会向负载泄漏高次谐波干扰；反过来，整流滤波型非线性负载也可向UPS供电系统反射高次谐波干扰，所以必须采用具有功率因数补偿的双变换型在线式UPS，以便向负载提供高质量净化（不失真、无干扰、稳压）和安全可靠（零转换时间）的正弦波交流电能。
2．4 防雷击、防浪涌能力
　　雷击闪电及市电电网上的浪涌会严重威胁到UPS的安全，在UPS具备有效屏蔽和良好保护接地的前提下，还必须做好UPS防雷击、防浪涌等过电压保护。为了有效地防雷击、防浪涌，电视播控中心在线式UPS的输入端应配置防雷击、防浪涌保护电路模块，以抵御瞬态闪电或浪涌冲击。
2．5 过载能力
　　UPS在带冲击型负载设备情况下，往往会有较大的瞬态启动冲击电流，电视播控中心的各类监视器都属于冲击型负载设备，因此电视播控中心的UPS还应具有较强的过载能力，在有短时间轻度过载时，逆变器应继续供电，当然供电时间取决于过载的程度。当过载发生时，UPS蜂鸣器应发出响声，同时故障指示灯变亮，提醒值班人员排除有短路故障的负载设备。当存在重度短时过载（大于额定电流的1.5倍）时，将从UPS逆变器供电自动切换到由市电直接供电，以保护UPS。
2．6 带负载能力
　　电视播控中心UPS的带负载能力应有充足的余量，各路供电分支应设置相应的开关进行控制。UPS的输出不要直接接入电视播控系统和总控系统的机架上，可先送到接线排的接线柱上，每路接线柱先接到相应的空气开关，从空气开关的输出端再接到相应的机架上，如某路负载设备短路，那一路的空气开关跳开，为查找故障和维护检修带来方便，可防止系统中某一部分设备短路对其他部分的影响，同时也可防止UPS过载使用。
2．7 可维护能力
　　在确保电视播控中心负载设备由UPS连续供电的情况下，应允许对UPS冗余供电系统中的某台UPS执行完全断电定期维修或故障检修等操作。
2．8 可管理能力
　　电视播控中心的UPS必须拥有极强的可管理能力，其在线式UPS应配置监控单元及管理软件，并能相当容易地在Windows 95/98/NT/2000/XP、Novell、Unix等操作系统平台上运行，以便对UPS实施功能强大的智能化检测、监控和管理。

3 电视播控中心UPS的配置
3．1 市电供电配置
　　UPS不宜由柴油发电机供电，这种发电机输出电压的波形、频率变化比较大，发电机与UPS两者的电压波形、频率难以匹配，会影响UPS的正常运行。为确保电视节目安全优质播出和传输，电视播控中心的播控系统和总控系统应考虑由两路市电供电，由市电供电部门提供两路相互独立又相互冗余的交流市电输入，主备市电可实现不间断自动切换与供电（也可手动切换）。而且播控系统和总控系统中的主用设备和辅助/备份设备的供电应由两路开关分别控制和供给。当主路市电断电时，备路市电自动供电。当两路市电都断电时，则由UPS蓄电池供电。市电恢复时，主路市电优先送电。与UPS连接的交流配电柜不宜使用手动闸刀开关，而应该使用容量合适的空气开关，因为闸刀开关在电源通断时有拉弧现象，会对UPS产生干扰，且闸刀开关采用的熔断式保险丝对过流响应速度比较慢，而空气开关在负载或UPS短路时反应很快，并且有漏电保护和过热保护功能。交流配电柜内的空气开关和交流接触器等器件必须选择安全可靠的产品，并确保其容量有50％～100％的余量。
3．2 主备UPS冗余并机工作方式
　　电视播控中心配置的在线式UPS本身应采用1＋1冗余并机工作方式，配置完全相同的UPS，采用独立的蓄电池组，组成冗余并机UPS供电系统，并确保两台UPS能输出同幅度、同相位和同频率的正弦波交流电压，而且每台UPS的输出功率都能承担全部负载。正常情况下，由两台UPS各承担一半负载，如果其中一台UPS出故障，则由另一台UPS承担全部负载。两台UPS冗余并机工作方式分成5种情况：
　　（1）当市电电网正常供电时：UPS1：市电→整流器1→逆变器1→静态开关1→1/2负载，蓄电池组1浮充。UPS2：市电→整流器2→逆变器2→静态开关2→1/2负载，蓄电池组2浮充。
　　（2）当市电电网中断时：UPS1：蓄电池组1→逆变器1→静态开关1→1/2负载。UPS2：蓄电池组2→逆变器2→静态开关2→1/2负载。
　　（3）当UPS1故障时：市电→整流器2→逆变器2→静态开关2→全部负载，蓄电池组2浮充。
　　（4）当UPS2故障时：市电→整流器1→逆变器1→静态开关1→全部负载，蓄电池组1浮充。
　　（5）当UPS1和UPS2同时故障时：市电→维修旁路开关1→1/2负载；市电→维修旁路开关2→1/2负载。
以上各种情况下的切换都应是自动的，且切换时间为零。
3．3 UPS额定输出功率的估算
　　UPS输出电压波形一般有准方波和正弦波两种类型，正弦波输出的UPS带负载能力相对较强，并能带电感性负载，电视播控中心应选择正弦波输出的在线式UPS。UPS额定输出功率是决定UPS能驱动多大功率负载的重要参数，为了延长UPS使用寿命，UPS不宜长期在满载状态下运行，也不宜长期在过度轻载状态下运行。在选用UPS时应根据机房内设备的实际负载情况确定UPS的额定功率，并留出适当的余量，以保证UPS安全可靠地运行。UPS额定输出功率一般以有功功率(瓦,W）或(千瓦,kW）表示，或用视在功率(伏安,VA）或(千伏安,kVA）表示。有功功率记为P，视在功率记为S，P=Scosφ，其中cosφ为负载功率因数，在线式UPS 的cosφ大约为0.8左右，所以P=0.8S。例如，一台10kVA的在线式UPS，最大输出有功功率为8kW，因此10kVA的在线式UPS所有负载的有功功率总和应小于8kW。而所有负载的有功功率总和若接近UPS输出的有功功率，就称UPS输出功率与负载耗电功率匹配。为了留出适当的余量，在线式UPS一般应按其额定输出有功功率的0.8进行负载匹配，所以一台10kVA的在线式UPS，输出有功功率为10kVA×0.8=8kW，实际可带10kVA×0.8×0.8=6.4kW的负载。当然在计算中还必须考虑无功功率的作用。
3．4 蓄电池组配置
　　蓄电池组的配置关系到市电断电以后蓄电池组后备供电时间的长短，在市电输入断电期间，蓄电池组给逆变器的供电时间主要取决于：
　　（1）蓄电池额定容量；
　　（2）蓄电池电压；
　　（3）蓄电池数量；
　　（4）负载功率因数；
　　（5）负载功率；
　　（6）蓄电池温度（受环境影响）；
　　（7）蓄电池使用年限。
　　用于电视播控中心的在线式UPS，必须根据本地市电电网供电情况和实际要求，确定蓄电池组逆变供电时间，选择所需蓄电池的容量、电压、数量，以确保市电电网停电时，UPS能够提供2～4h甚至更长时间的供电。
3．5 老机房UPS的配置
　　湖南省广播电视局电视播控中心有三套播控系统和一套总控系统（含图文频道设备），负责三套普通自办电视节目（新闻频道、城市频道、阳光频道）和一套图文频道自办电视节目的播出和传输任务。每套播控系统用电量约为3kW，总控系统（含图文频道设备）用电量也约为3kW，电视播控中心总用电量为3kW×4=12kW。从1998年9月份至今，电视播控中心机房采用了4台相同的SANTAK/6kVA在线式UPS，并配置了相应的4个配电柜，分别保障三套播控系统和一套总控系统（含图文频道设备）的交流供电，有效地改善了电视播控中心的供电质量，有效地消除了交流供电停电事故，明显地提高了播控系统和总控系统的安全可靠性，为4套自办电视节目安全优质播出和传输提供了重要保障。每台UPS采用单相输入和单相输出，每台6kVA的在线式UPS的输出有功功率为6kVA×0.8=4.8kW，实际最大可带6kVA×0.8×0.8=3.84kW的负载，符合每套播控系统和总控系统（含图文频道设备）对用电量（3kW）的要求。在2004年9月份，为了确保4台UPS安全可靠地工作，我公司建议省广电局电视播控中心对这4台UPS的4个蓄电池组全部进行了更新处理。
3．6 新机房UPS的具体配置
　　为配合2004年湖南省广播局电视播控中心机房搬迁，同时也为了满足2005年新建4个频道数字硬盘播控系统的交流供电要求，湖南省播控中心新机房配置了两台完全相同的山顿40kVA在线式UPS，采用1＋1冗余并机工作方式，正常情况下，由两台UPS各自承担1/2负载，如果其中一台UPS出故障，则由另一台UPS承担全部负载。两台UPS采用独立和相同的蓄电池组，配置一个统一的配电柜，组成冗余并机UPS供电系统。每台UPS采用三相输入和三相输出，每台40kVA在线式UPS的输出功率能够承担全部负载，输出有功功率为40kVA×0.8=32kW，实际最大可带40kVA×0.8×0.8=25.6kW的负载，符合电视播控中心对总用电量（12kW）的要求。每台40kVA的UPS配置100Ah/12V 的山顿蓄电池32节，并各配置一个独立的蓄电池柜组成一个蓄电池组，每个蓄电池组的供电时间大致为2.6h，符合电视播控中心对每个蓄电池组供电时间大于2h的要求。由于两台40kVA的UPS配置了完全相同的蓄电池组，且两台UPS各自承担1/2负载，因此市电中断后，两个蓄电池组供电时间大于4h，当负载为半载时蓄电池组供电时间可以加倍。由于电视墙监视器的耗电约占总负荷的1/4，为节省投资，又便于今后增容，还可以不将电视墙监视器由UPS供电，而由交流市电直接供电。一旦市电停电，由UPS为除了电视墙监视器之外的所有设备供电，而录像机找片头和信号监视等工作可利用技监系统，配合技监系统的监视器来完成，使所有自办的电视节目能够照常播出和传输。

4 电视播控中心UPS的应用与维护
　　为了确保UPS能够安全可靠地工作，也为了延长UPS的使用寿命，电视播控中心的值机人员以及技术维护和技术管理人员必须正确使用与维护UPS。
4．1 最大负载量
　　UPS对负载的要求为纯电阻负载和较小感性负载，不宜带可控硅负载、桥式整流及半波整流负载。正弦波输出的在线式UPS的最大负载量一般控制在额定输出功率的80％以内，实践证明，将负载量控制在50％～80％为最佳。当UPS负载小于30％时，就属于轻载，UPS输出电压的波形会发生变化，但是也不能超负荷使用UPS。
4．2 UPS工作环境
　　UPS主机及其蓄电池组应尽可能安装在清洁、阴凉、通风、干燥的工作环境，蓄电池的工作环境温度最好保持在25℃左右。温度过低，蓄电池实际可释放的容量将大大减少。温度过高，蓄电池的使用寿命将大大缩短。对密封式免维护蓄电池来说，当环境温度超过25℃时，温度每升高10℃，蓄电池的使用寿命大约缩短一半。
4．3 安装时注意事项
　　安装UPS前，必须仔细阅读随机所带的《UPS用户指南》或《UPS使用说明书》，要严格按照这些文件的要求安装UPS设备，并正确接入电源线和接地线。由于蓄电池出厂时已充足电，在安装连线时要将工具用绝缘胶带包好，以防止意外短路损坏蓄电池。蓄电池组联接完成后要先测量总电压是否正常，以防止个别蓄电池极性接反。UPS接入电路时，应保证所接市电的火线、零线顺序符合要求，否则UPS出故障的几率会大大增加。
4．4 初次使用前注意事项
　　新购的UPS初次使用前一定要对新蓄电池组进行均衡充电约12～24h，在各蓄电池电压均衡后再投入使用，以延长蓄电池的使用寿命。为检验新蓄电池额定容量和新蓄电池组供电时间，必要时应进行工程验收，让UPS带上满功率全部负载进行深度放电。
4．5 开关机时注意事项
　　不要频繁地开关UPS，如果短时间内连续开关UPS，会造成UPS内部控制系统的误动作，使UPS处于既无市电输出又无逆变输出等错误状态。不要带负载开启UPS，UPS开启前应将负载设备关掉，不要将UPS作为设备的总电源开关，否则很容易损坏UPS。开关机应按《UPS用户指南》或《UPS使用说明书》的要求进行操作，先开UPS，1～2min后再开通负载的电源开关，而且要逐个开启，这样可以避免负载同时启动时的大电流冲击。而关机时则要按相反顺序进行。UPS应长期处于开机状态，尽可能地减少开关机的次数，并且要求关闭UPS后至少要等10s后才能再开启UPS。应避免冷启动，即禁止将市电断开时启动UPS，因为此时由蓄电池供电，启动电流较大，会损坏UPS。
4．6 定期放电、充电维护
　　如果本地市电不经常断电，则在线式UPS的蓄电池组长期处于只充电不放电状态，这会加速蓄电池老化。最好定期（3个月左右）人为中断市电一次，让蓄电池组满负载供电一段时间（一般为蓄电池组额定供电时间的50％～80％左右，让蓄电池组50％～80％深度放电），以便保持蓄电池的活性，延长蓄电池的使用寿命。为了避免因蓄电池隐患在人为中断市电时出现负载停电现象，可将冗余并机的两台UPS分别逐一地进行放电试验。也可以采取人为降低交流输入电压的方法，使蓄电池"软输入"，一旦出现蓄电池不能放电情况，UPS则自动切换到旁路状态，使向负载的供电不间断，并及时将交流输入电压恢复到正常数值。
还要定期（3个月左右）检查各个蓄电池的端电压，必要时进行均衡充电维护或更换蓄电池。定期放电、充电维护时，要避免UPS蓄电池组被过电流放电或80％以上过度放电，也要避免蓄电池组被过电流或过电压充电。
4．7 做好防雷击和过电压保护
　　雷击闪电及市电电网上的浪涌会严重威胁到UPS的安全，为做好UPS防雷击和过电压保护，UPS的线路要采用统一接地，并与机架系统"地"良好接触，设备外壳通过机架接地，以保证UPS及其负载设备具备有效屏蔽和良好保护接地。
4．8 不要让蓄电池超期服役
　　UPS商家对蓄电池组的质保期一般为3年，如果维护有方、措施得当，则UPS蓄电池组可以正常工作5年以上。但是为了确保UPS安全可靠地工作，用户对UPS的全部蓄电池必须及时（一般在新蓄电池组使用4～5年后）进行更新处理，切不可让蓄电池组超期使用。

5 结语
　　湖南省广播电视局电视播控中心采用了在线式UPS供电系统，为三套播控系统和一套总控系统进行交流供电。长期的实践证明，此举有效地改善了电视播控中心的供电质量，有效地消除了交流供电停电事故，明显地提高了电视播控系统和总控系统的安全可靠性，为4套自办电视节目安全优质播出和传输提供了重要保障.