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杨致国
（中国广电四川网络股份有限公司，四川 成都 610000）
随着广播电视行业的快速发展，其对电视节目播出系统运行的稳定性也提出了更高的要求。不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）的广泛使用能够有效解决广播电视节目安全播出的供电稳定性问题，尤其是解决了因供配电系统短时间断电导致仪器、设备故障，直接影响播出系统正常工作，并造成电视节目播出事故的问题[1]。基于广播电视UPS使用的基本现状，分析供配电基本原理、UPS系统架构以及组织逻辑，通过过程控制的对象连接与嵌入（OLE for Process Control，OPC）技术全面实现广播电视 UPS的智能化监测与自主式控制，将独立、离散的UPS节点通过分布式算法进行网络化统筹管理，提升广播电视UPS的整体运行效率，并保证系统供配电的稳定性和可持续性。
UPS系统的内部组成主要包括主机、充电装置、滤波器组、整流器组、逆变器组以及电池组等，如图1 所示[2]。
图1 UPS系统的内部结构与运行机制
UPC系统的前置滤波器组可以在市电供电时滤除电流中的杂质和不连续的电磁波，尤其是在系统运行端需要稳流时，前置滤波发挥着重要作用。经滤波后的交流电会通过整流器同步变换成直流电，之后逆变器会根据用电设备的实际需求将稳压直流电转换成稳定、持续的交流电，并直接供应给使用端设备，同时通过充电装置同步给蓄电池组进行持续充电[3]。一旦供配电系统突发断电或故障无法提供持续电源时，则由蓄电池组进行供电，此时逆变器将稳压的直流电转换为可供使用的交流电，持续供电。无论是市电还是蓄电池组供电，逆变器均无需切换，其常态工作可以满足使用端的长时间用电需求。此外，UPS系统的旁路装置可以视为一种安全保护机制。在UPS故障或者需要停止工作进行系统维护保养时，能够通过旁路装置完成供电。
2.1 使用端负载分析
目前，UPS系统主要对广播电视节目播出系统中的电子设备进行供配电。根据电子线路基础理论可知，电子类的设备在使用中通常会出现2种类型的负载，即待机状态的负载和运行状态的负载。为了达到较好的使用性能，部分设备可能会处于满负荷状态，进而导致整个系统的负载率随着设备的使用率不断发生变化[4]。经系统仿真，受使用率影响的负载率同样会对UPS系统产生影响，如图2所示。随着使用端负载的不断增大，UPS系统的运行效率也在逐步提升，并逐渐趋于稳定。
图2 UPS系统运行效率曲线
2.2 优化模块式供电模式
在广播电视节目播出系统正常工作时，其使用端的负载处于变化状态，与使用需求相关，无法实现UPS始终处于较高运行性能的状态。为了解决这一问题，可以采取模块式可变逻辑编程机制来优化UPS的供电模式，即对UPS市电供给输入端、主机以及蓄电池组模块的设计进行优化，如图3所示[5]。
图3 UPS系统模块式供电模式
在可变逻辑编程机制的模块化UPS供电系统中，智能控制器能够实时采集使用端的负载数据，并结合数据曲线进行预测。采取不同机制分别调节市电供给模式、UPS运行模式所需要的供电模块或充电模块数量，同步调节输出端负荷，确保整个UPS系统输出-输入机制能够始终处于最优状态[6]。
3.1 基本思路
通过前期的运行效率优化，促使UPS系统长期处于良好的工作状态，为后续基于OPC技术构建智能监控系统奠定坚实基础[7]。首先，通过简单网络管理协议（Simple Network Management Protocol，SNMP）通信卡完成数据端的串口通信和网口实时转换，此时UPS系统能够实现IP化的网络功能；
其次，监控装置、设备等接入至ESD 3000配电系统，此时广播电视播出系统局域网内多个UPS组成了分布式的网络结构，可以实现自主式的远程智能控制；
最后，利用OPC技术完成ESD 3000与UPS系统的对接。
3.2 配置参数
基于OPC技术的UPS智能监控系统可以在广播电视台原有的多个UPS（30 kVA）上重构，同时SNMP通信卡能够在多个UPS上实现热拔插，根据需求完成设计区域内UPS系统的自组网。配置参数如表1所示[8]。UPS智能监控系统需要配置5套SNMP通信卡、1套对象连接与嵌入组件、1套Modem调制设备、1套远程控制服务器以及若干RJ45千兆超6类网线，同时还需要配置相应的主机插槽和数据通信线路等。
3.3 功能分析
利用网络化的异地远程UPS智能监控系统，可以有效实现无人值守系统自主独立运行、有人值班系统管理控制运维等功能，完成不间断电源UPS系统的工作状态检查与分析、系统运行参数的设置与调整、任务计划的自主添加与干预等工作。与此同时，实时通过短报文、网络通信或远程信号预警等方法将突发情况告知技术人员并自动处置，将相关过程性数据和判断性结论录入至数据池，便于管理人员远程调取和实时介入干预等。
3.4 动态数据交互
通过OPC技术，可以将ESD 3000配电系统的各路采集设备与OPC数据服务器的无人化终端进行匹配，实现网络端对数据服务的实时访问功能。Client组件完成了从系统后台至数据端口的跨越式访问，监测的海量数据可以同步至数据库，实现了UPS智能监控→ESD 3000配电系统→终端数据池的动态数据交互[9]。此外，智能监控的桥接功能可以有效解决信息通信协议不一致、数据文件格式不统一等问题。
4.1 组件选取
智能监控系统的核心处理器选择6ES7214-1AG40-0Xb0，可以实现信息通信功能的扩展。该芯片使用超性能的SIMATIC S7-1200紧凑型CPU内核，工作频率为50 MHz，机载I/O端口支持14个直流24 V数字输入与10个直流24 V数字输出，电源为直流20.4～28.8 V。综合该核心处理器的性能和扩展功能，可以充分满足智能监控系统的实现要求，并降低重复建设成本和技术维护难度。
4.2 数据采集
无人值守状态下，智能系统会采取自主式的自动巡检，同时完成电压、电流的数据采集。电压数据输出范围0～60 V，为了满足智能监控系统对自动化处理精度的要求，实际采集间隔可以取极小值0.001 V。根据32位模数变化的基本标准，选择DFN1X1-4l模数转换器。其具有串行外设接口（Serial Peripheral Interface，SPI），大大提升了处理器的外设扩展能力，能够与6ES7214-1AG40-0Xb0进行实时连接。考虑到采集的数据量较大，为了提高效率，利用测试电阻器完成电流信号向电压信号的转变后，再通过DFN1X1-4l完成数据采集。
4.3 信息交互
UPS智能监控系统通过串口来实现与数字终端机的信息传递，使用的是核心处理器中的USART1接口[10]。数字终端机外接TUSB3410IRHB，可以实现USB接口与RS232接口之间的双向数据交互。除此之外，通过以太网来实现OPC数据服务器的信息传递。以太网的智能芯片选取W5500，集成了媒体访问控制（Media Access Control，MAC）和物理接口收发器，提供SPI接口完成网络通信。
通过分析UPS基本原理、系统构成，利用可变编程逻辑实现了UPS供配电模式的优化。在此基础上，通过设计基于OPC技术的UPS智能监控系统完成数据采集、故障预警、自主决策以及智慧运维等功能，利用SNMP机制实现远程监控和系统维护，有效提升了UPS的工作效率和广播电视节目播出的稳定性、可持续性。
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