广播电视台传统供电模式的缺陷及HVDC直流供电的运用

沙伯珂

（山东广播电视台燕子山发射台 山东省济南市 250014）

供电系统的稳定性对于广播电视的平稳运行具有重要意义。传统的UPS供电系统的工作效率仅有70%左右，且事故率较高，无法保证其平稳性，工作效率较低，无法保证广播电视台的用电。随着供电技术的发展，HVDC高压直流电的高稳定性、低能源消耗等优势，被我国电信的领头者（例如：中国电信、中国移动等）广泛运用，但其于广播电视行业还未得到广泛运用，因此，行业领头人应起好带头作用，充分利用HVDC高压直流电系统，提升广播电视的平稳性，减少安全事故的发生，为我国广播电视行业的发展奠定坚实的基础。

1 传统UPS供电模式的特性与供电方式

UPS供电模式属于一种固定电源，其原理是以蓄电池的形式提供电源，其具有较高的稳定性和实用性。该系统的组成设备有逆变器、交流静态开关、蓄电池、整流器等。在广播电视台可经过整流器给予蓄电池充电，并通过逆变对广播电视台的各个设备输出高质量的交流净化电源供重要负载，使频率、谐波、电压等对电流的干扰程度得以有效降低。当发生停电事故时，供电系统自动切换至蓄电池供电模式对如电梯、楼道电源等进行供电。

1.1 UPS供电模式的特性

UPS供电系统具有较高的延续性，其可在供电过程中进行连续性的转换，当逆变器与市电进行切换时，其控制系统会实时检测市电的同步范围，在市电不超限时的情况下，可由逆变器进行供电，进而防止停电事故的发生。市场上的UPS设备的容量规格大致有0.25、0.4、0.6、1、2、3、4、5、10、15、20、40、60、80、100、120、160、200、300、400、500、600、800、1000kV·A等，而大部分的UPS设备是使用PIGBT高效功率器件、PWM脉宽调频技术、微处理器主/从控制技术等，以实现两天设备或多台设备的并联。

1.2 UPS的供电方式

分为单一模式、并联模式、冗余模式、并联冗余明示等是根据UPS供电模式的工作方式用电设备对可靠性和延续性的需求所设定的，其次，以用电设备对供电系统安全性和可靠性的区别可将UPS供电系统的模式分为为分散模式、集中模式和分散集中模式。分散式UPS供电模式的蓄电池的容量相对于其他两种模式的电池容量要小得多，在使用过程中只能短暂的进行供电，比较适合办公室等用电需求量较少或用电时间较短的场所使用；而集中UPS供电模式的电池容量较大，适合大量供电，因而可被机房、居住小区等需要大量用电的地方使用。

注意在对UPS供电模式进行设计的过程中，需根据甲方的需求选用合适的供电方式进行，并考虑所选UPS产品的转换效率，以保障供电系统的稳定性。若供电需求大，对UPS的转换效率进行合理调控也是至关重要的，因此，设计人员在设计过程中应提升供电模式的转换效率，保证整个供电系统的安全性和平稳性，进而有效降低供电设备的使用成本。通常情况下，广播电视台常使用的UPS后备电池相结合的供电模式进行供电。若UPS系统得以正常供电，广播电视台则可通过UPS稳频稳压后给计算机设备供电，进而提升该系统的供电效率。当广播电视台发生停电池，可通过后备的UPS逆变设备对给电视台的关键设备进行供电，防止播出事故的发生，对电视台的工作效率造成严重影响。其次，广播电视台的UPS后备电池间需要通过静电开关进行切换，以保证广播电视台的各类设备不会在电流切换过程中出现断电的情况。最后， UPS机房馈线的铺设、设备的布置、主机柜的散热和整个机房的降噪措施等是UPS集中模式的关键点，因此相关设计人员、工作人员在设计、安装该模式的设备时，应充分考虑以上问题，以确保集中供电模式的供电效率和供电安全。而分散模式的供电效率较低，分散在各处的UPS的蓄电池的容量也不大，在设计和安装该系统时则不需考虑集中式供电系统所注意的问题，但应注意该系统的UPS电源都应引自双电源末端互投配电柜(箱)的出线回路，不可从普通插座接引。

2 传统UPS供电模式的缺陷分析

2.1 冗余系统的使用率低

传统的广播电视行业的UPS供电模式存在冗余系统使用率低的情况，该问题也是UPS供电模式的关键问题。导致该问题发生的原因主要包括：UPS系统使用的2N模式，其会使得UPS供电设备的负荷过大，且其待载率还不足总容量的1/2。其次，为保证供电的实际需求，该系统设备会剩余容量以供后续使用，使其待载率更是降低到额定负载的三分之一，使得供电系统存在不稳定、利用率低等问题。

2.2 系统的可靠性较低

UPS供电系统在进行供电时，需要于AC与DC之间进行持续变化，在此过程中，不仅会消耗大量的能源，而且还会加大设备负荷，进而加大设备发生事故的可能性。其次，电容器、电源变化器等多个设备的老化速率会因这种变化而加快，进而使整个供电系统的可靠性降低，对广播电视的稳定性造成严重的负面影响。

2.3 供电系统的安全性较低

UPS供电系统在开关电源的整流电路中存在谐波，进而导致供电的质量和安全性受到威胁，该系统为减少谐波的负面影响，会使用高频IGBT整流技术对其进行控制，而技术会增加供电电路的复杂性，加大供电设备的负荷，进而让整个供电系统存在发生安全事故的可能性，严重威胁人们的生命安全。

2.4 UPS系统的维护难度较高

UPS系统电源属于储蓄电池，使用一点年先后，部分电池的蓄电量会出现降低的情况，而这种情况不能以UPS供电系统对其进行充电，若不及时更换蓄电池，则有可能造成安全事故。其次，UPS需要蓄电池进行供电，而蓄电池内部的电阻过大，当充电电压无法对蓄电池进行充电时，应对电池进行及时更换。电池的内阻一般在10-30mn，如果电池的内阻超过200m则将不足以维持UPS的正常运行，对内阻偏大的电池必须更换。

2.5 UPS的供电效率较低

为保证广播电视用电设备能够正常运行，可使用整机式 UPS 系统均配置 N+1 并机冗余模式或 2N 独立双系统模式。在通常情况下，UPS系统负载率必须低于 80%，单机负载率也不可能高于 53.3%，如果是 1+1 并机冗余模式或 2N 独立双系统模式，则单机负载率则应耕地。其次，在日常使用的过程中，必须考虑到该系统的建设周期和甲方的需求，根据终极容量对整个系统尽心搞设计，使得单机实际负载控制在 20-30%之间。由此可见，UPS供电模式的效率低下，难以维持UPS系统的正常进行。

2.6 扩容的难度大

随着我国广播电视台的不断发展，提升广播电视台的供电效率，对于广播电视台的可持续发展具有重要的正面意义。目前，我国大部分广播电视台仍使UPS供电模式进行供电，但该系统的设备较多，在供电的过程一旦出现故障，或需要对。由于UPS扩容涉及到电源的电压、频率、相序、电阻波形等问题，其参数指标较为复杂，所以对UPS系统进行扩容都存在一定的风险性，更新换代的困难也相对较高，且UPS单台故障时没有设备替换因此其维修的难度也比直流电的高。

3 HVDC高压直流电供电系统

高压直流输电是将三相交流电通过换流站整流变成直流电，然后通过直流输电线路送往另一个换流站逆变成三相交流电的输电方式。它基本上由两个换流站和直流输电线组成，两个换流站与两端的交流系统相连接。

3.1 HVDC高压直流电的概念

HVDC高压直流电是先进的供电系统，其可数字化控制、管理、保护、测量等，大部分含有电源开关的设备均可用该系统作为供电的电源，且所具备电源开关的设备随之可切换使用220V的交流电，可为广播电视提供高效率、高稳定性、高质量、高安全的供电环境。另外，该供电系统属于低压供电系统，其供电的电压仅为240V，不是字面意义的高压供电系统。其次，将供电系统的电压调高至260V或300V，能减少开关电源的输入电流，保证前端设备能够正常、稳定的运行。

HVDC高压直流电供电系统的监控主机可进行绝缘检测、电池检测、接地选线、电池活化、稳定电压等功能，可为供电提供具有高效率的数字化监测、管理。其次，监控主机配备液晶触摸屏，管理人员、工作人员等可通过该屏幕清楚了解供电系统、设备的供电情况。其次，该系统的远程监控系统、管理系统较为完善，管理人员可对整个供电系统进行远程遥控，在保证供电系统安全、稳定的同时，还可满足各个电视广播机房的使用需求。

3.2 HVDC高压直流电的原理

（1）该系统在系统交流输入正常、各个设备运作正常、电路运作正常的情况下，两路电流可通过交流切换控制板选择任意一条电路输入电流，还可使用功能交流配电设备给各个充电模块供电，即：将输入充电模块的三相交流电变换为270V的直流电，经过隔离二极管隔离后，给电池进行充电，也能给负载进行供电。其次，合闸母线在控制系统与降压设备后，可形成HVDC高压直流电的备份系统，对母线电源进行控制、管理、检测，随后通过配电监控进行分散采集后，由监控系统进行统一管理。

（2）若交流输入系统存在异常情况（例如：停电、短路等），或充电模块停止工作后，可启用备用电池进行供电，以保证供电系统能够正常运行。其次，该系统的监控系统会随时对电池的电压、放电时间等进行实时监控，当交流输入恢复正常以后，充电系统会及时对电池进行充电。

3.3 HVDC高压直流电的主要特点

（1）具有较高的安全性和可靠性。HVDC高压直流电的开关电源可成模块化进行供电工作。充电系统拥有电热插拔，平可大大缩短对于充电系统的维护时间。其次，该供电系统的动力母线和控制母线具有单独的充电系统，这可降低二者对供电系统的负荷，提升供电效率。最后，硬件低差自主均流技术可保证供电各个系统间输出电流最大不平衡度高于5%。此外，该系统的绝缘措施，可使输出的直流电与地面分离，及时使用人不慎接触一根电线也不会触电，并且，绝缘监控系统可对整个供电系统的绝缘情况进行实时监控，可为使用者的生命提供坚实的保障。

（2）可实现智能化供电和管理。1.HVDC高压直流电供电系统的监控系统采用液晶屏幕汉字显示供电系统的各个参数，方便管理人员对其进行管理，并且，管理人员可通过该系统设置供电系统的参数，另外，监控系统还可有效调节输出电压和电流。2.HVDC高压直流电供电系统有多个扩展通讯借口，可以接入多种智能设备，具有较高的使用价值。3.HVDC高压直流电供电系统可与智能系统、现代化数据分析系统、互联网等先进技术惊醒有效融合，可对整个供电系统进行远程管理、控制等，提升管理、控制的效率，保证系统能够安全平稳的进行供电工作。

（3）降低能源损耗。高压直流电多采用模块化结构尽心供电，其可根据电流输出的大小，对监控模块、监控系统、现场值班人员的控制进行灵活控制，以保证HVDC高压直流电供电系统的供电效率，让系统整流器模块的负债率保持于一个相对较高的水平，进而有效提升HVDC高压直流电供电系统的转换效率，对整个系统的正常供电提供保障。

3.4 HVDC高压直流电的建设成本

（1）设备、材料的购置成本。从理论而言，HVDC高压直流电供电系统的结构比UPS供电模式简单，其不需要逆变器对电流进行控制，因此该系统的成本也明显低于UPS供电系统。但由于该供电系统的各个供电流程均采用模块化设计，且具有较为完整的结构，控制检测设施较为先进，安全性与可靠性接高于UPS系统，因此部署该系统的成本与UPS模式的成本大致相同。

（2）能源使用成本。UPS系统的能源使用量大，但供电效率较低，且于供电的过程中，还会散发大量热量加大，系统的负荷，进而使电流的消耗增加，其成本也相对较高。HVDC高压直流电供电系统通过分模块、分系统工作，可有效提升，若每个系统的年用电量为50kW，每年与供电过程中损失的电量就可减少11万度，由此可见，HVDC高压直流电供电系统可有效减少电费的支出，可有效帮助广播电视台减少运营成本，对其发展具有重要意义。

3.5 高压直流电的功能

HVDC高压直流电供电系统的电能可从三相交流电网中导出，在通过换流站将所导出的电流转换为HVDC高压直流电，并通过高压电线疏松至居住区、工业区等用电区域；HVDC高压直流电在进入这些区域之前又需通过转换站将直流电转换为交流电，再进入接收方的交流电网。通常情况下，HVDC高压直流电的额定功率≥100兆瓦，大部分HVDC高压直流电的额定功率则是于1000-3000兆瓦之间。HVDC高压直流电的输电成本较低，且输电过程中的稳定性较高，因而被远程输电或超远程输电广泛运用，例如我国的西电东输工程便采用HVDC高压直流电的输电模式进行输电。应用HVDC高压直流电供电系统，可以精确、快速的对电能等级和方向进行有效控制，进而有效提升HVDC高压直流电所接交流电网的供电效率，由此可见，将HVDC高压直流电供电系统运用于广播电视台的供电具有重要的正面意义。其次，HVDC高压直流电供电系统可将三相交流电通过换流站整流变成直流电，然后通过直流输电线路送往另一个换流站逆变成三相交流电的输电方式，其是由两个换流站HVDC高压直流电输电线所组成，而换流站又与交流电系统相连接，直流输电线造价明显比交流输电线路低，但其换流站造价却比交流变电站高得多。通常情况下，HVDC高压直流电的架空线路超过600-800km，电缆线路超过40-60km直流输电较交流输电，具有较高的经济利益。

4 安置HVDC高压直流电的注意事项

（1）HVDC高压直流电供电系统对于配电开关性能的要求较高，这是因为交流电在周期内会经过零点，若系统发生短路，过零点的电流在通过零点时很容易造成灭弧；直流电不会通过零点，但其容易发生拉弧，这两个问题是HVDC高压直流电供电系统的重要问题。由此可见，HVDC高压直流电供电系统可采用交流控制开关作配电控制，但为防止拉弧现象的发生可采控制管控前加以熔断器进行保护。

（2）广播电视台机房的数量多种多样，大部分机房均可使用开关电源的设备都可作为直流电源的供电开关，但部分设备仍不可使用直流电，因此，在部署HVDC高压直流电供电系统时，应对广播电视台的各个设备进行检测，若电视台内的设备不可使用HVDC高压直流电供电系统进行供电，应对这些设备采用传统UPS设备进行供电。

（3）供电机房的各类设备的开关电源的原理大致相似，其输入端主要采用整流全桥的原理，尽管各个设备存在不同的工作方式，但都以使用直流电而非交流电进行工作。因此，广播电视台的各类设备皆可使用HVDC高压直流电供电系统进行供电。但在接入的过程中，应对整个系统的电路进行严格检查，即：1.检查整流全桥的前端，避免电感类设备出现零线对地接的情况。2.对部分采用交流频率检测、辅助电源的设备单级供电的情况，要保证设备无故障出现。3.在够进设备时，应严格要求所购入的设备必须兼容交流电和直流电，防止购入的新设备无法接入HVDC高压直流电供电系统而造成资金浪费。

（4）HVDC高压直流电供电系统的布线和接入插座应与交流电区分开，并做出明显的警示标记，防止非直流电用电设备给整个HVDC高压直流电供电系统造成损害。若条件允许，则可将HVDC高压直流电供电系统的布线与交流电供电系统的分成两个路由，并可特别定制转换插头和接头，以防止交流电设备接入直流电系统。最后，部署HVDC高压直流电供电系统时可进行分区域部署，进一步提高整个系统的安全性，为使用者的生命安全提供坚实保障。

5 高压直流(HVDC)与传统交流 UPS 的比较

采用高压直流(HVDC)替代交流 UPS 给 IT 设备供电，有着明显的优势，如表1所列。

表1：高压直流(HVDC)与传统交流 UPS 的比较

6 总结

综上所述，HVDC高压直流电供电系统的稳定性、安全性、可靠性皆明显高于广播电视台传统的UPS供电系统，因此，各个广播电视台应将其广泛运用于供电系统的改良中，这样既能够提升广播电视台的供电效率和安全性，又可达到节能减排的目的，对于广播电视台的可持续发展具有重要意义。但HVDC高压直流电供电系统并不代表绝对的安全，在部署该系统时，应重视供电设备的选用、电路的连接等问题，有效防止交流电设备接入直流电供电系统，给整个系统的安全性造成威胁。