卫星地球站双机并联热备份UPS供配电系统的设计与实施

韩辰 周颖 江苏省广播电视总台

1.引言

不间断电源系统（以下简称UPS）是保障广电机房供配电的关键设备。江苏卫星地球站原有4台UPS，采用单路单机方式分别为2个机房的主、备路负载供电。如果其中任何一台UPS设备发生故障，采用单电源方式供电的设备因此会出现供电中断，有可能导致节目播出事故的发生。

为完善卫星地球站供配电系统配置，提高电源系统可靠性，确保“十九大”重要播出期优质安全播出，江苏卫星地球站对供配电系统实施了双机并联热备份改造。

2.UPS备份模式

目前，UPS设备系统主要采用3种备份模式：串联热备份、功率均分并联备份、并联热备份。

（1）串联热备份

串联热备份系统是将一台UPS的输出接到另一台UPS的旁路输入，正常运行时由一台UPS供电，另一台处于备份状态，系统工作原理如图1所示。

该系统结构简单、控制系统简单，但系统不能完全满足备份的基本要求，即仅有两条供电支路，主机与备机不能互为备份。由于系统中存在的几处瓶颈故障点均能导致系统供电失败，目前这一系统将逐步被并联技术淘汰。（2）功率均分并联备份

图1 串联热备份原理示意图

功率均分并联备份系统由二台UPS及通过第三附属设备（均分器、并机柜、并机板等）组成，正常运行两台UPS同时输出，通过第三附属设备作有功和无功功率均分，使每台UPS各承担总负载的一半负载量。系统工作原理如图2所示。

图2 功率均分并联备份原理示意图

图3 并联热备份原理示意图

该系统虽然能达到三条供电支路，两台UPS能互为备份，但整个系统结构复杂、控制系统复杂，系统中受自身互相影响及外界影响因素较多，因而其稳定性与可靠性受到无法控制的影响，实际运行中这些影响容易导致系统运行失败。另外，这种备份系统存在第三附属设备这一瓶颈故障点，它的稳定也将直接影响系统的可靠性。（3）并联热备份

并联热备份系统通过将两台UPS输出端直接并联，正常工作中UPS1、UPS2以及市电旁路正常运行，只是通过三个静态开关根据实际情况选择其中一路导通供电给负载，其余两条供电支路处于热备份状态。系统工作原理见图3。

该系统综合了串联备份系统和功率均分并联的优点，系统具有结构简单、控制系统简单、三条支路独立供电、两台UPS能互为备份等优点。它以单机运行模式，达到双机互为备份的效果，消除了瓶颈故障点，实现了各环节的并联备份。实际运行中，并联热备份系统稳定，其可靠性大大提高，达到双机备份的根本目的。

3.双机并联热备份系统

3.1 系统组成

该系统由两台UPS组成，负载由其中任何一台UPS承担，另一台处于备份状态，双机并联热备份系统运行原理如图4所示。系统具有互为备份的功能，在系统中任何一台UPS发生故障，负载仍然能继续由系统中的另一台UPS向负载供电而不受市电干扰。

从结构上看，两台UPS的输出端直接并联，它们的逆变器也共用两台UPS的振荡器，确保UPS1与UPS2同步，并同时与市电旁路直接取得同步。两台UPS共用一条市电旁路，该旁路选择一路市电接入。

从负载端口看，此备份系统有三条独立支路供电。正常运行时，系统可选择任何一台UPS的一条支路供电，另二条供电支路处于热备份。

运行中，任何一台UPS局部或整体故障，负载仍能由另一台UPS不间断地向负载继续供电。

3.2 主备切换条件

（1）市电中断和整流器故障时，电池组放电，当电池电压低于320Vdc时，本机逆变器切换至备机逆变器工作。

（2）负载超载至额定负载（满载）的125%时，逆变器工作10分钟后切换至备机逆变器工作。

（3）散热风扇故障，逆变器工作温度超过90℃时切换至备机逆变器工作。

（4）逆变器本身故障时（逆变器控制板、驱动板或IGBT管故障）切换至备机逆变器工作。

逆变器切换是通过监测总输出窗口来控制的。总输出窗口设置为额定电压的±10%（可调），当逆变器监测到总输出电压超出该窗口范围将会发生切换，上述逆变器切换的条件均依据该控制逻辑。单机情况将转到紧急旁路供电，如果是热备份并机将切换到备机逆变器供电。

3.3 切换逻辑

双机并联热备份系统是建立在单机的逻辑上的。在单机工作的情况下，逆变器与旁路是锁相同步的，当逆变器输出失压超过10%时，逆变器切换到紧急旁路工作。在并联热备份系统里，因为增加了一路备用的逆变器，所以当本机逆变器切换时就不是直接切换到旁路，而是切换到备用的逆变器上工作。

两个逆变器间的切换，及逆变器与旁路之间的切换均为无缝切换，在UPS系统中要实现无缝切换首先需要保证两个切换电源之间是锁相同步的，然后通过对静态开关的控制，采用先合后开的转换方式来实现。在单机系统中，逆变器的输出始终与旁路是锁相同步的。

在并机热备份系统中，首先两个逆变器的锁相同步控制信号是互为备份的，在工作时只用到其中一个逆变器的同步控制信号，当该同步控制信号失效将自动启用另一逆变器的同步控制信号。该做法的优点在于用一个同步控制信号同时控制两台机的逆变器输出频率，这样保证了两台逆变器绝对是同频（同步）；再以该信号与旁路（市电）做锁相同步，确保两个逆变器与市电是同步的，这与单机的锁相同步是一样的。这就确保了“逆变器-逆变器-旁路”之间相互转换做到了无缝转换。

图4 双机并联热备份系统运行原理

表1 双机并联热备份系统切换逻辑

以图4的结构为例，假定UPS1和旁路接入A线外电，UPS2接入B线外电，切换情况如表1所示。

4. 系统实施

4.1 地球站1号机房UPS

根据功能需求，在原UPS的市电输入端增加两个UPS机房交流输入柜，除了方便交流电缆走线及操作外，还可将UPS的整流输入和旁路输入由一路开关控制改为两路开关单独控制，这样就不会因为整流或旁路故障引起整台UPS没有市电输入，造成负载断电故障。

原有的四台UPS保持原位置不变，再新增4台UPS构成双机并联工作方式。其中UPS1和UPS2构成并联为1号机房主路电源负载供电，UPS3和UPS4构成并联为1号机房备路电源负载供电，地球站1号机房电源系统配置见图5。

4.2 地球站2号机房UPS

UPS5和UPS6构成并联为2号机房主路电源负载供电，UPS7和UPS8构成并联为2号机房备路电源负载供电。地球站2号机房电源系统配置如图6所示。

4.3 电源机房布局

系统改造后，需要多放置4台UPS主机和4组电池组，原先的UPS室大小无法满足使用需求和技术要求。因此，将原先的UPS室改造为UPS主机室，只放置UPS主机和交流输入柜及其他辅助设施。同时，新建1个电池室，用于放置原有的UPS电池组和新增的UPS电池组。

4.4 UPS机房环境保障与安保监控

根据电池室的实际面积和布局，配置了机房专用空调和除湿机，确保机房温湿度符合电池充放电所需环境；电池架上加装温湿度传感器，通过采集电池室的实时温度，提供准确的监测值；空调和除湿机周围布放漏水检测线，可实现对该区域是否漏水识别与告警；环境参数接入网管系统，可实现异态报警和记录功能。

电池室内部设置符合标准规定的消防监控系统，监控信息接入区域消防联防系统，并配置自动气体灭火装置。电池室内部设置监控摄像机，全方位实时监控电池运行状况，视频监控图像接入嵌入式数字硬盘录像机记录并保存。机房管理人员及安保人员能够实时登录预览和查询录像。

5. 结束语

系统安装调试完成后，经实际带载测试，双机并联热备份UPS供配电系统的性能达到设计要求。两个逆变器间切换以及逆变器与旁路之间的切换均可实现无缝切换，电源系统所有倒换过程对在线系统设备的运行均无任何影响。双机并联热备份UPS项目的实施有效减少了单路市电中断、单台UPS故障造成的播出事故隐患，提高了双路断电情况下后备电源保障时间，同时也为电源系统的维护检修提供了极大的便利。

图5 地球站1号机房电源系统配置

图6 地球站2号机房电源系统配置