近几年来,广电行业基础设施以及环境建设都取得了很大的成绩,但是从专业的角度来讲,还是有很多可以优化和改善的地方。广电行业新的技术模式和业务模式对一切业务和应用的基础——电源系统建设提出了更多要求和新的挑战。

IDC或MDC以及民航空管部门等重要负载对供电系统的要求需要达到“6个9”,即99.9999%,这些重要用户一年内所能承受的停电时间不能大于31.8s(见表1),即每天的停电不得多于0.09s,否则将给这些重要负载带来不可估量的损失,而广播系统的要求更高。为此,需要分析供电系统不同方案的优缺点,采用适合用户使用的最佳方案,除了确保高可用性外,还使系统在线扩容成为可能,并可以升级。

对于供电系统的建设,一般情况下可分为7个子系统来建设:即高压配电系统、发电机系统、低压切换系统、不间断电源系统、低压配电系统、机房防雷和接地系统以及监控系统等。这些子系统既相互独立,又相互关联。需要根据系统整体的要求来进行统一设计。

1   系统可靠性的基本知识

系统可用性A(t)的定义为:电子系统在使用过程中(尤其在不间断连续使用的条件下),可以正常使用的时间与总时间之比。系统可用性可用平均无故障时间MTBF(是设备失效率λ的倒数)和平均维修时间MTTR表示,即:
            (1)

由式(1)可以看出,要提高系统的可用性,最根本的两项措施是提高设备的可靠性和降低系统故障修复时间。

要提高设备的可靠性,通常的做法是:采用先进的主电路结构和控制技术,对整机做专门的可靠性设计,包括控制电路的可靠性设计、功率电路和功率器件的可靠性设计、提高功率器件的规格和档次并降容使用、热可靠性设计、耐环境可靠性设计、电磁兼容可靠性设计、安全性可靠性设计、严格生产工艺、加强质量管理等。

根据数学家Erich Pieruschka对串联系统的分析得出了有关产品可靠度的Lusser定律,其表述形式是

(2)

也就是说,一个串联系统的可靠度即是该系统所连接的子系统的可靠度之乘积。因此,系统的可靠度要远远低于其中任何子系统的可靠度。

但是,组成UPS主机的上千个元器件和几千个接点,在可靠性模型图上是串联的,整个系统的可用性是这些器件和接点可靠度的乘积,所以以上措施对提高设备的可靠性虽然是有效的,但效果是有限的。

另外,整个供电系统除了UPS以外,还有高压配电系统、低压切换系统、柴油发电机系统、低压配电系统等,它们也是串联的系统。

基于以上分析,供电系统的架构从UPS单机系统发展到UPS冗余并机系统,一直到最新的双总线双电源系统。

2   配电系统和低压切换系统及柴油发电机组的可靠性

由于广电系统的重要性,目前基本上都采用了双路市电供电模式,并且有的配备了柴油发电机组。

双路供电系统及变压器最好放置在不同的房间进行物理隔离,以免相互影响。高压母线有互联开关,防止一路市电停电对后续负载的影响。

对于单机UPS系统,市电及油机的结构如图1所示。ATS1的可靠性模型如图2所示。

图1  UPS单机供电系统

图2  ATS1的可靠性模型

根据试验和统计数据,ATS的可用性At=0.99999,柴油发电机的可用性Ay=0.999,市电(在电网环境较好的地区)的可用性Ai=0.999,则双路市电通过ATS1后的可用性为

Ad=1-(1-Ai×At)2=0.99999897992

市电和油机通过ATS2后的可用性为

As=1-(1-Ad×At)×(1-Ay×At)=0.99999998887

可用性已经达到7个9以上,基本满足系统的可靠性要求。

3   UPS 系统的可靠性分析

假定UPS单机的MTBF=1×105h,平均维护时间MTTR=8h,则UPS系统可用性的计算结果为Au=0.9999,不能满足广播系统的可靠性要求。为了提高UPS系统的可用性,目前一般采用冗余并联 的方法。图3所示为“1+1”UPS双机冗余并联的供电系统。UPS并联的可靠性模型如图4所示。

图3  “1+1”UPS双机冗余并联供电系统

图4  UPS并联的可靠性模型

假设UPS输入部分采用前面分析的双路市电和油机的切换方案,即UPS输入端电源的可用性为AS=0.99999998887,则UPS并机输出的可用性为

Ab=1-(1-AS×Au)2 =0.99999999989977

可以看出,其可用性达到了9个9,完全可以满足要求。

这里为了简化,认为两台UPS的可用性是一样的,冗余并联后也没有变化。实际上,两台UPS并联,增加了并机卡等信号互联电路,两台UPS之间也互相影响,可用性则比上述模拟数据要低。

有时为了满足大功率负载的要求,需要采用“N+1”增容冗余并联的系统来增加UPS系统的输出容量及可靠性,多机并联系统的可靠性如表2所示。

从表中可以得出下列结论:

(1)UPS并机系统能显著提高单机的平均无故障时间,也就是提高其可靠性。

(2)当并机台数增加时,虽然提高了UPS系统的利用率,但也降低了并机系统的可靠性。

(3)并机台数应根据对冗余系统的可靠性要求及输出功率的利用率来考虑。

4   提高低压配电系统的可靠性

根据对美国大型IDC机房统计表明,从UPS输出端到最终用户的设备输入端仍存在如下故障隐患或“单点瓶颈”故障隐患。

(1)79%的故障来源于UPS输出端与负载之间的供电线路(例如保险丝烧毁、断路器跳闸或不慎“短路”等);

(2)11%的故障来源于UPS机组及电池组;

(3)其它故障占10%左右。

国内广电行业的经验也表明,低压配电系统的故障是最主要的,如开关故障、电缆故障、短路过载、越级跳闸等等。根据试验和统计数据,低压配电系统的可用性Av=0.99999。不能满足广电行业的要求。由此可见,应采取必要的技术措施来消除可能出现在UPS输出端的种种故障隐患。

随着近几年广播技术的发展,广播技术逐步向数字化播音转变。其所采用的服务器,存储设备以及专业播音设备都采用了双电源系统,只有极少数设备是单电源供电。为了适应这种发展,并提高低压配电系统的可靠性,采用了UPS“双总线输出”配送电系统。其基本配置为:由两路市电输出+两路UPS电源输出+双路输出配电柜+负载静态切换开关(STS)所组成的UPS“双总线输出”供电系统,如图5所示(市电部分进行了简化),其可靠性模型如图6所示。

图5  双总线输出UPS并联冗余供电系统

图6  双电源负载的供电可靠性模型

对于双电源负载,供电系统的可用性为

Aw=1-(1-As×Au×Av)2=0.99999998789

对于单电源负载,假设STS的可用性为Ac= 0.99999,则供电系统的可用性为:

Au=1-(1-As×Au×Av×Ac)2=0.9999999855

可以看出,上述系统的可用性达到了7个9,完全满足广电系统对供电可靠性的要求。

针对上述双总线系统,根据具体应用,进行了局部的修改和完善。

(1)取消了同步控制器LBS。对于少数的单电源负载,可用小功率(≤3kVA)的ATS(或无需输入同步的小型STS),由于不需要两路输入同步,所以就可以去掉双总线中的总线同步器。小型ATS的转换时间小于<10ms,丝毫不影响负载的正常运行。设计中采用的是双输入的小型UPS来替代STS实现切换功能。由于取消了LBS,不但降低了成本,而且消除了两台UPS之间的电气连接,使两路供电系统完全隔离,提高了可靠性。

(2)对市电与油机间ATS切换的改进。对于双路供电系统,需要采用4台ATS才能实现两台UPS输入端的可靠供电。具体结构如图7所示,这样成本就比较高。

图7  采用ATS切换的双路供电系统

(3)低压配电系统采用标准配电柜。为了提高低压配电系统的可靠性,采用了标准配电柜,按照标准统一设计,工厂化生产,严格检验。另外,为了将来供电系统集中监控的考虑,机房列头柜考虑采用智能配电柜。它们不但可以监控每个分路的电量,还可以实现变压器隔离,分路开关的热拔插更换等,极大的提高了配电系统的可靠性、可维护性和可管理性。

5   结束语

上述双总线双电源供电系统在中国国际广播电台正常运行已一年有余,经过了北京奥运会转播的考验,实践证明是一种高可靠性的供电方案。

(注)此文曾参考中科院张广明研究员撰写的《如何正确配置UPS冗余供电系统》一文,该文刊登在《UPS应用》2007年2月。