通信行業數據機房采用高壓直流供電模式的探討

馬也騁

（浙江郵電職業技術學院，浙江 紹興312016）

隨著使用交流電源的通信設備種類的增多、容量的增大，UPS供電系統被廣泛地應用于各運營商的通信局站中。UPS的大量應用不僅加劇了通信局站的供電壓力，增大了安全隱患，也加大了設備維護工作量。盡管雙總線UPS供電系統的出現增加了UPS供電的可靠性，但隨之又加大了數據中心機房使用面積及增加了設備投資，因此，找到一種新的供電系統取代UPS供電系統，才能消除人們的顧慮。

1 通信機房高壓直流應用背景

目前，通信大樓主要有兩種電源供電方式：－48 V直流電源系統；220 V交流不間斷電源（UPS）系統。

交流UPS在各通信運營商的IDC機房中得到大量應用，并且在應用中不斷暴露出其自身的缺陷：a.系統復雜、可靠性差；b.系統標準化差，且靈活性和可擴性不高；c.輸入電流諧波較大；d.系統維護難度大。大容量的交流UPS系統故障所造成通信阻斷的案例時有發生。為了徹底有效地解決上述問題，有必要采用一種新的供電系統來取代交流220 V不間斷電源系統，本文將針對高壓直流（HVDC）供電系統在今后數據機房的應用進行探討和分析。

2 電源系統建設方案的選擇

2.1 UPS電源系統

長久以來，在IDC機房的電源系統建設中UPS系統是唯一選擇，隨著IDC業務迅猛的發展，越來越多的UPS系統上線運行，但UPS系統存在的弊端卻一直無法解決。UPS系統故障造成的通信阻斷事故頻繁發生，給客戶、運營商甚至社會造成重大的經濟損失和負面影響。并且現在很多使用UPS的機房為無人值守機房，一旦發生故障，恢復時間較長，影響大。

2.2 高壓直流電源系統

眾所周知，高壓直流電源系統有著生產技術成熟、可靠性高、維護操作簡易、轉換效率高、在線擴容簡單等優點，在IDC機房供電領域，通信業界一直在探討采用高壓直流系統來代替UPS系統。在國內，電信標準化協會于2009年通過了 YDB 037－2009《通信用240 V直流供電系統技術要求》研究報告。

目前，國內江蘇電信已有多個IDC機房、多套核心IT系統和業務平臺改用高壓直流系統進行供電。從江蘇電信提供的統計數據顯示，用高壓直流替代UPS供電，在UPS整個生命周期內平均節能20%～30%；從新建系統統計分析，新建高壓直流系統平均節省投資大于40%。高壓直流系統結構簡單，生產技術更成熟，其系統安全性相對UPS有很大提高，并且維護操作方法得到簡化。

在綜合對比高壓直流電源系統與UPS電源系統的優劣及電源設備初期投資之后，采用高壓直流系統為IDC機房進行供電，既提高電源系統的穩定性，也積極響應了國家的節能減排號召。

3 選用高壓直流供電系統的原因

通信用直流供電系統是使用與維護人員信賴的電源種類，通信電源是通信負載的能源供應源泉，是通信設備的“心臟”，重要程度不言而喻。隨著通信事業的不斷發展，通信負載對電源系統的要求越來越高，通信電源系統安全可靠穩定的運行是重中之重。許多事故都與UPS供電系統有關，要想從根本上消除因使用交流不停電供電系統（UPS）而存在的隱患，采用高壓直流供電系統代替交流UPS供電系統是很好的解決途徑之一。實踐證明使用直流供電系統比使用交流供電系統有安全可靠性、可維護性、運行效率等方面的優勢。因此，業界人士越來越希望更多地使用直流供電系統代替交流UPS供電系統為通信負載供電，這已是大勢所趨。

3.1 高壓直流供電模式的工作原理

HVDC系統主要由交流配電單元、整流模塊、蓄電池、直流配電單元、電池管理單元、絕緣監測單元及監控模塊組成。正常工作情況下，整流模塊將交流配電單元輸出的380 V交流轉換成240 V高壓直流，高壓直流經直流配電單元給通訊設備供電，同時也給蓄電池充電。當交流輸入發生故障時，由蓄電池給通訊設備供電，原理圖如圖1。

3.2 高壓直流供電系統的功能特點

（1）交流配電單元：交流配電單元是將兩路市電，經自動或手動切換分配到各個整流模塊；并配有C、D兩極防雷保護系統。

（2）整流模塊：整流模塊是系統的核心部分，它將交流變換成直流（AC/DC），給負載供電，同時對電池充電。

圖1 HVDC系統工作原理圖

（3）電池組：保證交流停電時，提供不間斷直流供電。電池數量120節2 V電池。

（4）直流配電單元：直流配電單元是通過直流空開或熔斷器輸出到列頭柜，再由列頭柜輸出到各服務器，給服務器提供直流電源。

（5）監控模塊：監控模塊是整個系統的“大腦”和“眼睛”，完成各單元實時運行情況的監測和處理。

（6）電池管理單元：電池管理單元可實時檢測每節電池的端電壓、電池組內阻、電池組端電壓、充放電電流和溫度等參數，并上送給監控模塊，保證電池組隨時處在正常工作狀態。

（7）絕緣監測單元：絕緣監測單元可對直流母線、輸出分路對大地的絕緣狀況實時監測，保證操作人員的人身安全。

3.3 高壓直流供電技術的優點

高壓直流供電就是采用高壓直流電源（區別于常用的－48 V）直接對采用220 V交流輸入電源的設備供電，采用該技術后，電源系統將具有直流電源系統本身的優點。

3.3.1 技術方面

（1）可靠性大幅提升

高壓直流供電技術引入的主要目的就在于提升系統的安全性。UPS系統本身僅并聯主機具有冗余備份，系統組件之間更多是串聯關系，其可用性是各部分組件可靠性的連乘結果，總體可靠性低于單個組件的可靠性。反觀直流系統，系統的并聯整流模塊、蓄電池組均構成了冗余關系，不可靠性是各組件連乘結果，總體可靠性高于單個組件的可靠性。理論計算和運行實踐都表明，直流系統的可靠性要遠遠高于UPS系統，一個例證就是大型直流系統癱瘓的事故基本沒有。

（2）節約能耗

目前大量使用的UPS主機均為在線雙變換型，在負載率大于50%時，其轉換效率與開關電源相近。但一個不容忽視的現實是，為了保證UPS系統的可靠性，UPS主機均采用n＋1（n＝1、2、3）方式運行，加之受后端負載輸入的諧波和波峰因數的影響，UPS主機并不能滿足運行，通常UPS單機的設計最大穩定運行負載率僅為35%～53%。而受后端設備虛提功耗和業務發展的影響，很多UPS系統通常在壽命中后期才能達到設計負載率，甚至根本不能達到設計負載率，UPS主機單機長期運行在很低的負載率，其轉換效率通常為80%多，甚至更低。

對于直流電源系統而言，因其采用模塊化結構，可根據輸出負載的大小，由監控模塊、監控系統或現場值守人員靈活控制模塊的開機運行數量，使整流器模塊的負載率始終保持在較高的水平，從而使系統的轉換效率保持在較高的水平。

（3）輸入參數大大改善

現場測試發現，目前常用的12脈沖在線雙變換型UPS主機，加裝11次濾波器后，其輸入功率因數通常在0.8～0.9，最大僅為0.95，輸入電流諧波含量通常在7.5%左右。

與此對應，由于PFC電路的應用，額定工況下，開關整流器模塊的輸入功率因數通常都在0.99以上，輸入電流諧波含量通常在5%以下。

輸入參數改善的直接效果是，前端設備的容量可以大大降低，前端低壓配電柜可以不再配置電抗器，從而也可以降低補償電容的耐壓要求。

（4）帶載能力大大提高

UPS系統帶載能力受兩個因素的制約，一是負載的功率因數，以國內某大型UPS廠商的某型主機為例，在輸出功率因數為0.5（容性）時，其最大允許負載率僅為50%；二是負載的電流峰值系數，通常UPS主機的設計波峰因數為3，如果負載的電流峰值系數大于3，則UPS主機將降容使用。

對于直流系統而言，不存在功率因數的問題；因其并聯了內阻極低的大容量蓄電池組，加之整流器模塊有大量的富余（充電和備用），其負載高電流峰值系數的負荷能力很強，不需專門考慮安全富余容量。

（5）割接改造更為方便

對于采用UPS供電的設備來說，除非其采用雙電源（或四電源、六電源），或專門配置有STS設備，否則通常只能采用停電方式割接。這對于重要系統來說是難以忍受的，更為麻煩的是，一些沒有廠家支撐的老型設備，很有可能存在停機不能重啟的現象。

直流電源只要做到輸出電壓和極性相同即可連接到一起，從而實現不停電割接，而且非常容易做到。

3.3.2 建設投資方面

電源系統投資包括UPS電源（高壓直流）、前端電源（市電、油機）、機房三個部分。以某運營商最近完工的一個機房為例進行對比分析，該機房同層布置4套400 kVA1＋1 UPS系統，采用高壓直流供電，需5×4套50 kW系統。

（1）UPS電源（高壓直流）部分

采用UPS方案每套系統的投資大約為250萬元，采用高壓直流供電時5套直流系統投資約160萬元。直流系統投資僅是UPS方案的2/3，究其原因，主要是沒有UPS柜，并且其僅有交流整流輸入電纜，沒有旁路回路電纜。

（2）前端電源部分

粗略測算，采用高壓直流方案，市電和油機供電系統約可減少20%～25%。

采用UPS方案和高壓直流供電方案，所需占用的機房面積基本相同。但是采用高壓直流供電方案時，開關電源安裝區域機房荷載要求大大低于UPS機房，粗略測算，機房土建成本約降低10%左右。對以上投資加權后，采用高壓直流供電方案總投資降低約30%。需要說明的是，采用高壓直流供電方案，不僅電源系統可分期建設，系統的電源模塊也可根據需要分期建設，考慮投資折現率后，高壓直流供電方案的投資節約率將更加明顯。

3.3.3 運維成本方面

運維成本主要包括電費成本和維修成本，由于轉換效率的提高，高壓直流供電將大大節約電費成本。在維修成本方面，高壓直流供電采用的整流模塊化結構，現場替換非常方便。模塊除廠家外，一些通信支撐企業也可維修，維修價格在一定程度上可由市場決定。

4 高壓直流技術應用前景分析

雖然高壓直流供電技術具有很多優點，但電源技術的大規模商用是一個系統工程，涉及到后端用電設備、技術標準、產業鏈保障等方面，只有這些方面同時具有可行性，高壓直流供電技術才可能得以大規模應用。

4.1 高壓直流技術應用現狀

目前對高壓直流供電的應用，總體情況是電信運營商非常熱衷，熱切希望大規模高壓直流供電，與電源系統廠商一起進行了大量了理論研究，國內業界已就包括高壓直流供電電壓、接地方式等關鍵問題達成了共識，高壓直流供電已在部分本地網進行了試點。

與之形成鮮明對比的是，到目前為止，后端IT設備還沒有針對高壓直流供電的電源技術標準，也沒有大型IT廠商宣布支持后端設備高壓直流供電。

高壓直流供電有多種電壓可供選擇，因為缺乏后端設備廠商的響應，國內高壓直流供電的思路均是基于不對后端用電設備進行改造，供電電壓的選擇就必須保證在電源系統各種運行模式下，后端設備均可正常工作。目前國內業界對高壓直流供電的標稱電壓已達成共識，即選用240 V電壓等級。

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4.2 制約高壓直流技術大規模應用的主要因素

（1）后端設備的適應性

從目前運營商的試點情況來看，盡管采用單相UPS電源供電的后端設備絕大多數都支持高壓直流供電，高壓直流供電基本可保障后端設備的運行。但高壓直流供電畢竟不是后端設備的電源標準，采用高壓直流供電實質上是改變了設備電源的標稱運行環境，因而對運營商而言存在較多的風險。

技術風險：使用UPS電源供電的后端設備種類繁多，從目前運營商的試點情況來看，還是有部分設備不支持高壓直流供電。對于具體的設備能否支持高壓直流供電，能否在高壓直流供電的額定輸出電壓、最低輸出電壓、最高輸出電壓下正常運行，只能針對具體設備進行電路分析和實驗。對于在高壓直流供電下能正常運行的后端設備，也需要用時間來檢驗其壽命是否會發生變化。

法律風險：改變設備的電源運行環境，實質上是改變了采購合同約定的運行條件，如后端設備發生故障，運營商將處于較為不利的法律地位，面臨著較大的風險。同時，對于高壓直流供電最大應用場合的IDC機房，運營商通常與客戶簽訂有嚴格的SLA（服務等級協議），供電電源的改變也會將運營商推向不利的地位，一旦客戶托管設備發生故障，尤其是涉及到對服務連續性極為敏感的金融、大型SP等客戶時，雙方可能陷入長時間的糾紛，或以運營商的讓步而告終。從現網試點情況來看，運營商普遍的心態還是感覺“高壓直流電源穩定可靠，不會出現問題”，還沒有從法律層面認真思考可能遇到的法律糾紛。

（2）電源系統的定型與量產

高壓直流供電還沒有相應的技術標準，僅有工信部近期擬推出通信標準類技術報告《通信用240 V直流供電系統技術要求》，對高壓直流供電技術進行引導。因缺乏技術標準和大規模商用實踐的支撐，目前國內電源廠商的高壓直流供電產品設備還沒有定型，更談不上量產，都是通過訂單定制方式生產。

（3）配套器件

高壓直流供電涉及的元器件中，整流器模塊所需的功率電子器件、電容、變壓器等器件較為通用，供應不存在任何問題，但熔斷器、斷路器等配電保護元件就較為匱乏。

高壓直流供電系統日常運行電壓（浮充電壓）即已達到270 V，普通熔斷器均為交流熔斷器，已不能支持這一電壓等級，只能選用專用的直流熔斷器，但目前直流熔斷器生產廠家很少，市面上也難以見到。

斷路器的情況要好一些，普通熱磁脫扣型塑殼斷路器單極工作電壓可達250 V，ABB、施耐德等大型廠商也可提供直流工作電壓達220 V的微型斷路器，這兩類斷路器雙極使用時工作電壓均遠遠高于高壓直流系統可能的最高電壓（均充電壓）288 V，可為高壓直流系統保護，但應用時也存在較多的問題：

a.技術問題。整定值易漂移；塑殼斷路器安裝尺寸較大；微型斷路器易被碰刮誤斷、整定值通常不能調整、分斷短路電流小。

b.商務問題。產量較小，價格較高，供貨周期長。

（4）監控系統

如要大規模商用，高壓直流電源系統必須納入動力環境監控系統，開關電源系統的監控與－48 V直流電源相同，沒有任何困難，但配套電池組目前還沒有廠家可以提供專用的240 V電池組監控單元和配套的軟件子系統。

4.3 高壓直流技術應用的推進

制約高壓直流供電技術大規模應用的因素還有很多，根本原因還在于后端設備高壓直流供電沒有標準化。鑒于后端設備不僅僅是IT設備，還應包括大部分其他行業設備。僅僅依靠通信行業的力量難以有效推動電源標準的改進，應該積極推動全社會對高壓直流供電的認知，進而產生體現國家意志的法律、規章和技術標準，推動使用高壓直流供電的IT設備的大規模生產和應用。在后端設備具備高壓直流供電的條件，并大規模商用后，電源系統的標準化將迎刃而解。市場這只無形的手將推動前端電源零部件及整機廠商全力進行研發和生產，現階段前端電源系統存在的種種制約將不復存在。

5 總 結

本文研究高壓直流供電系統在數據機房能否得以廣泛應用，這對通信業務的節能高效運行，并且提供更強有力的安全保障具有重要意義。經過分析研究，得出以下結論：

（1）從技術上來說，高壓直流電源系統由于其拓撲簡單、擴容方便等特點完全可以取代效率低要求高且存在安全隱患的傳統UPS。

（2）從其優勢上分析，它具有可靠性高、效率高、擴容便捷、不存在“零地”電壓等不明問題的干擾。

（3）在市場應用前景上，雖然它在理論分析中確實存在不小優勢，不過它至今未能更廣泛地在各運營商中得到肯定，究其原因主要還是在后端設備的適應性，電源系統的定型和量產，配套系統，監控系統上沒有得到相應配套方案。

高壓直流供電目前還在試驗探索階段，離真正的大規模市場化應用還有一段距離，但是從機房節能增效的角度來說，高壓直流供電是電源技術發展的方向。相信以后隨著高壓直流標準的制定，以上的缺點和面臨的困難都會得以解決，高壓直流供電技術會得到更廣泛的應用。

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