覃邦榕
(广西广播电视信息网络股份有限公司南宁分公司,广西 南宁 533000)
偶然发生的停电事件,极有可能引发有线电视中心机房的发射机供配电系统故障,从而造成大范围、长时间的停播事故,产生极其不良的社会影响。其原因是目前广播电视台供配电系统建设采用主/备双回路模式,即当突发停电事件后,中心机房的电源监测系统会及时发出指令至自动切换装置,完成备用供电系统的及时接入。由于切换瞬间的供配电系统启动电流较大,瞬时电涌会直接冲击发射机供配电系统,直接导致系统出现故障,甚至损坏[1]。为有效解决这些问题,需要引入不间断电源(Uninterruptible Power Supply,UPS)保证有线电视中心机房设备的正常工作和电视节目的安全播出。文章在分析UPS 供电系统设计思路和基本要求的基础上,提出一种新的UPS供电系统设计与应用方案,并详细分析UPS选配、使用等方面内容。
有线电视中心机房UPS 供电系统应融合从中压变压器到负载馈线端的全功率链路,能够为大型中心机房提供兆瓦级的供、配、备电一体化解决方案。通过一体化设计、高密部件集成,减少电力系统占地;通过预制化、去工程化,降低交付复杂度,缩短部署工期;通过iPower 智能特性,实现全链可视管理和预测性维护,保障系统运行安全。主要思路包括以下3 点[2]。
第一,一体化集成,全模块化架构,快速部署中心机房UPS 供电系统。依托面向中小机房中心的一站式UPS 设计方案,将供电、制冷、机柜、通道、布线及管理平台等系统一体化集成,全模块化架构实现极简安装、快速部署,传承绿色、极简、安全及智能4 个设计理念。
第二,连续制冷架构,一链两用,运行无中断。由于有线电视机房中心的电力需求高且供应紧张,突发停电会对高速运转的发射机造成极大影响,供电异常极易形成局部过热。UPS 供电系统的一链两用架构实现连续制冷,可以保证制冷系统运行平稳,避免供电异常造成的局部过热。同时,通过组件创新和架构集成,实现信息技术(Information Technology,IT)、温控双模式按需选择。
第三,可移动式自动管理,运维极简。UPS 供电系统可以实现移动式自动管理功能,基于全栈云数据中心能力,实现机房中心的四免管理,即硬件免部署、机房免巡检、故障免定位及现场免维护。移动管理平台一键扫码即连,便可实现7×24 h 移动运维,定时深度检测机房中心UPS 供电系统,可以识别20 多种隐患,提供故障处理指导和一键报修,全方面实现数据中心运维极简。
在有线电视中心机房UPS 供电系统的使用过程中,可能会遇到UPS 异常问题。例如:UPS 供电系统可能会出现短路,造成输出过载;大负载导致UPS供电系统表面温度过高出现性能异常。此时,为防止因自身工作异常造成UPS 内部逆变元件受损,通常设计UPS 供电系统时会采用微处理器进行自动控制,实现逆变元件的直流供电模式切换至旁路电源的交流供电模式,进而保证对发射机电源的持续供电[3]。
引入微处理机的自动控制模块,打造自动化、模块化的有线电视机房中心UPS 供电系统,为未来实现网络化、智能化提供基础平台。基本要求包括以下4 点:一是省地,一列一路电,占地减少40%,达到融合高密化;二是省电,链路效率在双变换模式下高达95.6%,在线模式下高达97.8%;三是省时,产品预制化后质量可控,交付工期由2 月缩短至2 周,部件模块化后支持热插拔,5 min 完成维护;四是省心,全链可视,实时监控,易管理。
根据工作实际和使用需求,科学确定UPS 供电系统的额定容量。当UPS 供电系统的额定容量设置较大时,即整个机房中心的设备供电处于长时间的轻载周期中,会降低整个机房供配电设备的工作效率,且UPS 蓄电池处于长时间小电流充放电模式,也会降低电池的使用寿命;当UPS 供电系统的额定容量设置较小时,长时间的过饱和工作状态极可能会直接烧穿UPS 内部元件,且无法有效完成系统扩容等性能提升。此外,UPS 供电系统的输出功率也需要合理设置,通常情况下,根据机房负载和系统扩容的实际需求进行设置,即负载额度约等于60%的额定输出功率。
根据以上UPS 供电系统配置需求,这里选择的是华为UPS5000-H。该UPS 是面向中大型机房中心和关键供电场景的超高密、超高效的新一代模块化不间断电源。采用全新100 kVA/3U 热插拔功率模块,一柜一兆瓦,有效节省占地面积和安装工时,系统效率高达97%。休眠模式低载高效,iPower 技术提升系统可靠性,简化运维,“自动在线”模式0 ms 切换,效率高达99.1%,实现高效率的同时保障持续不间断供电[4]。该UPS 输出功率因子为1.0,负载区间为18 ~40.2 kW。目前,有线电视机房中心的实际负载约为25.8 kW,基本满足最佳配置策略,且为未来系统扩容预留充裕的空间。
2.2.1 UPS 供电系统
为有效应对可能的突发停电现象,这里采用UPS供电系统并机的场景部署,如图1 所示。并机时,各机柜的市电输入、旁路输入及其交流输出端均并联一起,并机线将各个机柜的电子控制模块(Electronic Control Module,ECM)连接一起,使各机柜输出同步,同时给负载供电。当一个机柜出现故障时,可以由另外一台机柜继续给负载提供能量,从而达到提高系统可靠性的目的。UPS 供电系统主要由以下2 条通路构成[5]。一是由交/直流逆变器和蓄电池组构成的主路,交流电(Alternating Current,AC)输入经过整流器整流,变换成直流电(Direct Current,DC),再经逆变器变换成AC输出,同时整流器通过充电器为电池充电。经由两级变换以后,能得到精度和质量都较好的输出电压,可以防止输入谐波、毛刺、电压瞬变等干扰影响负载。二是由静态开关切换的静态旁路,UPS 侦测到功率模块过温、过载或者其他会关闭逆变器的故障时,自动转到静态旁路,同时整流器处于开启状态并通过充电器为电池充电。静态旁路电源会直接给负载提供能量,旁路模式下负载供电质量不受UPS 保护,易受停电、AC 电压波形或频率异常等状况的影响。
图1 UPS 供电系统的并机场景
2.2.2 自动控制单元
自动控制单元主要由3 个模块构成:一是iPower全链路监控,运用大数据统计分析,完成母线电容寿命预测、风扇寿命预测以及母排温度检测,进而实现主动异常状态预测,全面维护工作链路;二是联合供电实现智能限流,扩展输入低压范围。市电+UPS 的联合供电模式如图2 所示,结合市电供电模式,设置联合供电方案,UPS 供电系统最多可以提高15%的供能效率。此外,输入智能限流,一次设置,自动限流;扩展市电输入范围,满载时输入电压范围达160 V(-25%),半载时输入电压范围达80 V(-65%);三是在线模式主动滤波,提升供电质量,逆变器作为有源滤波器主动滤波,当负载功率因数低或谐波含量高时,自动得到补偿,保障反馈至电网高功因低谐波[6]。
图2 市电+UPS 的联合供电模式
机房的规划需要建立在充分考虑使用需求和设备部署的前提下,实现规划的最优效率。华为UPS5000-H供电系统中单设备的尺寸为1 800 mm×880 mm×790 mm,质量为788 kg。根据配置要求,UPS 供电系统中单台设备主要由2 组蓄电池组并接,采用并机模式,共需4 组。由于地面承重的特殊要求,通常选取一楼作为有线电视中心机房的UPS 供电系统安装位置,机房规划如图3 所示。
图3 中心机房UPS 供电系统的规划
两组蓄电池组之间需要间隔一段距离,该规划中选择600 mm,有效满足通风与散热的基本要求。此外,机房东西两侧各设计安装1 台空调,调节机房内部温度,确保UPS 供电系统的使用需求。
文章深入研究有线电视中心机房UPS 供电系统的设计问题,给出面向关键供电场景的模块化UPS使用方法。通过融合数字技术与电力电子技术的优势,提出适配的UPS 配置策略、设计要求以及机房规划等设计方案,方案的可用性、高效率及自动化程度完美匹配云计算时代广播电视快速灵活、高效运营的实际需求。