广播电视节目制作和播出的应用

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近年来，由于计算机网络与多媒体技术的飞速发展，广播电视行业自身业务发展需求，非线性编辑制作系统、硬盘存储和播出系统在各级广播电视台得到了普遍应用。广播电视节目的制作和播出系统是一个复杂的综合性系统，对安全性、连续性、时效性的要求很高，其中使用的众多专业电子设备需要可靠稳定的电能，一旦供电系统出现故障，可能会导致素材丢失、节目停播，甚至会使整个制播网络系统陷入瘫痪，严重影响节目的制作播出质量和安全性。作为保证负载可靠供电的最重要一环，不间断电源（UninterruptiblePowerSupply，UPS）系统几乎承担着为所有制播设备安全供电的重任。就朝阳广播电视台而言，核心机房、新闻编辑间、电视播出机房、广播中控室、广播直播间等都配备有中功率UPS，以保障在外电中断或出现波动时能够持续稳定供电，实现节目顺利制作和安全优质播出。但从应用层面来看，目前UPS在应用过程中还普遍存在着技术、环境和人三大方面的难题。首先是技术，要应用先进的、创新性技术，不断提高产品性能，从而满足客户对于安全高效、节约成本等方面的要求。其次是环境，如何打破应用场景限制，提高产品的适应性和灵活性是要解决的又一难题。最后是人，即工作人员要积极提高系统运行维护方面的便捷性和智能化。2021年8月份，朝阳广播电视台对UPS系统进行了全面升级改造，通过对市场上不同品牌中功率UPS产品的性能和价格比较，结合自身业务发展需求，最终选用的是LiebertEXM2系列中功率UPS。相比以往的中功率UPS，该系列产品无论是在应用技术上还是在性能上都有所创新和提升，可以称得上是新一代中功率UPS产品中的“全能王”，为电视台提供了同级最佳解决方案和很好的设计体验。下面结合EXM2的创新技术和实际性能以及笔者在安装使用中的心得体会，从技术层面进行分析与探讨。

1应用多种创新性技术，高效能、大用途、低成本，切实满足客户多样化需求

在技术方面，回归到UPS产品本身，如何应用先进性技术、创新性设计，不断提高产品的性能，适应中功率UPS不同应用场景需求，是需要解决的首要问题。针对这一问题，EXM2提出了极致可靠、极高能效、极低资本性支出的设计理念。1.1系统具有极高可靠性为了达到极致可靠性，在EXM2系统内部，采用母排并联，绝缘距离可以达到电缆的10倍以上，由于母排裸露，散热效果非常好，即使内部发生异常短路，可靠性依然很高。传统的高频一体化UPS一旦出现故障只能转到旁路运行，其稳定性较差，该系列UPS在一体化的基础上进行了创新性的模块化设计，当一个模块发生故障后，其余模块仍能正常运行，即使出现两次故障，依然可以输出60%左右的额定功率。

1.2系统具有高能效性与朝阳广播电视台以前使用的中功率UPS产品相比，EXM2能效方面的优势明显。第一，研发上采用大功率UPS应用技术，成功地将双变换模式能耗降低了25%左右。第二，支持ECO（经济运行模式），当市电正常时，UPS主机系统通过旁路电磁兼容性（EMC）滤波器输出向负载供电，逆变器处于待机状态，从而减少电能损耗；当市电异常时，逆变器开始工作，UPS转为双变换工作模式。使用ECO模式UPS的效率可提高3%～5%[1]。第三，推出了动态在线（Dynamiconline）模式，该模式下逆变器与旁路并联工作，作为有源滤波器提供无功补偿和滤波，电流谐波总畸变率（THDi）小于3%，效率高达99%，同时具有并机休眠功能，进一步提升了并机系统轻载效率。第四，采用可控硅和继电器两种切换器件。使用继电器节能但可靠性差，可控硅具有耐受性强、稳定性高的优点。EXM2将可控硅和继电器并联，切换的时候采用高耐冲击的可控硅进行切换，正常运行的时候采用继电器，很好地解决了UPS系统在进行切换时故障率会上升的问题，实现了可靠性和能效的兼得。

1.3系统采用新一代绝缘栅双极型晶体管整流技术以前UPS多采用绝缘栅型场效应管（MOS）做整流器件，但它的主要弱点是不易把UPS的容量做得很大。绝缘栅双极型晶体管（IGBT）是一种结合了MOS和双极型三极管的优点而产生的一种电压驱动式半导体器件，具有驱动功率小、饱和压降低、开关速度快的优点。首先，IGBT整流采用三电平脉冲宽度调制（PWM）控制技术和载波相位配合等技术，把输入电流谐波降到最小，达到正弦波输入要求，从而使输出电压波形也接近正弦波。其次，IGBT整流采用矢量控制技术，输入功率因数接近1，对电网表现为近似纯电阻负载。这种应用IGBT整流技术的UPS具有节能、拓扑结构简单、对电网污染少、可以适应各种负载、具有更高的稳定性等优点[2]。

1.4所用UPS是一款在线双变换式、三相不间断电源系统双变换就是输入的交流电先通过整流器变换为直流电，然后再由逆变器变换为交流电提供给负载，即无论市电是否正常，均由逆变器通过相应的静态开关向负载供电。其工作原理简单说就是，市电正常时将市电经整流器变换成直流，一路供给蓄电池进行充电，贮存后备能量；另一路供给逆变器，逆变器再将直流电变换成高质量的交流电供给负载。当市电异常时，逆变器将电池组贮存的直流电能转换成交流电能对负载供电[3]。双变换在线式UPS的优点是输出的交流电波形和市电一样是正弦波，而且纯净无杂波，不受市电不稳定的影响。同时，因为逆变器一直处于工作状态，所以其可实现0ms切换。另外，在线式UPS还有一大优点是供电时间长，一般可持续几个小时。在线双变换式UPS能在电网供电和电池供电之间自动进行切换，保障关键设备安全可靠运行，使用户负载免受供电问题困扰。

1.5具有灵活的电池配置方式朝阳广播电视台所使用的系列UPS，对电池节数可调范围进行了拓展，确保前期电池容量精准配置，优化系统成本的同时也利于后期的电池利旧和维护。另外，采用两线电池设计，无须配备中线，减少了电缆的长度，可节省开关和施工成本25%以上。

2优化内部架构，最大限度保持系统的稳定性和适应性，满足多场景应用需求

从环境角度本身来看，中功率UPS被广泛应用在广电通信、交通运输、金融服务保险、加工制造业、中小型IT企业、工商等各行各业，使用场景非常复杂和分散。针对不同应用场景对环境的不同要求，EXM2对内部架构进行优化设计，增加了很多实用功能。第一，有效解决了潮湿、粉尘、金属粉末等UPS正常运行过程中长期积累的环境问题，整个内部器件在最大限度上保证了对环境的适应。从技术上分析，造成积累性环境问题的根本原因在于UPS的设计追求高密度化，内部所有的器件被集中在一起，很难做到风道隔离，散热和防尘效果不够理想。EXM2采用了独特的内部架构设计，让粉尘等通过独立风道排出，不会流经印制电路板（PCB）和其他内部敏感元器件，散热性能和防尘性能都得到了提高，从而防止元器件过早失效，大大提高了产品的可靠性。此外，对UPS最核心的开关器件IGBT做了针对性的绝缘处理，以防止瞬间电流过大，发生短路，避免拉弧故障产生，同时在系统前端增加过滤网防尘，在铜排之间增加绝缘片隔离处理等，这些设计都有效提高了产品对环境的适应性。第二，对于环境改造有很强的灵活性和适应性。人为改造环境对UPS的要求也十分严格，在UPS改造升级过程中经常会出现原有的UPS放置空间不足的问题。而EXM2高系统性、一体化的锂电池可以节省70%以上的占地面积。同时，由于采用上出风的设计，提供灵活的选件，允许自由安装，客户可以并排、靠墙或在转角位置摆放安装，切实满足不同负载场景需求。第三，针对停电或空调故障引起的机房温度升高，以及突发的碰撞、地震等环境问题，EXM2做了全面升级。系统在40℃高温的环境中可稳定运行，即使在50℃的高温下，仍然可以输出80%的额定功率。另外，系统振动加固，并通过了工信部指定的9级抗震测试，当发生严重震动或碰撞时，可最大限度保持系统稳定性。

3模块化设计，智能化操作，全面提升系统运行维护的可靠性、便捷性

从“人”的方面来讲，如何保证UPS系统稳定可靠运行是很重要的考量因素。对于大多数UPS系统来说，普遍存在着运维成本高、维护保养人员专业知识不足的问题，而EXM2创新内部架构设计，从安装到使用的各个环节都实现了简单化、智能化、人性化，使系统无须专人维护，就可以在不同场景中可靠稳定运行，切实解决了UPS应用中“人”的难题，工作人员可以将更多精力投入核心业务上。第一，EXM2的智能运维功能可实时监控UPS系统的运行情况，使运维人员能快速准确地排查问题并解决问题，实现高效维护。通过主机箱上的触摸屏，运维人员可以在双变换、经济运行和动态在线三种运行模式之间灵活切换，随时掌握系统运行情况。一旦出现故障，系统就会进行提示和警告，既能弥补运维人员专业知识的不足，又可以清晰的方式去指导运维人员的操作，有效减少人为失误。此外，在运维过程中，有一些隐藏在UPS主机内部的故障隐患，如电容漏液，通常很难被发现，EXM2则会对内部设备的使用寿命通过弹窗进行提醒，让运维人员知道哪些易损元器件的寿命快要到期，确保及时维修和更换。第二，输出采用传统的隔离变压器，可以在整个控制电路中达到闭环，做到真正意义上的电气隔离。隔离变压器既可以滤除负载端谐波，提高供电质量，又可以发挥“通交流阻直流”作用，避免短路或者冲击造成不良影响，增强系统的抗干扰能力，同时还降低了控制失败导致的输出直流电压对负载的损坏，从而保障负载安全供电，提升实际应用中的可靠性。第三，采用创新的模块化设计。该系列UPS主机中的上出风模块、防雷模块、功率模块等均支持热插拔，灵活实现在线维护，可以达到几分钟内进行备件故障的排除和核心模组的替换，既使客户快速运维的要求得到了满足，又在很大程度上节约了安装和维护成本。

4蓄电池的配备使用和日常保养维护

蓄电池作为UPS系统的储能装置，在市电中断时，释放电能给逆变器，再由逆变器将直流电转换为交流电，维持电源输出，保障负载在一定时间内正常供电，蓄电池性能的好坏对UPS系统运行的安全可靠性十分重要。首先是蓄电池的配备使用。EXM2配备的锂电池具有耐用性强、体积小、能量比高、高低温适应性强等优点。但从实际负载条件、工作环境及运维成本等方面综合考虑，朝阳广播电视台升级改造后的UPS系统选用的是松下阀控式铅酸蓄电池，该电池的优点是密封性好、使用寿命长、免维护。我们把16块铅酸蓄电池串联作为一组，共构成26个独立单元，然后根据负载情况和后备时间进行组合，分别配备到核心机房、新闻编辑间、播控机房、广播直播间等。其次是蓄电池的日常保养和维护。在日常使用和维护过程中，人们往往会因为蓄电池是免维护的而不加以重视，事实上由于不合理使用产生的蓄电池电解液干涸、热失控、内部短路等问题而引起的UPS系统故障的比例为1∶3左右，因此加强蓄电池的日常保养和维护工作对于降低UPS系统的故障率具有重要意义。客户在选配高质量的蓄电池的同时，还要注意以下两方面问题：一是要安装在温度适宜、通风良好、干燥洁净的环境中。蓄电池的使用寿命和容量受环境温度的影响很大，通常蓄电池的最佳环境温度为20～25℃，温度过高会缩短使用寿命，过低会降低容量。二是要定期充电、放电。实际工作中，在电网电压正常的情况下，在线工作的UPS系统其蓄电池会一直处于浮充状态，因此要适时放电，以防止蓄电池性能下降，缩短使用寿命。建议每隔3个月应人为中断供电，对电池放电一次，放电时间长短可根据电池容量大小和负载情况而定，一次全负荷放电完毕，再按规定及时充电[4]。

5结语

UPS系统是保证负载稳定、可靠供电的最重要一环，我们在选用高质量、高性价比的产品的同时，也要切实做好UPS系统的日常使用和维护工作。从2021年8月份开始运行到现在EXM2的工作一直很稳定，在保障朝阳广播电视台节目顺利制作和安全优质播出中发挥着重要作用。实践证明，EXM2高可靠性、高稳定性以及智能化、人性化的功能设计能切实满足客户对中功率UPS产品“可靠、高效、创新、灵活”的需求，让以往中功率UPS应用中存在的技术、环境、人三大方面的问题迎刃而解。希望通过本文的介绍和分析，让大家对新一代中功率UPS产品的应用技术和实际性能有更深入的了解，在今后设计和使用UPS系统时有所参考。

参考文献：

[1]李孟庆.对UPS在ECO运行模式下可靠性的研究[J].数字通信世界,2017(5):203-204.

[2]王力坚.UPS的IGBT整流技术[J].中国金融电脑,2007(2):77-79.

[3]祁晓燕.UPS电源工作原理及应用探讨[J].科技经济导刊,2015(11):93-94.

[4]崔文彪.浅析通信设备UPS蓄电池的维护与保养[J].中国新技术新产品,2015(19):88.

作者:邹德伟 韩爽 单位:辽宁省朝阳广播电视台