陳 旭

（江蘇省廣電有線信息網(wǎng)絡(luò)股份有限公司鎮(zhèn)江分公司，江蘇 鎮(zhèn)江 212000）

0 引 言

隨著廣電行業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)廣電數(shù)據(jù)中心的供配電系統(tǒng)提出了更高的要求，其中不間斷電源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系統(tǒng)至關(guān)重要，是保證供配電系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)廣播電視安全播出不間斷和各項(xiàng)業(yè)務(wù)穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。根據(jù)《廣播電視安全播出管理規(guī)定》中供配電系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)定，地市級(jí)的廣電數(shù)據(jù)中心應(yīng)達(dá)到3級(jí)保障要求，但是結(jié)合安全播出的重要性，一般按照2級(jí)保障來(lái)設(shè)計(jì)，即接入2路外電，主要播出負(fù)荷采用UPS供電，UPS電池組后備時(shí)間應(yīng)滿足設(shè)計(jì)負(fù)荷工作30 min以上。

1 UPS系統(tǒng)組成

UPS中包含蓄電池組來(lái)存儲(chǔ)電能，為一些關(guān)鍵的負(fù)載設(shè)備提供不間斷的穩(wěn)定電源。當(dāng)市電因故障停電時(shí)，UPS立即切換至蓄電池組直流供電，可以提供一定時(shí)間的電源，通過(guò)逆變轉(zhuǎn)換輸出交流電向負(fù)載維持供電；當(dāng)市電正常輸入時(shí)，部分UPS還可以對(duì)市電質(zhì)量進(jìn)行優(yōu)化，同時(shí)給蓄電池組進(jìn)行充電。

UPS系統(tǒng)主要由5部分組成，即輸入電路、整流器、逆變器、靜態(tài)開(kāi)關(guān)以及蓄電池組。UPS的輸入電路主要包含市電主路輸入、市電旁路輸入、電池組直流輸入。整流器是交流/直流（Alternating Current/Direct Current，AC/DC）轉(zhuǎn)換的裝置，將交流轉(zhuǎn)換為直流，并進(jìn)行穩(wěn)壓。整流器可以在市電輸入變化時(shí)控制輸出幅度，保持輸出的整流電壓基本不變。逆變器是直流 /交流（Direct Current/Alternating Current，DC/AC）轉(zhuǎn)換的裝置，將直流電源轉(zhuǎn)換成穩(wěn)壓穩(wěn)頻的交流電為負(fù)載供電。逆變器是UPS的核心部件，其性能直接決定了UPS的輸出效率和性能指標(biāo)。靜態(tài)開(kāi)關(guān)作為主電源逆變輸出和旁路電源的電子控制裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)不間斷自動(dòng)切換。當(dāng)逆變器故障或過(guò)載時(shí)，能夠零延時(shí)自動(dòng)切換至旁路輸出。蓄電池組是UPS用來(lái)存儲(chǔ)電能的裝置，是UPS系統(tǒng)不間斷供電的重要組成部分。當(dāng)市電正常時(shí)，蓄電池組處于充電狀態(tài)；當(dāng)市電故障時(shí)，蓄電池組將電能釋放供給逆變器。蓄電池組由若干節(jié)電池串聯(lián)組成，電池的容量與數(shù)量決定了其持續(xù)放電的時(shí)間，目前應(yīng)用最多的是閥控式密封鉛酸蓄電池。

2 UPS選型

按照結(jié)構(gòu)和工作原理，可以將UPS分為后備式UPS、互動(dòng)式UPS以及雙變換式UPS。不同類型的UPS分別應(yīng)用在不同的使用場(chǎng)景中，需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)合理選用。

2.1 后備式UPS

顧名思義，后備式UPS通常作為后備電源使用。市電正常時(shí)，直接向負(fù)載供電，逆變器處于等待狀態(tài)；當(dāng)市電故障時(shí)，UPS會(huì)立即切換至逆變狀態(tài)，此時(shí)負(fù)載由UPS逆變器供電。后備式UPS是最簡(jiǎn)單、成本最低的UPS，工作效率高，但是不能對(duì)市電進(jìn)行調(diào)節(jié)，輸出功率較低，切換時(shí)間稍長(zhǎng)，對(duì)于精密度高的設(shè)備可能會(huì)出現(xiàn)瞬間掉電的情況，適用于一些辦公場(chǎng)景，不能用于數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)。

2.2 互動(dòng)式UPS

互動(dòng)式UPS指逆變器并聯(lián)在市電與負(fù)載之間，處于熱備份狀態(tài)。當(dāng)市電正常時(shí)，直接向負(fù)載供電或通過(guò)UPS電源內(nèi)部穩(wěn)壓線路優(yōu)化市電輸出，逆變器反向工作作為充電器對(duì)電池組進(jìn)行充電；當(dāng)市電故障時(shí)，立即切換至逆變狀態(tài)，由電池供電?；?dòng)式UPS具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、效率高等特點(diǎn)，比后備式UPS的保護(hù)功能更強(qiáng)，但抗干擾性不強(qiáng)，同樣存在切換時(shí)間的問(wèn)題，適用于服務(wù)器和小型機(jī)房，不適用于數(shù)據(jù)中心的供電系統(tǒng)。

2.3 雙變換式UPS

雙變換式UPS指逆變器串聯(lián)在市電與負(fù)載之間，處于供電持續(xù)狀態(tài)，電源經(jīng)過(guò)AC/DC、DC/AC這2次變換提供給負(fù)載。當(dāng)市電正常時(shí)，市電經(jīng)過(guò)整流器一方面向逆變器供電，另一方面給電池充電，逆變器輸出向負(fù)載供電；當(dāng)市電故障時(shí)，能夠無(wú)延時(shí)切換，由電池輸出經(jīng)逆變器向負(fù)載供電。雙變換式UPS是目前UPS的主流形式，具有性能好、抗干擾強(qiáng)、無(wú)切換時(shí)間以及輸出高質(zhì)量的交流電等優(yōu)點(diǎn)，但是價(jià)格昂貴，正常工作時(shí)整流器和逆變器都要消耗電能，效率稍低。廣電數(shù)據(jù)中心對(duì)安全播出和業(yè)務(wù)穩(wěn)定有嚴(yán)格的要求，因此機(jī)房供電系統(tǒng)要選用雙變換式UPS[1]。雙變換式UPS系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 雙變換式UPS系統(tǒng)原理

3 UPS供電模式

在廣電機(jī)房UPS系統(tǒng)供電應(yīng)用中，需要考慮UPS系統(tǒng)的可維護(hù)性和可用度，提高故障容限，可以采用冗余的UPS系統(tǒng)。常見(jiàn)的冗余UPS供電模式有串聯(lián)熱備份供電模式、并聯(lián)冗余供電模式以及雙總線供電模式。

3.1 串聯(lián)熱備份供電模式

串聯(lián)熱備份是將UPS備機(jī)的輸出端接到UPS主機(jī)的旁路輸入，當(dāng)主機(jī)在正常工作模式時(shí)，由主機(jī)逆變器對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，備機(jī)處于空載狀態(tài)；當(dāng)主機(jī)出現(xiàn)故障時(shí)，自動(dòng)切換到旁路模式，由備機(jī)逆變器對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電；當(dāng)主備機(jī)同時(shí)故障時(shí)，主備機(jī)均處于旁路模式，此時(shí)由市電進(jìn)行供電。此種UPS供電模式為“1+1”冗余，消除了電源單點(diǎn)故障，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單。不同品牌型號(hào)的UPS都可以方便組成串聯(lián)熱備份，但是其同一時(shí)間只有1臺(tái)UPS帶全部負(fù)載，因此存在超載能力差、主備機(jī)老化程度不一樣等問(wèn)題，目前已經(jīng)較少采用。串聯(lián)熱備份系統(tǒng)工作原理如圖2所示。

圖2 串聯(lián)熱備份系統(tǒng)工作原理

3.2 并聯(lián)冗余供電模式

并聯(lián)冗余是2臺(tái)及以上相同品牌型號(hào)的UPS通過(guò)并聯(lián)模塊將輸出端連接在一起，同時(shí)對(duì)負(fù)載進(jìn)行供電，一般按照“N+1”冗余（N為正常工作時(shí)所需的UPS數(shù)量，1為額外增加1臺(tái)UPS作為備用）。正常工作時(shí)，每臺(tái)UPS均分負(fù)載功率，同時(shí)由逆變器進(jìn)行供電；當(dāng)其中1臺(tái)UPS故障時(shí)，負(fù)載功率由剩余UPS均分承擔(dān)。并聯(lián)冗余供電方式最大的好處是可以均分負(fù)載，并且可以根據(jù)負(fù)載量通過(guò)新增UPS的方式實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量擴(kuò)充，但是每臺(tái)UPS輸出的波形、幅值以及相位必須嚴(yán)格一致，這樣才能保障系統(tǒng)的可靠運(yùn)行[2]。并聯(lián)冗余系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

圖3 并聯(lián)冗余系統(tǒng)工作原理

目前還有一種更簡(jiǎn)便的并聯(lián)冗余模式是模塊化UPS，由UPS機(jī)框、功率模塊、控制模塊以及靜態(tài)開(kāi)關(guān)等組成，每個(gè)功率模塊都包含了整流器、逆變器以及獨(dú)立控制器，相當(dāng)于1個(gè)小型雙變換UPS，這樣由若干個(gè)功率模塊并聯(lián)疊加就構(gòu)成了1個(gè)整機(jī)模塊化UPS。整機(jī)UPS容量由功率模塊的數(shù)量決定，通常為所有功率模塊容量之和，每個(gè)功率模塊均分整機(jī)UPS地負(fù)載功率。模塊化UPS運(yùn)用并聯(lián)冗余技術(shù)，功率模塊支持熱插拔，可以在線更換擴(kuò)展維護(hù)，通過(guò)增加模塊能輕松實(shí)現(xiàn)“N+X”冗余，每個(gè)模塊故障或插拔均不會(huì)影響其他模塊正常工作。其控制模塊也具有主備冗余，具有高可靠性、高靈活性、易維護(hù)以及易擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。雖然模塊化UPS比普通UPS價(jià)格更貴，但相比整機(jī)并聯(lián)所占用的空間和投資成本更小，可以為數(shù)據(jù)中心的安全運(yùn)行提供有效保障。

3.3 雙總線供電模式

串聯(lián)熱備份和并聯(lián)冗余供電模式可以消除電源單點(diǎn)故障，但是UPS輸出至負(fù)載供電線路只有單路，而大部分供電故障來(lái)源于此，包括保險(xiǎn)燒毀、斷路器跳閘、負(fù)載短路等，由此引入一種雙總線供電方式，由雙路UPS組成雙母線供電系統(tǒng)，也稱為“2N”冗余。此UPS供電方式最大的特點(diǎn)是同時(shí)供應(yīng)2路供電母線，2條線路相互獨(dú)立、互不干擾。正常工作時(shí)，2條線路同時(shí)向負(fù)載供電，可以供給雙電源負(fù)載或者通過(guò)靜態(tài)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)再供給單電源負(fù)載。當(dāng)其中一條線路任意一點(diǎn)出現(xiàn)故障時(shí)，可以由另一條線路承擔(dān)全部負(fù)載，系統(tǒng)的運(yùn)行不會(huì)受到影響，很好地消除了整條線路單點(diǎn)故障，擁有更高的容錯(cuò)能力，也提升了在線維護(hù)、在線擴(kuò)容的便利性。由于此方式容錯(cuò)能力更強(qiáng)，逐漸成為對(duì)安全播出要求較高的廣電數(shù)據(jù)中心的最佳供電方式。雙總線系統(tǒng)工作原理如圖4所示。

圖4 雙總線系統(tǒng)工作原理

為了進(jìn)一步提高UPS供電系統(tǒng)可用性，還可以將雙總線供電模式和并聯(lián)冗余模式結(jié)合運(yùn)用，或者采用雙路模塊化UPS的雙總線供電模式[3]。

4 UPS容量

UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從供電范圍、供電方式、用電規(guī)模等方面綜合考慮UPS容量。一般地市級(jí)廣電數(shù)據(jù)中心按照雙總線供電方式配置2臺(tái)UPS，雖然2臺(tái)UPS可以分?jǐn)傌?fù)載，但要考慮到如果一路出現(xiàn)故障，另一路必須承擔(dān)全部負(fù)載，因此需要按照單臺(tái)UPS容量來(lái)計(jì)算。供電負(fù)載主要是機(jī)柜設(shè)備，還有一些門(mén)禁設(shè)備、消防設(shè)備、智能化設(shè)備等小功率設(shè)備，在計(jì)算UPS容量時(shí)應(yīng)留有余量。

廣電數(shù)據(jù)中心按照150個(gè)42U機(jī)柜為例，每個(gè)機(jī)柜平均負(fù)載約為1.5 kW，總負(fù)載功率約為225 kW。根據(jù)UPS基本容量公式計(jì)算得出至少要選用300 kVA的UPS，鑒于后期擴(kuò)容需要，可以選擇500 kVA的模塊化UPS。由于負(fù)載是分?jǐn)傇?臺(tái)UPS上，每臺(tái)UPS實(shí)際負(fù)載在20%～30%。負(fù)載率對(duì)UPS運(yùn)行效率有較大影響，在60%～70%負(fù)載時(shí)UPS的運(yùn)行效率能達(dá)到最大，但為了安全運(yùn)行，每臺(tái)UPS負(fù)載率不能超過(guò)50%。前期配置2臺(tái)500 kVA的模塊化UPS，每臺(tái)可先配置6臺(tái)50 kVA的功率模塊，這樣既能提高UPS的運(yùn)行效率，避免資源浪費(fèi)，降低采購(gòu)成本，后期還能根據(jù)需要增加模塊，實(shí)現(xiàn)靈活擴(kuò)容[4]。

5 UPS后備電池配置

在UPS運(yùn)行過(guò)程中若發(fā)生市電中斷的情況，UPS所帶的蓄電池組需要立刻開(kāi)始向逆變器提供直流電能，以保證負(fù)載的不間斷運(yùn)行。UPS后備時(shí)間長(zhǎng)短由電池?cái)?shù)量、電池容量、負(fù)載功率、電池工作環(huán)境以及電池?fù)p耗情況等多種因素決定，要結(jié)合具體情況正確配置蓄電池的實(shí)際容量，保證蓄電池持續(xù)供電時(shí)間滿足市電恢復(fù)或啟動(dòng)后備電源的要求。與此同時(shí)，注意必須選擇同一品牌、同一種類、同一型號(hào)以及同一性能的電池。

5.1 電池電壓

單節(jié)電池電壓主要有2 V和12 V，對(duì)于機(jī)房UPS系統(tǒng)而言，UPS電源的直流工作電壓較高，因此選用12 V電壓的電池在成本和空間利用上更具有優(yōu)勢(shì)。

5.2 每組電池串聯(lián)節(jié)數(shù)

電池串聯(lián)節(jié)數(shù)可根據(jù)UPS要求來(lái)配置，一般不宜配置為最小數(shù)量，會(huì)影響電池使用壽命。以UPS要求40～44節(jié)電池為例，可以配置成44節(jié)電池。

5.3 電池截止電壓

12 V單節(jié)電池截止電壓根據(jù)UPS要求設(shè)置，一般設(shè)為10.5 V。12 V單節(jié)電池中由6個(gè)2 V單體串聯(lián)組成，2 V單體截止電壓為1.75 V。

5.4 后備時(shí)間

根據(jù)《廣播電視安全播出管理規(guī)定》中供配電系統(tǒng)的相關(guān)規(guī)定，后備時(shí)間應(yīng)滿足設(shè)計(jì)負(fù)荷工作30 min 以上。

5.5 電池容量

蓄電池容量計(jì)算一般有安時(shí)法、恒功率法、恒電流法等，考慮到UPS系統(tǒng)的應(yīng)用工況，通常采用恒功率法。UPS所帶負(fù)載功率是恒定的，電池需要提供恒定的功率來(lái)支持負(fù)載運(yùn)行。在UPS系統(tǒng)放電過(guò)程中，電池組輸出功率恒定，電壓逐步降低，則電池的放電電流持續(xù)增大，直到電池電壓下降至截止電壓。恒功率法在電池容量計(jì)算中比較準(zhǔn)確，在成本控制、性能上能夠?qū)崿F(xiàn)合理配置[5]。

5.6 查表選型

根據(jù)電池恒功率放電數(shù)據(jù)表，選擇在相應(yīng)后備時(shí)間和截止電壓下性能滿足要求的電池規(guī)格。電池恒功率放電數(shù)據(jù)表如表1所示。

根據(jù)表1，選擇12 V/200 Ah電池,在終止電壓1.75 V 時(shí)，30 min 放電恒功率為 368 W，當(dāng) 300 kVA UPS滿載輸出時(shí)，配置3組并聯(lián)（每組44節(jié)）共132節(jié)12V/200Ah規(guī)格的電池即可滿足UPS系統(tǒng)后備時(shí)間30 min以上的要求。

表1 電池恒功率放電數(shù)據(jù)表

為了保證UPS系統(tǒng)安全使用，需要確保UPS設(shè)備所在的配電室和電池室溫濕度、潔凈度、防雷接地、消防、安防、承重以及空間布局等滿足要求，同時(shí)還要配備相應(yīng)的動(dòng)環(huán)系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)以及安防系統(tǒng)等智能化系統(tǒng)，制定相應(yīng)的冗余和應(yīng)急預(yù)案。

6 結(jié) 論

穩(wěn)定的電源保障是廣電數(shù)據(jù)中心開(kāi)展安全播出工作和其他業(yè)務(wù)的前提，合理的UPS系統(tǒng)設(shè)計(jì)能保證機(jī)房安全穩(wěn)定運(yùn)行，提高廣電節(jié)目播出容錯(cuò)能力，降低運(yùn)營(yíng)成本，提高經(jīng)濟(jì)效益，同時(shí)便于后期維護(hù)，方便靈活擴(kuò)容，為后期發(fā)展預(yù)留擴(kuò)展空間。