HVDC和UPS供電系統(tǒng)在通信行業(yè)中的應(yīng)用與分析

孫育河

(中國聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司合肥市分公司，安徽合肥230000)

0 引言

隨著我國通信行業(yè)的高速發(fā)展，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的快速增加，通信機房UPS供電系統(tǒng)的安全運行越來越受到業(yè)內(nèi)人士的重視，同時也是維護人員最為擔(dān)心的重要環(huán)節(jié)。通信行業(yè)數(shù)據(jù)機房一般采用UPS電源系統(tǒng)供電，傳統(tǒng)UPS供電模式的可靠性、安全性及高能耗等方面問題越來越凸顯。部分通信運營商開始探索和分析通信設(shè)備采用HVDC供電的可行性，并取得階段性成果。HVDC供電系統(tǒng)以低投資、高可靠性、低運營成本等優(yōu)勢逐步成為通信運營商機房一種新的供電模式。本文就通信運營商機房采用HVDC供電系統(tǒng)做了一些探討分析。

1 UPS供電系統(tǒng)和－48 Vdc系統(tǒng)存在的缺陷

1.1 UPS供電結(jié)構(gòu)逆變器可靠性低

UPS供電系統(tǒng)如圖1所示，其可靠性模型見圖2。眾所周知，DC/AC是UPS中成本最高、可靠性最低的環(huán)節(jié)。根據(jù)當(dāng)前設(shè)備可靠性水平，電池的可靠性Rb=0.99，而 UPS 中 DC/AC 的可靠性 Ri=0.90，靜態(tài)開關(guān)STS的可靠性Rs=0.99，根據(jù)圖2可計算出UPS備用能源的供電可靠性:

R=RbRiRs=0.99 × 0.90 × 0.99=0.88

可見，UPS備用能源在系統(tǒng)中的可靠性比電池本來具備的可靠性降低了很多。

圖1 UPS供電系統(tǒng)圖

圖2 UPS備用能源可靠性模型

1.2 UPS系統(tǒng)整體利用率低

UPS冗余系統(tǒng)的每一路輸入配電都有可能是主用，其中任何一臺UPS都必須能夠帶起全部負荷。雙機冗余UPS系統(tǒng)負荷率＜35%。UPS輸出三相不平衡，直接導(dǎo)致UPS降容使用，存在單機利用率低的缺點。

UPS輸入配電除主路外，其它輸入配電處于空載待用，使用效率很低，機房前期建設(shè)投入大和負荷規(guī)劃浪費，而且后期系統(tǒng)擴容難度大。

UPS帶來供電系統(tǒng)諧波分量增加，導(dǎo)致變壓器利用率下降、柴油發(fā)電機支撐能力削弱，影響到整個供電系統(tǒng)的安全性、利用率。

并聯(lián)UPS之間不可能消除環(huán)流問題，還增加了UPS的無功損耗，降低了系統(tǒng)的可靠性。

1.3 UPS應(yīng)急保障和可維護性差

UPS在線維修復(fù)雜、在線擴容困難、割接難度大，不同設(shè)備型號、不同系統(tǒng)間無法實現(xiàn)互為冗余，逆變、濾波電容等關(guān)鍵器件更換困難。

若UPS逆變器發(fā)生故障，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)向旁路供電，但對于某些通信負載，低質(zhì)量的市電可能對設(shè)備的安全運行帶來嚴重故障隱患，而且后備蓄電池組被隔離開，起不到保護作用。

1.4 －48 Vdc系統(tǒng)無法滿足大功耗通信機房要求

近年來由于數(shù)據(jù)通信的發(fā)展非常迅速，機房耗電量越來越大，目前單機架功耗增加很快，某通信機房實測單機架功耗達9～12 kW/架，有些單機架高達31 kW左右!如果仍然采用－48 Vdc，由于供電電壓低，與高壓240 Vdc(中國通信標(biāo)準化協(xié)會《通信用240 V直流供電系統(tǒng)技術(shù)要求》將240 V確定為通信行業(yè)高壓直流供電系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓值)相比，根據(jù)P=IU，同樣的功率，其電流是240 Vdc的240/48=5倍。

對于同樣功率大小，電壓低時，電流增大。而對于電纜損耗P=I2R，同樣的電纜(電纜線阻一樣)，線損與電流的平方成正比。為了達到同樣的損耗水平，則需要大幅度增粗電纜線徑。例如，100 kW的功耗，當(dāng)用48 Vdc時，電流I1=100 kW/48=2 083 A，當(dāng)采用240 Vdc時，電流則為:

粗電纜，成本增加;大電流，意味著發(fā)熱量大，發(fā)熱量大意味著需要更多的空調(diào)來制冷。

2 HVDC替代UPS的可行性分析

2.1 HVDC取代傳統(tǒng)UPS的優(yōu)勢

傳統(tǒng)UPS供電原理圖如圖3所示。HVDC供電原理圖如圖4所示，比傳統(tǒng)的UPS少一個DC/AC逆變器及服務(wù)器機架內(nèi)部的AC/DC整流器，這樣大大提高了供電系統(tǒng)的效率，從而降低供電系統(tǒng)的發(fā)熱損耗，發(fā)熱損耗的降低也減少了空調(diào)的配置。通過HVDC供電方式的應(yīng)用可以比采用UPS供電節(jié)約電能10%～20%。

圖3 傳統(tǒng)UPS供電原理圖

圖4 HVDC供電原理圖

2.2 投資建設(shè)成本分析

由表1可見，投資建設(shè)100 kW系統(tǒng):應(yīng)用HVDC電源系統(tǒng)比傳統(tǒng)型UPS低66%。

表1 傳統(tǒng)UPS和HVDC電源建設(shè)投資成本分析對比

2.3 占用機房面積分析

由表2可見，100 kW電源系統(tǒng)占用機房面積:HVDC電源比傳統(tǒng)UPS少24.22%。

表2 傳統(tǒng)型UPS和HVDC電源占用機房面積對比

2.4 運營成本分析

由表3可見，100 kW系統(tǒng)運營成本:HVDC電源系統(tǒng)比傳統(tǒng)UPS低16.22%，年節(jié)省26.91萬元

表3 傳統(tǒng)型UPS和HVDC電源運營成本分析對比

2.5 節(jié)能分析

當(dāng)前，節(jié)能減排的觀念已經(jīng)深入人心。而因為高壓直流供電系統(tǒng)所具有的高效率，其在節(jié)能方面也會得到普遍認可。以一個10 kW的數(shù)據(jù)設(shè)備為例，可以通過以下兩組數(shù)據(jù)說明這一點。

(1)傳統(tǒng)UPS供電系統(tǒng)

數(shù)據(jù)設(shè)備功耗:10 kW;

數(shù)據(jù)設(shè)備整流損耗(75%效率):3.33 kW;

UPS損耗(85%效率):2.35 kW;

UPS輸入功耗即為15.69 kW;

若空調(diào)功耗取UPS輸入功耗的0.4，其空調(diào)功耗為 6.27 kW;

合計功耗:21.96 kW;

每年能耗:192376 kWh。

按0.8元/度計算電費，每年需153 901元人民幣的電費。

(2)HVDC供電系統(tǒng)

數(shù)據(jù)設(shè)備功耗:10 kW;

數(shù)據(jù)設(shè)備變換損耗(88%效率):1.36 kW;

高壓開關(guān)整流設(shè)備損耗(93%效率):0.86 kW;

高壓直流供電系統(tǒng)輸入功耗:12.22 kW;

若空調(diào)功耗取高壓直流供電系統(tǒng)輸入功耗的0.4，其空調(diào)功耗為4.89 kW;

合計功耗:17.11 kW;

每年能耗:149853 kWh。

按0.8元/度計算電費，每年需119 882元人民幣的電費。

從以上數(shù)據(jù)可以看出，每10 kW的數(shù)據(jù)設(shè)備采用高壓直流供電系統(tǒng)每年節(jié)約的電費約34 018元人民幣。

所以說，HVDC供電系統(tǒng)是值得期待的一種節(jié)能供電方式。

3 HVDC與傳統(tǒng)UPS供電方案優(yōu)缺點比較

HVDC與傳統(tǒng)UPS供電方案的優(yōu)缺點比較見表4。

表4 HVDC與傳統(tǒng)UPS優(yōu)劣比較

的優(yōu)劣備用電池電壓規(guī)格 只需一個電壓規(guī)格，如規(guī)定240 Vdc 目前UPS中電池的規(guī)格主要有12/24/30/48/72/96等，規(guī)格太多項目 HVDC 傳統(tǒng)UPS HVDC相比傳統(tǒng)UPS優(yōu)模塊容量規(guī)格參照48 Vdc，目前只有10/15/30/50/100 A等，開關(guān)電源剛開始時曾有的200 A/25 A/75 A等現(xiàn)在幾乎淘汰，建議HVDC采用5/10/20/30/50 kW的模塊，達到系統(tǒng)容量10～500 kW，能滿足核心機房的需求目前，從單機數(shù)百VA到數(shù)百kVA，容量規(guī)格太多優(yōu)機架標(biāo)準化輸出配電器件選用采用模塊化設(shè)計，可以采用國際通用19英寸或者23英寸標(biāo)準機架，有利于整體機房布局美觀空氣開關(guān)、熔斷器、接觸器(繼電器)、接插頭需要能工作在高壓直流，不方便選用，成本也高出一般交流產(chǎn)品目前市面上UPS外形尺寸各種各樣，沒有統(tǒng)一規(guī)格，外觀很難融入主設(shè)備機房 優(yōu)低壓電器產(chǎn)品可選擇品牌型號多，獲得非常容易，成本低 劣輸出配電安全 高壓直流有被人觸摸而造成電擊危險，高壓直流斷開時容易拉弧，易造成火災(zāi)高壓交流同樣會因被人觸摸而造成電擊危險，但交流拉弧較弱，不易造成火災(zāi) 劣對用戶設(shè)備電源的好處負載重的電源可以省去PFC電路，以及對電網(wǎng)浪涌的吸收器件，負載內(nèi)電源成本降低 現(xiàn)成，無需改動 優(yōu)對用戶設(shè)備的新要求 高壓直流輸入，對保護電路和接插件要求較高 要求現(xiàn)成，無需改動 劣

4 結(jié)束語

HVDC供電相對于傳統(tǒng)UPS供電，不但可靠性高、效率高、節(jié)能成效顯著，而且特別適用于負載重的機房。該技術(shù)可推廣性強，適合通信機房新建及改造。HVDC供電方式將逐步成為通信運營商機房一種新的供電模式，有理由相信，HVDC供電系統(tǒng)必將為我國通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展發(fā)揮其應(yīng)有的作用。

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