廣電播控中心UPS應用實例方案

引言
　　如何提高電視播控中心的供電質量、減少或避免停電事故，是關系到電視節目能否安全優質播出和傳輸的重要問題。采用合適的UPS（不間斷電源）供電系統為電視播控中心供電，是有效地改善電視播控中心供電質量和消除停電事故的良好途徑，也是提高電視播控系統和總控系統安全可靠性的必要措施，更是電視節目安全優質播出和傳輸的重要保障。
1 常見三種UPS的特點
　　UPS主要由整流器、充電器、逆變器和蓄電池組等構成，按其工作方式可分為離線式（亦稱后備式）（Off－line）UPS、在線式（On－line）UPS和在線互動式（On_Line Interactive）UPS。UPS具有較好的穩壓功能，當市電電網輸入電壓在176～264V/324～436V之間變化時，能保證輸出電壓穩定在220V/380V（±5％范圍以內）。當市電電網瞬間斷電或停電時，UPS能自動將蓄電池的直流電逆變為交流電繼續為負載供電。
1．1 后備式UPS
　　后備式UPS是單變換型UPS，它的逆變器在電網電壓正常情況下處于非工作狀態，市電通過濾波和穩壓環節直接供給負載，此時蓄電池處于充電狀態。在市電電壓異常情況下，后備式UPS通過轉換開關切換到蓄電池供電狀態，后備蓄電池開始工作，蓄電池的電能通過逆變器變換成交流正弦波或準方波供給負載。后備式UPS采用了抗干擾型分級調壓穩壓技術，當市電電壓正常時，它能向負載提供抗高頻干擾的穩壓電源，但供電質量不高，輸出電壓的幅度隨市電電網電壓幅度的改變而改變，難以消除或隔離來自市電電網、UPS本身和整流濾波型非線性負載設備的各種干擾和諧波成分，輸出為正弦波電壓的后備式UPS的波形失真系數約為5％。后備式UPS從市電供電到蓄電池逆變供電的轉換時間較長（約為4～10ms），而且由于逆變器不經常工作，所以容易出現故障。
1．2 在線式UPS
　　在線式UPS是雙變換型UPS，它的工作原理是：當市電電網正常時，輸入交流電壓通過充電器對電池充電，同時整流器將交流電壓轉換為直流電壓，通過逆變器再將直流電壓逆變為交流正弦波(或準方波）電壓供給負載。當市電中斷時，后備電池開始工作，電池的直流電通過逆變器變換為交流電供給負載。無論市電供電是否正常，在線式UPS的逆變器始終處于工作狀態，加上輸入低通濾波器、輸出低通濾波器和輸出隔離變壓器的濾波和隔離作用，能夠有效地從根本上消除或隔離來自市電電網、UPS本身以及整流濾波型非線性負載設備的各種波動、干擾和諧波成分，其正弦波輸出波形失真系數很小（3％以內），可實現對負載的高質量凈化（不失真、無干擾、穩壓）和安全可靠（零轉換時間）地供電。在線式UPS能更好地解決市電異常、自身故障、過載等造成的供電問題，因此電視播控中心應優先選擇在線式UPS。在線式UPS的缺點是在整流和逆變的轉換過程中會損耗一部分電能，所以在線式UPS的電源效率相對較低（在90％以下）。
1．3 在線互動式UPS
　　在線互動式UPS的工作方式介于后備式和在線式兩者之間，它結合了后備式效率高和在線式供電質量高的優點。當市電在額定電壓范圍內時，不作調節直接輸出至用電負載設備，如同一臺后備式UPS。當市電電壓高于或低于額定值時，則啟動升壓或降壓功能，并不使用蓄電池供電，直到市電電壓超出正常范圍或停電時，才使用蓄電池供電。在線互動式UPS的逆變器始終處于工作狀態，是雙向變換工作方式，在蓄電池供電狀態，它工作在逆變方式，與后備式UPS相比，轉換時間較短（約為2ms），其交流輸出電壓穩定性較好。在市電供電狀態，它工作在整流方式，給蓄電池充電，充電效果不太理想，故不太適合做長延時的UPS(必要時可外加蓄電池組及充電器)。

2 湖南省廣電播控中心對UPS的性能要求
　　選擇合適的UPS供電系統為電視播控中心供電是提高電視播控系統和總控系統安全可靠性工作必要保障。那么，電視播控中心對UPS的性能有那些具體要求呢？
2．1 安全可靠性要求
　　電視播控中心必須采用單機平均無故障工作時間達20萬小時以上的、高安全可靠性的在線式大型UPS，UPS本身應采用1＋1冗余并機工作方式，配置完全相同的UPS采用獨立的蓄電池組，組成冗余并機供電系統，消除任何可能導致出現單點瓶頸型的故障隱患，確保為負載設備提供高質量不間斷的交流電能。
2．2 供電方式要求
　　電視播控中心的在線式UPS的供電方式必須滿足下列四種工作要求：
　　（1）當市電正常供電時，經過AC/DC（整流），向蓄電池充電，同時經過DC/AC（逆變）向負載供電。
　　（2）當市電停電時，蓄電池開始工作，蓄電池直流電通過逆變器變換為交流正弦波電壓供給負載。
　　（3）當UPS故障或過載時，自動轉為靜態旁路由市電直接向負載供電。
　　（4）當UPS維護或檢修時，通過維修旁路開關，不間斷地轉到由市電向負載供電，從而將UPS與負載隔離，進行維護或檢修。
2．3 隔離干擾能力
　　電視播控中心的電源干擾不僅來自市電電網，也可能來自設計不夠完善的UPS本身，還可能來自非線性負載設備。輸出濾波不良的UPS會向負載泄漏高次諧波干擾；反過來，整流濾波型非線性負載也可向UPS供電系統反射高次諧波干擾，所以必須采用具有功率因數補償的雙變換型在線式UPS，以便向負載提供高質量凈化（不失真、無干擾、穩壓）和安全可靠（零轉換時間）的正弦波交流電能。
2．4 防雷擊、防浪涌能力
　　雷擊閃電及市電電網上的浪涌會嚴重威脅到UPS的安全，在UPS具備有效屏蔽和良好保護接地的前提下，還必須做好UPS防雷擊、防浪涌等過電壓保護。為了有效地防雷擊、防浪涌，電視播控中心在線式UPS的輸入端應配置防雷擊、防浪涌保護電路模塊，以抵御瞬態閃電或浪涌沖擊。
2．5 過載能力
　　UPS在帶沖擊型負載設備情況下，往往會有較大的瞬態啟動沖擊電流，電視播控中心的各類監視器都屬于沖擊型負載設備，因此電視播控中心的UPS還應具有較強的過載能力，在有短時間輕度過載時，逆變器應繼續供電，當然供電時間取決于過載的程度。當過載發生時，UPS蜂鳴器應發出響聲，同時故障指示燈變亮，提醒值班人員排除有短路故障的負載設備。當存在重度短時過載（大于額定電流的1.5倍）時，將從UPS逆變器供電自動切換到由市電直接供電，以保護UPS。
2．6 帶負載能力
　　電視播控中心UPS的帶負載能力應有充足的余量，各路供電分支應設置相應的開關進行控制。UPS的輸出不要直接接入電視播控系統和總控系統的機架上，可先送到接線排的接線柱上，每路接線柱先接到相應的空氣開關，從空氣開關的輸出端再接到相應的機架上，如某路負載設備短路，那一路的空氣開關跳開，為查找故障和維護檢修帶來方便，可防止系統中某一部分設備短路對其他部分的影響，同時也可防止UPS過載使用。
2．7 可維護能力
　　在確保電視播控中心負載設備由UPS連續供電的情況下，應允許對UPS冗余供電系統中的某臺UPS執行完全斷電定期維修或故障檢修等操作。
2．8 可管理能力
　　電視播控中心的UPS必須擁有極強的可管理能力，其在線式UPS應配置監控單元及管理軟件，并能相當容易地在Windows 95/98/NT/2000/XP、Novell、Unix等操作系統平臺上運行，以便對UPS實施功能強大的智能化檢測、監控和管理。

3 電視播控中心UPS的配置
3．1 市電供電配置
　　UPS不宜由柴油發電機供電，這種發電機輸出電壓的波形、頻率變化比較大，發電機與UPS兩者的電壓波形、頻率難以匹配，會影響UPS的正常運行。為確保電視節目安全優質播出和傳輸，電視播控中心的播控系統和總控系統應考慮由兩路市電供電，由市電供電部門提供兩路相互獨立又相互冗余的交流市電輸入，主備市電可實現不間斷自動切換與供電（也可手動切換）。而且播控系統和總控系統中的主用設備和輔助/備份設備的供電應由兩路開關分別控制和供給。當主路市電斷電時，備路市電自動供電。當兩路市電都斷電時，則由UPS蓄電池供電。市電恢復時，主路市電優先送電。與UPS連接的交流配電柜不宜使用手動閘刀開關，而應該使用容量合適的空氣開關，因為閘刀開關在電源通斷時有拉弧現象，會對UPS產生干擾，且閘刀開關采用的熔斷式保險絲對過流響應速度比較慢，而空氣開關在負載或UPS短路時反應很快，并且有漏電保護和過熱保護功能。交流配電柜內的空氣開關和交流接觸器等器件必須選擇安全可靠的產品，并確保其容量有50％～100％的余量。
3．2 主備UPS冗余并機工作方式
　　電視播控中心配置的在線式UPS本身應采用1＋1冗余并機工作方式，配置完全相同的UPS，采用獨立的蓄電池組，組成冗余并機UPS供電系統，并確保兩臺UPS能輸出同幅度、同相位和同頻率的正弦波交流電壓，而且每臺UPS的輸出功率都能承擔全部負載。正常情況下，由兩臺UPS各承擔一半負載，如果其中一臺UPS出故障，則由另一臺UPS承擔全部負載。兩臺UPS冗余并機工作方式分成5種情況：
　　（1）當市電電網正常供電時：UPS1：市電→整流器1→逆變器1→靜態開關1→1/2負載，蓄電池組1浮充。UPS2：市電→整流器2→逆變器2→靜態開關2→1/2負載，蓄電池組2浮充。
　　（2）當市電電網中斷時：UPS1：蓄電池組1→逆變器1→靜態開關1→1/2負載。UPS2：蓄電池組2→逆變器2→靜態開關2→1/2負載。
　　（3）當UPS1故障時：市電→整流器2→逆變器2→靜態開關2→全部負載，蓄電池組2浮充。
　　（4）當UPS2故障時：市電→整流器1→逆變器1→靜態開關1→全部負載，蓄電池組1浮充。
　　（5）當UPS1和UPS2同時故障時：市電→維修旁路開關1→1/2負載；市電→維修旁路開關2→1/2負載。
以上各種情況下的切換都應是自動的，且切換時間為零。
3．3 UPS額定輸出功率的估算
　　UPS輸出電壓波形一般有準方波和正弦波兩種類型，正弦波輸出的UPS帶負載能力相對較強，并能帶電感性負載，電視播控中心應選擇正弦波輸出的在線式UPS。UPS額定輸出功率是決定UPS能驅動多大功率負載的重要參數，為了延長UPS使用壽命，UPS不宜長期在滿載狀態下運行，也不宜長期在過度輕載狀態下運行。在選用UPS時應根據機房內設備的實際負載情況確定UPS的額定功率，并留出適當的余量，以保證UPS安全可靠地運行。UPS額定輸出功率一般以有功功率(瓦,W）或(千瓦,kW）表示，或用視在功率(伏安,VA）或(千伏安,kVA）表示。有功功率記為P，視在功率記為S，P=Scosφ，其中cosφ為負載功率因數，在線式UPS 的cosφ大約為0.8左右，所以P=0.8S。例如，一臺10kVA的在線式UPS，最大輸出有功功率為8kW，因此10kVA的在線式UPS所有負載的有功功率總和應小于8kW。而所有負載的有功功率總和若接近UPS輸出的有功功率，就稱UPS輸出功率與負載耗電功率匹配。為了留出適當的余量，在線式UPS一般應按其額定輸出有功功率的0.8進行負載匹配，所以一臺10kVA的在線式UPS，輸出有功功率為10kVA×0.8=8kW，實際可帶10kVA×0.8×0.8=6.4kW的負載。當然在計算中還必須考慮無功功率的作用。
3．4 蓄電池組配置
　　蓄電池組的配置關系到市電斷電以后蓄電池組后備供電時間的長短，在市電輸入斷電期間，蓄電池組給逆變器的供電時間主要取決于：
　　（1）蓄電池額定容量；
　　（2）蓄電池電壓；
　　（3）蓄電池數量；
　　（4）負載功率因數；
　　（5）負載功率；
　　（6）蓄電池溫度（受環境影響）；
　　（7）蓄電池使用年限。
　　用于電視播控中心的在線式UPS，必須根據本地市電電網供電情況和實際要求，確定蓄電池組逆變供電時間，選擇所需蓄電池的容量、電壓、數量，以確保市電電網停電時，UPS能夠提供2～4h甚至更長時間的供電。
3．5 老機房UPS的配置
　　湖南省廣播電視局電視播控中心有三套播控系統和一套總控系統（含圖文頻道設備），負責三套普通自辦電視節目（新聞頻道、城市頻道、陽光頻道）和一套圖文頻道自辦電視節目的播出和傳輸任務。每套播控系統用電量約為3kW，總控系統（含圖文頻道設備）用電量也約為3kW，電視播控中心總用電量為3kW×4=12kW。從1998年9月份至今，電視播控中心機房采用了4臺相同的SANTAK/6kVA在線式UPS，并配置了相應的4個配電柜，分別保障三套播控系統和一套總控系統（含圖文頻道設備）的交流供電，有效地改善了電視播控中心的供電質量，有效地消除了交流供電停電事故，明顯地提高了播控系統和總控系統的安全可靠性，為4套自辦電視節目安全優質播出和傳輸提供了重要保障。每臺UPS采用單相輸入和單相輸出，每臺6kVA的在線式UPS的輸出有功功率為6kVA×0.8=4.8kW，實際最大可帶6kVA×0.8×0.8=3.84kW的負載，符合每套播控系統和總控系統（含圖文頻道設備）對用電量（3kW）的要求。在2004年9月份，為了確保4臺UPS安全可靠地工作，我公司建議省廣電局電視播控中心對這4臺UPS的4個蓄電池組全部進行了更新處理。
3．6 新機房UPS的具體配置
　　為配合2004年湖南省廣播局電視播控中心機房搬遷，同時也為了滿足2005年新建4個頻道數字硬盤播控系統的交流供電要求，湖南省播控中心新機房配置了兩臺完全相同的山頓40kVA在線式UPS，采用1＋1冗余并機工作方式，正常情況下，由兩臺UPS各自承擔1/2負載，如果其中一臺UPS出故障，則由另一臺UPS承擔全部負載。兩臺UPS采用獨立和相同的蓄電池組，配置一個統一的配電柜，組成冗余并機UPS供電系統。每臺UPS采用三相輸入和三相輸出，每臺40kVA在線式UPS的輸出功率能夠承擔全部負載，輸出有功功率為40kVA×0.8=32kW，實際最大可帶40kVA×0.8×0.8=25.6kW的負載，符合電視播控中心對總用電量（12kW）的要求。每臺40kVA的UPS配置100Ah/12V 的山頓蓄電池32節，并各配置一個獨立的蓄電池柜組成一個蓄電池組，每個蓄電池組的供電時間大致為2.6h，符合電視播控中心對每個蓄電池組供電時間大于2h的要求。由于兩臺40kVA的UPS配置了完全相同的蓄電池組，且兩臺UPS各自承擔1/2負載，因此市電中斷后，兩個蓄電池組供電時間大于4h，當負載為半載時蓄電池組供電時間可以加倍。由于電視墻監視器的耗電約占總負荷的1/4，為節省投資，又便于今后增容，還可以不將電視墻監視器由UPS供電，而由交流市電直接供電。一旦市電停電，由UPS為除了電視墻監視器之外的所有設備供電，而錄像機找片頭和信號監視等工作可利用技監系統，配合技監系統的監視器來完成，使所有自辦的電視節目能夠照常播出和傳輸。

4 電視播控中心UPS的應用與維護
　　為了確保UPS能夠安全可靠地工作，也為了延長UPS的使用壽命，電視播控中心的值機人員以及技術維護和技術管理人員必須正確使用與維護UPS。
4．1 最大負載量
　　UPS對負載的要求為純電阻負載和較小感性負載，不宜帶可控硅負載、橋式整流及半波整流負載。正弦波輸出的在線式UPS的最大負載量一般控制在額定輸出功率的80％以內，實踐證明，將負載量控制在50％～80％為最佳。當UPS負載小于30％時，就屬于輕載，UPS輸出電壓的波形會發生變化，但是也不能超負荷使用UPS。
4．2 UPS工作環境
　　UPS主機及其蓄電池組應盡可能安裝在清潔、陰涼、通風、干燥的工作環境，蓄電池的工作環境溫度最好保持在25℃左右。溫度過低，蓄電池實際可釋放的容量將大大減少。溫度過高，蓄電池的使用壽命將大大縮短。對密封式免維護蓄電池來說，當環境溫度超過25℃時，溫度每升高10℃，蓄電池的使用壽命大約縮短一半。
4．3 安裝時注意事項
　　安裝UPS前，必須仔細閱讀隨機所帶的《UPS用戶指南》或《UPS使用說明書》，要嚴格按照這些文件的要求安裝UPS設備，并正確接入電源線和接地線。由于蓄電池出廠時已充足電，在安裝連線時要將工具用絕緣膠帶包好，以防止意外短路損壞蓄電池。蓄電池組聯接完成后要先測量總電壓是否正常，以防止個別蓄電池極性接反。UPS接入電路時，應保證所接市電的火線、零線順序符合要求，否則UPS出故障的幾率會大大增加。
4．4 初次使用前注意事項
　　新購的UPS初次使用前一定要對新蓄電池組進行均衡充電約12～24h，在各蓄電池電壓均衡后再投入使用，以延長蓄電池的使用壽命。為檢驗新蓄電池額定容量和新蓄電池組供電時間，必要時應進行工程驗收，讓UPS帶上滿功率全部負載進行深度放電。
4．5 開關機時注意事項
　　不要頻繁地開關UPS，如果短時間內連續開關UPS，會造成UPS內部控制系統的誤動作，使UPS處于既無市電輸出又無逆變輸出等錯誤狀態。不要帶負載開啟UPS，UPS開啟前應將負載設備關掉，不要將UPS作為設備的總電源開關，否則很容易損壞UPS。開關機應按《UPS用戶指南》或《UPS使用說明書》的要求進行操作，先開UPS，1～2min后再開通負載的電源開關，而且要逐個開啟，這樣可以避免負載同時啟動時的大電流沖擊。而關機時則要按相反順序進行。UPS應長期處于開機狀態，盡可能地減少開關機的次數，并且要求關閉UPS后至少要等10s后才能再開啟UPS。應避免冷啟動，即禁止將市電斷開時啟動UPS，因為此時由蓄電池供電，啟動電流較大，會損壞UPS。
4．6 定期放電、充電維護
　　如果本地市電不經常斷電，則在線式UPS的蓄電池組長期處于只充電不放電狀態，這會加速蓄電池老化。最好定期（3個月左右）人為中斷市電一次，讓蓄電池組滿負載供電一段時間（一般為蓄電池組額定供電時間的50％～80％左右，讓蓄電池組50％～80％深度放電），以便保持蓄電池的活性，延長蓄電池的使用壽命。為了避免因蓄電池隱患在人為中斷市電時出現負載停電現象，可將冗余并機的兩臺UPS分別逐一地進行放電試驗。也可以采取人為降低交流輸入電壓的方法，使蓄電池"軟輸入"，一旦出現蓄電池不能放電情況，UPS則自動切換到旁路狀態，使向負載的供電不間斷，并及時將交流輸入電壓恢復到正常數值。
還要定期（3個月左右）檢查各個蓄電池的端電壓，必要時進行均衡充電維護或更換蓄電池。定期放電、充電維護時，要避免UPS蓄電池組被過電流放電或80％以上過度放電，也要避免蓄電池組被過電流或過電壓充電。
4．7 做好防雷擊和過電壓保護
　　雷擊閃電及市電電網上的浪涌會嚴重威脅到UPS的安全，為做好UPS防雷擊和過電壓保護，UPS的線路要采用統一接地，并與機架系統"地"良好接觸，設備外殼通過機架接地，以保證UPS及其負載設備具備有效屏蔽和良好保護接地。
4．8 不要讓蓄電池超期服役
　　UPS商家對蓄電池組的質保期一般為3年，如果維護有方、措施得當，則UPS蓄電池組可以正常工作5年以上。但是為了確保UPS安全可靠地工作，用戶對UPS的全部蓄電池必須及時（一般在新蓄電池組使用4～5年后）進行更新處理，切不可讓蓄電池組超期使用。

5 結語
　　湖南省廣播電視局電視播控中心采用了在線式UPS供電系統，為三套播控系統和一套總控系統進行交流供電。長期的實踐證明，此舉有效地改善了電視播控中心的供電質量，有效地消除了交流供電停電事故，明顯地提高了電視播控系統和總控系統的安全可靠性，為4套自辦電視節目安全優質播出和傳輸提供了重要保障.