廣電行業發展中機房電源及環境基礎的建設探討

　　一、傳統電源及環境建設方案可能存在的問題

　　廣電行業電源以及環境建設都取得了很大的成績，但是從專業的角度來講，還是有很多可以進行優化和改善的地方。特別是在當前廣電行業數字化、產業化轉型的關鍵時期，廣電行業新的技術模式和業務模式對于系統的穩定運行和安全保障提出了更高要求，同樣使得一切業務和應用的基礎——電源以及環境系統建設提出了更多要求和新的挑戰，。

　　下面我們將就目前廣電行業機房電源及環境基礎建設可能存在的一些共性問題進行闡述。本文主要涉及和論述的是交流不間斷電源(UPS)和機房專用空調這兩種具體產品和系統的設計和建設使用時要考慮的問題。

　　一)電源及環境支持系統是一個相對獨立的基礎系統，需要非常重視。

　　機房電源及環境系統是一切具體技術和業務應用的基礎，需要相對獨立和統一的規劃和建設。目前廣電行業的電源以及環境建設系統建設總的來講關注是不夠完備的，主要體現在如下幾個方面：

　　1)系統建設思路上的不完備。沒有一個專門的規劃和一以貫之的思路，也沒有相關的系統建設明細標準。在以往的廣電建設中，無論是電源設備還是相關的環境支持設備都是隨著主要的業務設備投入而分期投入的，因此各個電源設備和相關的環境支持設備千差萬別。

　　2)系統建設方案上的不完備。對于該系統的建設，我們認為一般情況下可分為八個小系統來建設：即發電機系統、低壓切換系統、低壓配電系統、直流不間斷電源系統、交流不間斷電源系統、機房環境調節系統、機房防雷和接地系統以及監控系統等。在實際建設中可以根據不同的場地具體情況選擇制定不同的方案以便使安全效益最大化。

　　二)交流不間斷電源系統(UPS)建設所面臨的問題。

　　1)UPS的布置呈現出分散的態勢，后級的交流用電設備取電不集中。

　　第一，UPS電源的分散配置，導致UPS電源的利用率必然不高。這樣，投入和產出就往往不可能達到一個最優的比例，也必然不利于系統的擴容。

　　第二，無論是從設計還是應用來看，分散的小容量的UPS系統的可靠性相對

　　較低，出現問題的概率相對較大。

　　第三，分散小容量UPS系統的可維護性較差，且維護成本相對較高。

　　第四， 電源的分散配置，不利于前后級的配電系統的設計，浪費空間，給安裝、維護、管理UPS及電池等各項工作造成很大困難，威脅供電系統長期、穩定、正常地運行

　　2)UPS系統的供電方案不盡合理。

　　根據不同的負載對可靠性的不同要求，UPS系統有著不同的組網方式，可靠性從低到高，一般可分為：單機供電系統、兩臺UPS組成的串聯熱備份系統、多臺UPS組成的直接并機系統、多套UPS系統所組成的雙母線系統。

　　就目前的情況來看，多數廣電機房主要采用的系統是單機系統兩臺UPS所組成的串聯熱備份系統，另外，在某些數字電視中心及IDC(互聯網數據中心)機房采用了兩臺UPS所組成的直接并機系統。

　　特別指出，我們發現有些廣電機房的一些核心負載就簡單的用串聯熱備份系統來提供用電，這是很不安全的。在核心負載的用電安全上，這種UPS的配置方案顯得相對不足，因為只要串聯系統中的主機宕機，負載極有可能中斷引起嚴重事故。我們推薦至少要用一套1+1的直接并機的系統。對于數字電視中心及 IDC機房，我們推薦雙母線系統，這樣，系統的供電的可靠性可達99.99999%

　　3)UPS種類繁多，除了主流廠家之外，還有很多小廠家產品，良莠不齊。各套UPS系統完全獨立，資源之間互相也完全沒有可能做調配和相互支援。然后，這樣對UPS的維護造成了極大的壓力。

　　4)UPS的輸入輸出系統配置配置呈現出不完全合理的現狀。首先是方案不完全合理，然后是很多配電屏本身設計不合理，不規范。

　　5)UPS的使用和維護狀況由于種種原因，也不太理想。

　　三)機房環境(機房專用空調解決方案)建設所面臨的問題。

　　目前，很多廣電機房沒有使用機房專用空調(常被稱為精密空調，恒溫恒濕機)，而是廣泛應用普通舒適性空調。與機房專用空調比較，舒適性空調問題如下：

　　1)舒適性空調出風溫度過低，會導致在出風口附近空氣中的水蒸汽飽和凝結出水滴，對附近的用電設備造成很大危險。

　　2)舒適性空調風量過小，不適合計算機設備的高熱密度的發熱特點，無法驅除機房的“熱島效應”。

　　3)舒適性空調溫度調節精度過低，溫度調節精度為±3～5℃，溫度的波動對設備穩定運行極其不利。

　　4)舒適性空調沒有濕度控制功能。舒適性空調無法進行濕度控制。沒有加濕功能，只能進行除濕，在冬季甚至過度除濕，濕度過低產生的靜電極易產生設備故障。

　　6)舒適性空調過濾能力無法達到機房標準。舒適性空調只具備簡單的過濾功能，其過濾器的過濾效果根本無法達到機房的要求。機房專用空調嚴格按照0.5 微米/升<18,000(B級)設計，配合以每小時30次的風量循環，保障機房潔凈。

　　7)舒適性空調在北方地區無法實現低溫(室外)運行。一般標稱-5℃以下即無法制冷和加熱，而機房是發熱量很大的區域，即使在冬天也需要對設備進行降溫。

　　8)舒適性空調維護量大，舒適性空調長期應用在非設計工況下，故障率高，能效比不斷下降，越來越耗能。機房專用空調按照全年長期運行設計，維護量小。

　　9)舒適性空調在機房內應用，壽命短。在365天/24小時應用的情況下其壽命一般不超過3年(機房專用空調的設計壽命一般為連續運轉10年)。

　　10)舒適性空調空調耗電量大，機房專用空調選用的工業等級壓縮機能效比高達3.3。而舒適性空調目前業界選用的高等級壓縮機能效比約2.9，同時考慮到其他設計差異,如顯熱比指標，舒適性空調比同容量的機房專用空調多耗電20%-30%,不僅增加使用成本，也浪費能源。

　　以上舒適性空調的問題，將影響機房設備的安全運行，增加機房運行成本，需要應用機房專用空調予以解決。

　　二：機房電源及環境系統建設的基本原則及一體化解決方案

　　一)系統設計原則

　　1、通用性

　　本系統的設計符合相關國家設計標準。

　　2、可靠性

　　設備具有良好的電磁兼容性和電氣隔離性能，不影響其他設備正常工作;一體化供電能統籌設計保證主設備的不間斷供電。

　　3、穩定性

　　所有產品都經過全球主要電信商、數據網長期的運行考驗，在業界具有領先的技術、領先的制造和領先的品牌;

　　4、安全性

　　符合高等級的抗擾度國際標準，工作安全可靠;

　　5、可維護性

　　主設備采用模塊化結構設計，便于故障的維護處理;

　　6、擴充性

　　在系統設計中充分考慮到用戶后期的擴容，做了合理的冗余設計;

　　7、智能化設計

　　系統設備UPS、空調、動力監控等均采用智能化設計，便于遠程監控等;

　　8、經濟性

　　系統整體設計，可合理設計設備容量，減少設備成本;同時動力一體化解決也降低了設備的額外成本，給后期設備維護帶來一站式服務;

　　二)艾默生一體化的解決方案精髓

　　艾默生網絡能源公司作為全球最完整的“網絡能源”的端到端一體化整體解決方案供應商。它在整合了網絡能源業界最寬、最完整的擁有自主知識產權的產品線的基礎上，不但能為客戶提供最完整的網絡能源產品(見圖1)，從而能為客戶提供品質一流的、由全方位產品組成的綜合解決方案(見圖2)。而且，還組建起以“客戶為中心”的、完善的客戶接待窗口和管理平臺，以便為用戶提供最優質的售前、售后及長期的維保服務。

　　艾默生公司可以為廣電行業提供“端到端”一體化整體解決方案所需的全套的動

　　力保護和管理設備。它們包括：

　　1、 應用于重要場地的備用發電機及發電機并機機組：

　　2、 應用于各種場地的低壓配電柜：帶LCD液晶點顯示屏、釆用ABB開關和帶智能通信接口,并能實現無人值守操作。

　　3、 應用于數字電視中心等場地的“雙總線輸入”供電系統的ASCO的ATS自動切換開關(30A-4000A)：帶“相位入鎖檢測”功能、允許執行“同步切換”操作和“零線重疊”切換操作。

　　4、 應用于傳輸機房等場地的高可靠的-48V通信電源：提供由25A、50A、100A等模塊組成的DC供電系統，其最大供電能力高達6000A,平均無故障工作時間(MTBF)高達36萬小時。

　　5、 應用于廣電行業各場合的技術先進，性能可靠的UPS(1KVA-800KVA)，艾默生所有設計生產的UPS均為雙變換的UPS。

　　6、 應用于通信傳輸、中心或前端機房等的全球領先技術性能的Liebert CM+系列及Datamate3000系列的機房專用空調(制冷量為：7.5KW～90KW)。

　　7、 抗浪涌抑制能力為40-1000KA的防 雷 擊， 抗 浪 涌 抑 制 器TVSS。

　　8、 同各種UPS和通信電源相配套的閥控式鉛酸電池：可提供UPS高功率型、UPS通用型、通信電源常規型、低溫型等多品種的蓄電池。

　　9、 應用于廣電行業各種機房內的動力及機房環境的遠程集中監控系統。

　　利用上述的動力及機房保護設備，就可組成如圖2所示的能滿足廣電行業的各種需求用的“一體化的機房保護”的動力配置系統。

　　艾默生網絡能源廣電行業動力機房一體化解決方案

　　三：新形勢下廣電行業機房電源及環境建設具體方案探討

　　一)數字電視中心(或IDC)機房的電源及環境建設推薦方案

　　數字電視中心(或IDC)機房的業務正目前正在蓬勃興起。機房內主要是各種計算機、服務器、磁盤陣列等負載，該類型的負載從其輸入電源分類的角度來講，大致可以分為單電源負載，雙電源負載和叁電源負載。對于該類負載的特點，艾默生提出的冗余式”雙總線輸出”型供電系統提出的可使該類負載的供電可靠性達到99.99999%.

　　方案解析：

　　采用冗余式“雙總線輸出”供電系統的目的是：消除可能出現在從UPS冗余并機系統的輸出端到最終的”網絡設備”輸入端之間的各種配送電線路中、所可能存在如下的”單點瓶頸”故障隱患，從而為關鍵性的負載能獲得100%的“高可利用率”的電源供應奠定堅實的運行基礎:

　　因輸出嚴重過載/”短路”而引起的位于UPS的輸出配電線路中的保險”燒毀”,斷路器開關”跳閘” 故障;　　&#1048698;

　　因UPS供電系統或電池組出故障而產生的UPS的輸出”停電” 故障。

　　為增強UPS輸出配送電系統的”容錯”功能, 在此方案種配置有由2套STS開關(負載自動切換開關)+負載同步控制器(LBS)為核心所組成的冗余式”雙總線輸出”型供電系統。

　　STS型負載自動切換開關

　　為消除可能出現在UPS輸出供電系統中的”單點瓶頸”故障隱患,確保對關鍵IT設備的供電連續性。針對不同的負載,分別采用如下不同的配置設計方案

　　1.對于帶“雙輸入電纜”的關鍵性負載(例:服務器,磁盤陣列機等)而言,從兩套”1+1”型UPS冗余并機系統A和B的輸出配電柜所輸出的兩路UPS電源被分別送到這些IT設備的兩個輸入端上,從而形成它們的“雙電源輸入”冗余供電系統。

　　2.對于帶”單輸入電纜”的關鍵性負載而言,從兩套“1+1”型UPS冗余并機系統的輸出配電柜A和B送出的兩路逆變器電源、首先被分別送到2套 “負載自動切換開關”的各自的兩個輸入端上。當正常工作時, “優先供電電源”經STS開關向負載供電。當“優先供電電源”因故“出故障”時STS開關將會以“先斷后通”的調控方式，在小于5ms的時間內、在切斷“優先供電電源”的供電通道的同時,將“備用UPS電源”送到用戶的負載的輸入端上, 從而確保“網絡設備”能源源不斷地獲得高質量的逆變器電源的供應(注：IT設備允許的“瞬間供電中斷時間”約為：20ms左右)。

　　負載同步控制器(LBS)

　　如上圖所示,為確保位于這兩套UPS冗余并機供電系統的輸出端之間的毎個開關(STS)都能安全和可靠的切換操作，要求從這兩套UPS冗余并機系統所輸出的兩路UPS電源必須時刻處于同頻率和同相位的“同步跟蹤狀態”之中。為此，需要在兩套UPS并機系統之間配置1臺負載同步控制器(LBS)。由于在艾默生公司的同步控制器(LBS)”中、采用獨特的冗余式”多同步輸入源” 的調控設計方案,在LBS的”動態調控”下、就能確保在下述各種運行條件下、從兩套“1+1”型冗余并機系統所輸出的兩路電源始終處于高精度的”鎖相同步跟蹤”的工作狀態之中(它可確保從這兩套UPS并機系統所輸出的電源之間的相位差僅為：1o——2o)。

　　精密配電中心(PPC)

　　為增強UPS輸出配電系統的智能化管理能力和降低“零線對地線”的電壓，為服務器創造出優良的運行環境，還在它的關鍵網絡設備的輸入電路的前端配置有PPC。由此所帶來的好處有：

　　1.配置有“可熱插拔操作”的分路斷路器開關，有利于提高低壓配電柜的可維護性;

　　2.可構成的監控中心,有利于快速完成“故障定位”操作：現場觀察/遠程監視PPC的各種實時運行參數和故障/報警信息，并調閱它的“歷史事件記錄”數據 ;

　　3.提供“計算機級接地”特性的“局部凈化接地”系統(零線——地線電位<0.5V), 有利于降低IT設備的“誤碼率”。

　　方案要點：

　　1、 即使是一套系統完全失效或者需要檢修，雙電源負載因為有一根輸出母線仍然有UPS輸出供電所以會繼續正常工作;而關鍵的單電源負載，三電源負載會通過STS零切換到另外一根輸出母線獲得UPS輸出供電，也會正常工作;

　　2、 此種系統的升級方案首先帶來的是負載用電的可靠性的顯著提升。在可靠性得到顯著改善的同時，由于正常時系統均分負載，也實現了系統的擴容。

　　3、 此種系統的升級方案有著優秀的開放性和良好的前瞻性，系統以后的擴容和升級也會顯得十分方便。因為任何時候我們均可將其中的一套系統完全下電進行處理。

　　4、此種系統的升級方案對維護也有著極大的便利，從而從根本上避免了對“大旁路”(即外置維修旁路)的需求。

　　二)機房環境(機房專用空調解決方案)建設推薦案例

　　某廣電IDC中心機房，建筑面積705.6平方米，層高 4.3米，按照功能的要求分為A區、B區、C區及D區，第一消防分區為A區，第二消防分區為B區、C區及D區。如下圖：

　　考慮建筑熱負荷及設備(計算機等)熱負荷, A區所需冷量不小于210KW, B區、C區及D區所需冷量不小于190KW。在這個方案中，如果考慮應用舒適空調，以5P為例，即使不考慮備份，也需要32套，應用中無法達到IDC機房需要的溫濕度、潔凈度標準。同樣中央空調也無法實現這個IDC機房的空氣調節要求。合理的機房專用空調應用及設計方案，才能滿足機房環境建設的合理性、安全性、可擴容性。此IDC機房空調方案分析如下：

　　1、 A區機房采用4 臺EMERSON公司機房專用空調產品CM80AD-15-M&CSF171×2機組(其中1臺備用)，單臺機組可制冷量為71.3KW，可提供總冷量為285.2KW ;B區、C區及D區機房采用4 臺CM70AD-15-M&CSF141×2機組(其中 1臺備用)，單臺機組可制冷量為64.1KW，可提供總冷量為256.2KW，以上推薦配置機組均能完全滿足機房冷負荷的要求，并均實現3+1備份，任意機組故障或維護，其它機組正常工作，保障系統安全性。

　　2、 空調機組采用風管上送風形式，單機送風風量為 15660 m3/h，主用機組工作實現IDC機房換氣次數30.96次，符合IDC機房設備換熱特點以及風量設計要求。

　　3、 A區機房4臺CM80AD機組共用1個消聲靜壓箱，采用7根支風管沿機架走廊送風 ;B區、C區及D區機房4臺CM70AD機組共用1個消聲靜壓箱，采用7根支風管沿機架走廊送風 。每臺機組的出風口安裝兩個電動風閥，與機組實現聯動，機組停機風閥應自動關閉，防止空調送風倒灌到停止運行的機組。風管材料和安裝嚴格按照《供熱通風與空調工程施工及驗收規范》執行。

　　4、 室外冷凝器按當地照室外環境溫度配置;

　　5、 空調機組通過智能通訊接口，直接接入環境監控系統實現遠程及本地監控。

　　6、 空調機組自帶漏水報警器，對機組附近可能發生的漏水情況進行實時監測及報警。

　　7、 空調機組嚴格按照標準機房空調環境條件要求進行設計，滿足恒溫恒濕、噪音、潔凈、供電、抗電磁干擾及A級安全等級的要求。

　　此方案實施后，該機房環境控制良好，設備穩定運行。

　　以上推薦方案和實例是艾默生根據目前廣電行業發展現狀及未來趨勢結合我司在網絡能源行業的相關經驗提出了的一體化解決方案來應對目前廣電行業發展對機房電源及環境系統建設提出的新要求并在部分廣電行業客戶處得到落實和應用的實例。

　　附1：目前廣電系統機房電源及環境建設的現狀

　　經過幾十年的發展，我國的廣電行業得到了長足的發展，建成了世界上覆蓋人口最多的廣播影視傳輸覆蓋網絡。到2004年底，中國已建成廣播電視播出機構2500多座，播出的廣播和電視節目分別達到2300多套、1200多套，每年生產電影片200多部，廣播電視發射臺轉播臺7萬多座，微波線路9萬多公里，120多套廣播節目，有線電視網絡400多萬公里，有線電視用戶1.15億，廣播電視人口綜合覆蓋率分別為94.05%、95.29%，收音機、電視機社會擁有量分別達5億臺、4億臺，彩電的家庭普及率城市為130.5%、農村為67.8%。廣播電視已成為我國最為普及、最為便捷的信息工具和信息載體。 (以上數據摘自廣電總局副局長張海濤在第十四屆北京國際廣播電影電視設備展覽會(BIRTV2005)主題報告)

　　近幾年來，面對世界范圍內數字化、網絡化、信息化浪潮和我國信息化建設的深入發展，在堅持最大限度地滿足人民群眾不斷增長的精神文化生活的需求同時，我國廣電行業進行了大量的改革和試點。在向數字化和產業化發展的過程中，DVB(數字視頻播出)、IPTV(網絡電視)、DBS(直播衛星)等新技術、新模式不斷涌現，傳統廣電業務系統的基礎電源及環境建設面臨新的考驗和挑戰!

　　附2：傳統廣電業務系統的電源及環境建設回顧

　　傳統廣電業務系統的電源及環境建設隨著廣電行業的發展相對以前取得了比較大進展，主要體現在如下幾方面：

　　1、高頻開關直流電源已經完全取代了傳統的相控直流電源，主要用來給各種網絡傳輸設備提供直流用電。

　　1、 交流不間斷電源(UPS)也普遍應用于廣電行業交流用電主設備的前端，用于為主設備提供純凈的不間斷的交流保護。采用比較普遍的是單臺 UPS的供電方案和兩臺UPS構成的一主一備份式的串連熱備份的供電方案。也有少數 數字電視中心(或IDC機房)場地采用了兩臺或者多臺UPS構成的直接并機供電的方案。

　　2、 大多數機房也引入用了空調系統，用來給用電設備提供相應的環境保護。這些空調設備目前主要是采用普通民用空調或者是直接引入了大樓的中央空調系統，也有極少數的機房引入了機房專用的空調系統。