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:

　　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

　　RS=R1×R2×R3×……Rn (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。

　　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。

　　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。

（游米儿）