張 欽

（天津广播电视发展有限公司，天津 300000）

0 引言

目前，广播电视行业要求电能不间断供应24 h，确保节目的播出质量，也避免停电、市电不稳定对直播造成负面影响。基于这种情况，引入UPS 电源是必然选择，且为了获取更好的供电成效，需要对UPS 电源进行优化设计，提升其运行可靠性以及容错率，切实满足不同等级工艺技术的用电需要。

1 广播电视UPS 电源及其设计依据分析

1.1 广播电视UPS 电源

UPS（不间断电源，如图1 所示）主要将蓄电池与主机相连接，通过主机逆变器等模块电路将直流电转变为市电的系统设备，实现不间断的、稳定的电力供应。在实际的运行过程中，如果市电正常供应，UPS 电源可以将市电稳压后提供给负载使用，此时的UPS 可以视为交流式电稳压器；如果市电中断，UPS 电源可以立即在逆变器切换转换的支持下，向负载继续供应220 V 交流电，保证相关设备在正常运行的条件下长时间稳定[1]。

图1 广播电视UPS 电源

1.2 提高广播电视UPS 电源可靠性与容错率的设计依据

从UPS 电源现实功能的角度来看，其中广播电视系统中维护播控设备、直播设备长时间稳定运行的最后一道防线，可以满足当前广播电视系统对于电力供应的更高要求，落实对广播电视UPS 电源可靠性与容错率优化[2]。现阶段，国家广播电视总局在总局62 号令中对广播电视UPS电源提出了更多的规范性要求，需要进一步强化其可靠性以及科学合理性，该规范中，对UPS 电源系统的配置进行了分级设定，具体如下。

在A 级机房条件下，可以应用M（N+1）冗余和2N双母线冗余等，可引入一路（N+1）UPS 和一路市电供电方式，该冗余需要设置UPS 系统自动换转旁路以及UPS 系统手动维修旁路；在B 级机房条件下，可以应用N+1 并联冗余，该冗余需要设置UPS 系统自动换转旁路以及UPS 系统手动维修旁路；在C 级机房条件下，满足基本要求即可。

2 广播电视UPS 电源系统配置方法的设计

2.1 配置方法的选取标准

针对不同的等级，广播电视中心供配电的设计标准要求也存在一定的差异性，在进行广播电视UPS 电源系统的配置过程中，应当着重关注这些标准要求的落实，具体如下。

保障等级为1 级主要包括省级以上的广播电视台或者拥有上星节目的广播电视中心，广播时要求接入2 路外部电源（至少包括1 路专线电源），并配置自备电源，要求设置专用工艺变压器（基于不同外电设置且互为备用），设定UPS 系统电池的最低备用时间为30 min，要求引入主播出设备、备用播出设备和双电源播出设备具有差异性的UPS供电回路；保障等级为2 级主要包括副省级城市以及省会城市的广播电视台或者节目覆盖全省/跨省上的非上星节目广播电视中心，广播时要求接入2 路外部电源（至少包括1 路专线电源），并且配置自备电源或是与相关电力部门提前落实应急供电协议的签订，要求设置专用工艺变压器，设定UPS 系统电池的最低备用时间为30 min，要求引入主播出设备、备用播出设备以及双电源播出设备具有差异性的供电回路；保障等级为3 级主要包括地市/县级以上的广播电视台或者非上星节目的广播电视中心，应当接入2 路外部电源，如果仅具备1 路外部电源则必须要配置自备电源，不要求设置专用工艺变压器，设定UPS 系统电池的最低备用时间为30 min，要求引入主播出设备、备用播出设备以及双电源播出设备具有差异性的供电回路。

2.2 不同数据中心标准下的冗余配置方式

2.2.1 基于A 级数据中心标准下的M（N+1）冗余的配置方式

就当前的情况来看，M（N+1）冗余的配置方式是目前A级数据中心标准下广播电视UPS系统较为常用的一种方式，其中2（N+1）的方法在1 级广播电视系统中更为常用，具体供电方式如下。引入4 套电池 以及4 台主机，搭建起2 段相互独立的并联母线，均承担负荷供电的任务；在实际的运行过程中，如果保持运行的正常状态，则这4台主机分别负担1/4 的总负荷；如果存在1 套相互独立的并联母线出现故障时，该段在实际运行过程中应当承担的负荷迅速转入并联UPS 系统承担；如果在1 段母线与负荷之间的线路出现运行异常时，第2 段母线则立即负担起所有负荷。相比于其他冗余配置方式来说，这种M（N+1）冗余的配置方式有更为明显的应用优势，能够提供覆盖面更广的冗余。同时，在使用M（N+1）冗余的配置方式时，并行维护中也具备冗余，因此不需要在实际的维护过程中将负载切换至旁路。

2.2.2 基于A 级数据中心标准下的2N 双母线冗余的配置方式

为了解决UPS 系统与负荷之间的线路故障问题。引入2 台 USP 主机 。2N双母线冗余的具体供电方式如下。引入2 台 USP 主机，在2 段相互独立的母线的支持下实现带能源输入，同时通过这2 段相互独立的母线分别完成对应负荷的供电；在实际的运行过程中，如果保持运行的正常状态，则这2 台主机分别负担1/2 的总负荷；如果存在1 台主机或是对应配电线路发生故障时，该段在实际运行过程中应当承担的负荷迅速由剩余UPS 系统承担。

当双输入端子设备为主要负荷时，2 套相互独立的USP 系统共同提供2 路负荷电源。在实际运行中，其中1套USP 系统出现故障后，负荷立即（0 s）自动转入剩余USP，由其承担负荷当单输入端子设备为主要负荷时，静态转换开关的输出端连接着负荷电源，且接入2 套USP 系统。此时，如果其中1 套USP 系统发生故障问题，则会在1/4 周波条件下自动完成负荷转换，所有负荷转入剩余USP 承担。应用2N 双母线冗余的配置方式，进一步增强 USP 系统的容错能力。

2.2.3 基于B 级数据中心标准下的N+1并联冗余的配置方式

为了更好地应对 USP 主机及电池故障的问题，可以引入N+1 并联冗余的配置方式，降低相应故障的发生概率。N+1 并联冗余的具体供电方式如下。引入 2 台 USP 主机，同时通过相同母线输入电源，并利用该母线为负载提供电力支持；在实际的运行过程中，如果保持运行的正常状态，则这2 台主机分别负担1/2 的总负荷；如果存在1 台主机或是1 套电池路发生故障时，USP 实现自动化运行，并立即将负荷自动转入剩余USP，由其承担负荷；如果存在系统过载的问题，则该USP 均转入旁路实施运行。

对于N+1 并联冗余的配置方式而言，其具备扩容功能以及冗余性。相比于单机系统来说，依托N+1 并联冗余的配置能够大幅延长平均无故障时间（一般为5.5 倍），使系统更加稳定地运行。

2.2.4 对比分析

为了满足成本以及空间的要求，如果系统对UPS 系统的可靠性有着更高的要求，则选用M（N+1）冗余的配置方式更为合适；如果双输入端子设备为主要负荷，则选用2N双母线冗余的配置方式更为合适；如果单输入端子设备为主要负荷，则选用N+1 并联冗余的配置方式更为合适。需要注意的是，选用任意冗余配置方式的最基础前提是满足保障等级。

2.3 UPS 系统输入电源的配置

为了更好地应对USP 系统上级电源的故障问题，可以引入N+1 并联冗余的配置方式，通过自动转换开关实现对2路输入电源的管控以及自动化切换，并保证相应的2路电源分别对应不同的差异性外路电源，也可以1 路电源对应外部电源、1 路电源对应柴油发电机电源。应用M（N+1）冗余、2N双母线冗余的配置方式时，虽然可以不在线路加设自动转换开关，但是必须要重点控制相应2 路电源分别对应差异性外路电源，且在工艺变压器一侧的主母排上接入柴油发电机电源。

需要注意的是，部分USP 供电在自动启用后就不会再显示检修时间窗口，并不利于后续维修养护工作的落实。基于该情况，需要加设具备维修旁路的一体式自动转换开关，也可以在线路中增设手动维修旁路开关。自动转换开关的双维修旁路原理如图2 所示。

图2 自动转换开关的双维修旁路原理

3 广播电视UPS 电源的蓄电池容量确定

3.1 单体电池电压的选取

现阶段，单体电池的常用电压主要有12 V 与2 V，在蓄电池类别相同的条件下，基于这2 种电压的电池在放电特性方面基本不具备差异性，且由于2 V 蓄电池的容量普遍呈现出较高水平，所以在电力等领域中较为常用[3]。但是，对于UPS 系统而言，受到UPS 电源主流工作电压相对较高时，12 V 电压的蓄电池有着更高的应用优势。基于此，在该文的计算过程中，均以12 V 电压的蓄电池为例。

3.2 蓄电池容量计算方法的确定

3.2.1 安时法

计算蓄电池容量如公式（1）所示。

在上述计算公式中，蓄电池容量使用Q进行表示；安全系数使用K进行表示，计算中的取值设定为1.25；负荷电流使用I进行表示；实际放电小时数使用T进行表示；放电容量系数使用η进行表示；电池温度系数使用α进行表示。计算时，如果放电小时数<10 h,则该电池温度系数设定为0.006，1 h<放电小时数<10 h,则该电池温度系数设定为0.008，如果放电小时数<1 h，则该电池温度系数设定为0.01；电池所在环境的最低温度使用t进行表示，一般来说，如果环境中不存在采暖设备，则最低温度设定为5 ℃，如果环境中存在采暖设备，则最低温度设定为15 ℃[4]。

选定型号为12 V、电池容量为200 Ah 的电池进行放电容量系数的实际值与经验值（来源于GB 51194—2016）的对比，具体如下：在放电小时数达到0.5 h 的条件下，放电容量系数的实际值为0.57，而相应参数的经验值为0.48；在放电小时数达到1 h 的条件下，放电容量系数的实际值为0.69，而相应参数的经验值为0.55；在放电小时数达到2 h 的条件下，放电容量系数的实际值为0.77，而相应参数的经验值为0.61；在放电小时数达到4 h 的条件下，放电容量系数的实际值为0.897，而相应参数的经验值为0.79；在放电小时数达到6 h 的条件下，放电容量系数的实际值为0.96，而相应参数的经验值为0.88；在放电小时数达到8 h 的条件下，放电容量系数的实际值为1.01，而相应参数的经验值为0.94；在放电小时数达到10 h 的条件下，放电容量系数的实际值为1.04，而相应参数的经验值为1。

综合来看，现阶段蓄电池实际的电池放电容量系数已经与经验值（规范中提供）存在相对明显的差异，基于这样的情况，在计算实际的蓄电池容量时，出于对最终结果精准程度的考量，需要利用电池放电容量系数实际值完成相应计算。

3.2.2 恒功率法

利用下述公式即可完成对蓄电池容量的计算，如公式（2）所示。

在上述计算公式中，Q表示蓄电池容量；输出有功功率利用P进行表示；逆变器的效率使用μ进行表示，普遍选取0.95；蓄电池的节数利用n进行表示；其余参数的含义、取值情况与安时法计算式中的内容保持一致。

3.2.3 优化算法

如果仅掌握UPS 主机的额定容量，但是并不了解实际负载的有功功率时，可以使用如下计算方法完成对蓄电池容量的计算，如公式（3）所示。

在上述计算公式中，UPS 主机的额定容量使用S进行表示；负载功率因数使用cosφ进行表示，一般在计算中取1 即可；其余参数的含义、取值情况与恒功率法计算式中的内容保持一致。在计算蓄电池容量时，不需要对温度系数、安全系数进行修正处理，且负荷率普遍稳定在90%额定容量的条件下。同时，对负载功率因数均进行统一取值，即为1，可以视为再次完成一次简单的修正处理，因此该蓄电池容量的优化算法具有一定的可操作性，并且其结果具有可靠性。

4 结语

综上所述，在广播电视系统中引入UPS 电源是必然选择，为了获取更好的供电成效，需要对UPS 电源进行优化设计，提升其运行可靠性以及容错率。参考广电总局提出的规则，在进行UPS 系统检修时，如果节目停播，且停播影响范围较广时，必须要提前发出申请并进入停播申请程序。基于这样的情况，在设计UPS 电源时要纳入带电维护和故障设备安全退出等功能，增强不间断供电运行的可靠程度，结合UPS 系统配置方法的优化，全面满足行业所有用电需要。