电视播控中心UPS电源运行方式分析

方活学 潘代华 湖北广播电视台

电视播控中心UPS电源运行方式分析

方活学 潘代华 湖北广播电视台

本文结合省级电视中心供配电系统设计方案，对三种经典UPS电源运行方式进行了深入分析。双机并列运行在输出交流参数不一样时会出现环流现象，主从串联运行存在单一路径的隐患，双机分列运行真正实现了双回路供电，相比前两种安全可靠性更高。

并机 环流 主从串联 双机分列

引言

2009年12月，广电总局颁布了广播电视安全管理规定实施细则，在细则中对电视中心UPS电源配置做出了明确要求。配置UPS电源，作为提高供电可靠性、保证播出设备不间断运行的重要措施之一，目前已得到了广泛应用。但是，由于UPS电源运行方式设计不合理，引起的重大安全播出事故时有发生。本文结合电视播控中心UPS电源配置案例，对几种典型的UPS运行方式进行深入分析。

一、系统概况

湖北台电视播控中心承担着12套电视频道的播出任务，内设卫星频道播出机房、总控机房、IT服务器机房、专业频道播出机房、上载机房、传输机房等。2015年，根据电视发展的需要，新建了5套高清频道播出系统。高清频道建设前，全部播出设备由1台160KVA的UPS电源供电，且只有一低压供电回路，不符合广播电视安全播出管理规定实施细则的要求。因此，借高清频道建设之机，对现有供配电系统进行了改造。

二、系统分析

2.1 供电要求

根据民用建筑电气设计规范和广播电视安全播出管理规定，省级电视播控中心设备负荷属于一级负荷中特别重要负荷。供配电设计应遵循以下原则：安全可靠，便于维护管理，接线简单，消除单一节点，配置冗余。

2.2 负荷分析及计算

电视播出系统主要设备有监视器、录像机、电视墙、交换机、矩阵切换台、视音频分配器、数据库服务器、视频服务器、光收发机等，全部设备都是电子设备，启动电流大，受电压波动影响大。电视播出系统原有和新增播出设备总负荷为84KW。

UPS电源输出功率计算应考虑实际负载、预留扩容、运行安全、负载率等因数。计算公式如式（1）：

Pjs：设备计算负荷；K1：设备需要系数，取0.75；K2：安全系数，考虑UPS一般工作在额定功率的60%一70%，取1.5；K3：扩容系数，取1.25；PF：负载功率因数，取0.8。

电视播控中心现有UPS电源1台，容量160KVA，拟计划新增1台UPS电源。根据以上计算，新增UPS电源输出功率选用200KVA。

三、UPS电源运行方式选择

2台UPS电源运行方式应用较为广泛的主要有双机并列、主从串联、双机分列运行三种，下面对这三种经典运行方式分别进行分析。

3.1 双机并列运行

图1 双机并列运行

双机并列运行方式如图1所示。2台UPS电源通过1K和2K断路器并联到母线上向播出设备供电。正常情况下，2台UPS各承担50%的总负载，当其中某台UPS电源发生故障需要维修退出时，其所带负载由另一台UPS电源承担。双机并联运行，通过增加1台UPS电源作为冗余，提高了供电的可靠性。该运行方式曾经得到了广泛应用，但是，在实际使用过程中，存在以下问题：

（1）技术复杂。2台UPS电源并机运行前，要求电压、频率及相位三者完全一致。因此，需要增加并机卡、并机柜及相应通讯系统等附件，以保证两台UPS电源并机时输出参数一样。

（2）易出现环流。即使是同型号的两台UPS电源在并机运行过程中，由于老化程度不一样，使用时间长，输出的参数可能不会完全一样，两台UPS电源之间就会产生幅差和相位差，出现环流，严重时会导致UPS电源运行不稳定，发生设备故障，造成供电中断。

（3）存在单一路径。两台或多台UPS电源并联输出汇总到同一母线上，一旦母线发生故障，即便两台UPS电源正常，也无法向设备正常供电。

（4）系统维护管理风险大。两台UPS电源并机运行条件要求严格，若因维护管理不当，造成其中1台UPS电源发生故障，可能会导致整个系统崩溃。

双机并联运行曾经广为使用，但由于并机操作复杂，实践证明，一旦发生并机故障，对整个播出系统的安全运行将是灾难性的。

3.3 双机主从串联运行

为了解决双机并联运行存在的并机复杂等技术问题，将其中1台UPS电源作为另1台UPS电源的静态旁路输入，从而出现了主从串联运行方式。主从串联运行方式如图2所示。

图2 主从串联运行

从机UPS1电源输出端连接到主机UPS2电源的交流旁路“静态开关”的输入端。正常情况下，UPS2的静态旁路开关关闭，从机UPS1处于空载运行状态，主机UPS2向负载供电。当主机UPS2出现故障时，UPS2静态旁路开关打开，UPS1向负载供电，从而确保向负载不间断供电。

主从串联运行技术实现简单、接线简洁，通过增加冗余提高了供电系统的可靠性，但也存在以下安全隐患：

（1）主UPS电源静态旁路不能正常切换。当主UPS电源内部电源模块发生故障，UPS电源将立即停机，此时UPS电源将不能完成静态旁路的切换。从UPS电源即使正常，也不能向负载供电，整个播出设备供电将中断。

（2）如果主UPS电源静态旁路开关出现故障，此时需要切换时，将导致播出负载断电停机。

（3）维修困难。当主UPS电源发生故障，通过静态旁路开关切换到从UPS电源供电时，由于播出系统不能停机，主UPS电源则无法停机维修。一旦从UPS电源也出现故障，则整个系统将断电，从而导致播出系统因断电而停机。

（4）与并联方式一样同样存在单点隐患。如果1K断路器发生故障，整个系统供电将中断。

3.4 双机分列运行

图3 双机分列运行

双机分列运行方式如图3所示。正常运行时，双电源设备由UPS1和UPS2各分摊50%的负载总容量，当其中一台UPS电源出现故障时，另一台UPS电源承担全部负载。对于单电源设备，在前端增加STS静态开关，UPS1电源和UPS2电源引出两回线路为STS静态开关的一主一备电源输入，当UPS1或UPS2出现故障时，STS静态开关切换到UPS2或UPS1，静态开关切换时间小于8ms，切换期间不会导致播出设备供电中断。

双机分列运行有以下特点：

（1）消除了单一节点。引自不同变压器的低压回路通过两台独立运行的UPS电源向设备供电，实现了真正意义上的双电源供电，提高了供电系统可靠性。

（2）维护方便。当其中一台UPS电源出现故障时，可将故障UPS电源从系统中完全退出，不影响系统正常运行，维修方便。

（3）消除了环流隐患。由于两台UPS电源分列运行，互不干扰，不会出现环流、相位差、幅差、通讯等问题。

（4）结构简单。两台UPS电源线路接线简洁清晰、一目了然。设备运行时，值班人员操作简单、管理容易。

在采用双机分列运行方式时，需要对单电源设备增加STS静态开关，以保证单电源设备有两路独立的电源供电。如果STS静态开关本身发生了故障，那么将导致单电源设备供电中断。因此，在系统设计时，除了对单电源设备增加STS静态开关外，还需要对单电源设备进行冗余配置。

本项目两台UPS电源容量不一样，一旧一新，参数也不一样，不适合并列运行。主从串联运行由于存在单路径隐患，不满足设计要求。综上所述，我们选用第三种运行方式，通过对单电源设备增加STS静态开关，对两台UPS电源实现分列运行。

四、结论

在供配电系统中配置UPS电源是提高供电可靠性的重要措施，多台UPS电源运行方式的合理选择在供配电设计时至关重要。通过分析，2台UPS并联运行时由于存在环流、通讯等安全隐患，一旦操作失误，发生并机故障，其后果往往是灾难性的。主从串联虽然能够解决并机隐患，但是存在着静态旁路单一路径。在2台UPS电源分列运行方式中，通过对单电源设备增加STS静态开关，从而实现了真正意义上的双回路供电。

［1］国家广播电影电视总局.广播电视安全播出管理规定[Z].2009-12-16.

［2］周志敏.纪爱华 快速掌握UPS工程应用及故障处理，北京，化学工业出版社, 2013.