240 V高壓直流供電技術在通信行業的應用

衣斌，朱宏韜，趙永為，陳碩

(北京電信規劃設計院有限公司，北京100044)

隨著數據通信和互聯網業務的發展，通信設備對電源安全供電的要求也越來越高，而且隨著數據機房規模的擴大，其用電量也大大超過了傳統的交換、傳輸等通信業務。數據機房通常采用UPS系統供電，其可靠性和能源消耗等問題隨著UPS設備應用規模的擴大越來越突出。交流UPS供電存在諸多問題，因此對可替代交流UPS供電的其它系統的研究日益繁榮，業界大力推薦的高壓直流供電系統也漸漸形成規模[1]。

高壓直流供電技術由于其簡單可靠，減少了兩次能源轉換，日益受到業界的廣泛關注。近幾年，伴隨著高壓直流供電技術行業規范的相繼出臺，國內各大運營商也加大了對高壓直流供電技術的研究及測試力度，眾多實驗機房不斷建成，為高壓直流供電技術的應用提供了良好的平臺。

1 通信行業高壓直流供電技術應用現狀

目前，高壓直流供電技術在國內各大運營商均有應用。

中國電信：2007年開始建設240 V高壓直流供電實驗局，2010年開始推廣擴大試點，在江蘇、北京、吉林、上海、浙江、安徽、江西、湖北、廣西、重慶、四川、貴州、廣東地區，相繼進行高壓直流試點，截至2010年底已建成110套高壓直流系統，特別是江蘇電信已有多個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。

中國移動：2009年開始高壓直流供電系統實驗局建設，先后在深圳、內蒙古等地進行了高壓直流供電的測試，且除了240 V的實驗局建設，還選擇另外一類336 V的直流電壓等級進行實驗，目前江蘇、浙江、內蒙、遼寧、天津也在進行試點。

中國聯通：2010年開始建設240 V高壓直流供電實驗局，已在江蘇南通、鄭州等多地開展實驗測試，并準備擴大高壓直流供電系統的應用。

隨著眾多實驗機房的建成，國內也加快了有關240 V直流供電的標準編制工作，相應標準規范的出臺推進了240 V直流供電系統的產業化進程，有利于產品的規范，并引導行業產品的發展方向。

2 高壓直流供電系統結構的選擇

在高壓直流供電系統的工程應用中，首先會遇到如何選取系統架構的問題，工程人員需要在系統的安全性、可靠性與工程建設的經濟性之間做出取舍。參考48 V直流電源系統建設方式以及以往UPS系統建設方式，本文對多種系統結構進行了分析，供工程人員根據現場實際情況及負荷重要性等諸多因素靈活選取。

(1)方式一是高壓直流單電源系統雙路供電。方式一與原48 V直流供電系統相同，系統結構簡單，建設投資小。缺點是由于服務器雙路輸入均來自于同一套高壓直流電源系統，系統在電源側存在單點故障瓶頸(圖1)。

圖1 單系統雙路供電結構圖

(2)方式二是高壓直流雙電源系統雙路供電。與方式一相比，方式二中每臺列頭柜配置的輸入電源分別來自2套電源系統，消除了系統的單點故障瓶頸，提高了供電的可靠性，缺點是系統配置采用2 N方式，系統的冗余度較大，正常運行時系統帶載率較低(圖2)。

圖2 雙系統雙路供電結構圖

(3)方式三是UPS+高壓直流雙路供電。方式三將傳統UPS與高壓直流供電系統相結合，采用1路交流UPS電源，1路高壓直流電源的雙路供電形式，該供電方式消除了系統的單點故障瓶頸，提高了供電的可靠性，且在每個機架內提供了交直流2路電源，末端業務設備的接電更加靈活。缺點是對于新建機房需要建設2種不同類型的電源系統，增加建設成本及后期維護工作量，且每個機架提供交直流2路供電，其系統性質及接地方式等均有不同，一定程度上增加了使用及維護的難度(圖3)。

圖3 UPS+HVDC雙路供電結構圖

(4)方式四是市電+高壓直流雙路供電。方式四采用1路市電電源，1路高壓直流電源的雙路供電形式，該方式與方式三的優缺點類似，只是減少了UPS系統的建設投資，且市電路無需電能的轉換，可最大程度提高系統效率。但綜合考慮市電的計劃內及計劃外停電及電能質量等因素，該供電方式的可靠性較方式二、方式三略低(圖4)。

綜上所述，以上4種供電方式各有優缺點，考慮高壓直流供電系統的結構特點，并結合通信行業廣泛應用的48 V直流系統的現狀，供電方式一可為系統提供足夠的供電可靠性，故本文建議常規機房優先選用方案一；對于重要性更高的機房可選用方案二；對于一些供電可靠性要求不高、自主性強的機房可選用方案四，達到最優節能效果。

圖4 市電+HVDC雙路供電結構圖

3 高壓直流供電系統配電器件的選擇

直流配電系統采用電力室直流配電屏、數據機房直流列頭配電柜、機架直流配電單元三級配電結構(圖5)。

圖5 高壓直流供電系統結構圖

3.1 直流總配電屏

高壓直流系統與48 V直流系統相比，系統所需輸出分路數較少，且在日常維護及工程施工中，直流配電屏內的器件操作較少，熔斷器在造價以及48 V直流系統維護習慣方面具有一定的優勢；同時，考慮高壓直流供電系統中熔斷器與斷路器的上下級配合關系(熔斷器應在斷路器的上級)，為保證系統下級配電的靈活性，建議在直流配電的第一級輸出開關優先選用熔斷器。

當系統中選用熔斷器時，需要保證正負極均配置熔斷器，并且兩個熔斷器要求必須同時分斷，避免出現僅單極分斷的情況，因為系統中出現單極分斷時，另一極仍然帶電，系統安全存在隱患。

3.2 機房列頭柜

直流列頭柜進線可選用熔斷器或直流負荷隔離開關，輸出分路考慮到操作較為頻繁，同時配置雙極熔斷器占用柜體空間較大，因此建議優先配置雙極直流微型斷路器。

上下級配電器件之間應具備選擇性。當熔斷器和直流斷路器串聯保護時，熔斷器宜裝設在直流斷路器上一級，其額定電流應不小于直流斷路器額定電流的2倍；當上級、下級均選用熔斷器時，其額定容量比應大于1.6，使其具有選擇性；當上級、下級均選用斷路器時，按各廠家器件之間的選擇性要求配置。

3.3 設備機架

傳統交流系統末端設備機架配電主要有插座式PDU、端子式PDU兩種方式，本文對上述兩種配電器件的特點進行分析。

3.3.1傳統交流機架配電方式

(1)插座式PDU(圖6)特點：插座輸出、垂直安裝、無斷路器，結構簡單、每一個插座連接一臺服務器，后期接線方便。

(2)端子式PDU(圖7)特點：端子輸出、結構簡單、每一個微斷連接一臺服務器，后期接線工作量大。

圖6 插座式PDU

圖7 端子式PDU

3.3.2 高壓直流機架配電方式

通信設備機架直流配電單元進線可選用與列頭柜對應輸出斷路器同容量的直流負荷隔離開關，直流配電單元出線有多種方式：

(1)插座式PDU：雖然插座式PDU安裝接線方便，但目前無直流專用插座，直接插拔電源插頭時會出現拉弧現象，故在應用中不能用來分斷工作電流，系統安全性存在隱患；而且采用插座PDU時，不能保證每臺設備對應一個斷路器，系統安全可靠性存在隱患，因此在工程中不建議采用。

(2)端子式PDU：端子式PDU能很好地保護末端設備，但設備接線工作量大，特別是對于大規模數據機房，服務器設備廠家在安裝設備過程中需要頻繁在機架內布線、壓接端子，工程質量難以保證。采用該方式配電時，建議在工程建設階段就由施工單位將電源插頭線布放在機架內，后期設備加電時，廠家工程師只需直接將插頭接入設備即可。

(3)“端子+插座”式PDU：對于設備廠家自行提供電源插頭線的機房，直流機架內可采用“端子+插座”式PDU的配電方式，直流微斷的安裝保證了系統的安全可靠性，插座的安裝方便了機架內后期設備的安裝，但該方式造價稍高，且占用機架空間稍大，建議在機架內垂直安裝。同時，該配電方式需注意設備的上電及下電操作，其中設備的開通及分斷均只能操作直流微斷，而不能操作插座電源。開關操作順序見下：

(a)設備安裝：

設備安裝→設備電源插頭接至插座→閉合直流微斷(b)設備拆除

分斷直流微斷→拆除設備至插座的電源線→設備拆除

3.3.3 機架PDU的選用

綜上所述，工程應用中直流機架內建議采用“端子式”或“端子+插座”式PDU的配電方式。“端子式”建議在工程建設階段將電源插頭線布放在機架內，“端子+插座”式在工程應用中需注意操作順序。

4 高壓直流供電系統電纜選擇

通信行業傳統48 V直流供電系統均采用正極接地系統，而考慮到系統的可靠性及對人身安全性的保證，高壓直流供電系統均采用不接地系統，下面針對不接地系統，討論了高壓直流系統的幾種供電電纜的選擇方式，差別主要體現在接地電纜方面。

(1)方式一

方式一(圖8)與傳統48 V直流系統的接地方式相同，主供電線路采用3路單芯電纜，對于傳統48 V系統來說，PE接地的主要有3個作用：(a)等電位聯結；(b)抑制外界電磁干擾；(c)在系統發生接地故障時，形成故障電流的通路，使故障電流盡快回到電源側。而對高壓直流不接地系統來說，PE接地的作用只有2個：等電位、抑制電磁干擾，因此方式一這種接地方式完全沒有必要，未體現出高壓直流供電不接地系統對配電線路節省的優勢。

圖8 高壓直流供電系統接線系統圖(方式一)

(2)方式二

方式二(圖9)主供電線路采用2路單芯電纜，業務機房內的地來自機房接地匯流排，該系統與方式一相比，在主供電線路上節省了1路電纜，機房列頭柜PE均與機房地線排聯通，減少了電纜投資并節省了線路的布線空間，且此處的地線電纜只起到等電位及抑制電磁干擾作用，其電纜截面滿足35 mm2以下即可。

圖9 高壓直流供電系統接線系統圖(方式二)

(3)方式三

方式三(圖10)主供電線路采用2路單芯電纜，與方式二相同。同時，在業務機房設備列走線架上方統一設置地線網，設備列內的所有PE線均接至該地線網，接地系統更清晰、抗干擾能力更強，該方式工程投資較方式二略高。

圖10 高壓直流供電系統接線系統圖(方式三)

綜合考慮建設投資、系統結構、性能等因素，本文建議在有條件的機房優先選用方案三，若工程中不具備統一設置地線網的條件，建議采用方案二，不建議采用方式一。

5 高壓直流供電絕緣監察系統的選擇

高壓直流供電采用不接地供電系統，提高了系統的可靠性(系統發生一次故障不影響系統運行)，且增加了對人身安全的保護，但對于不接地系統，如果發生一次單極接地后不能及時發現，則系統可靠性高、安全性好等方面的優勢將蕩然無存。因此，不接地系統必須配置絕緣監察裝置，及時發現并排除系統的一次故障，避免系統二次故障的發生。

目前應用較多的絕緣監察監測方法主要有：平衡橋電阻檢測法、投切電阻檢測法、支路漏電流檢測法，各種方法的基本工作原理本文不做詳細介紹，僅對工程應用中絕緣監察裝置的選用及安裝位置進行闡述。

5.1 絕緣監察裝置告警方式的選擇

目前廠家采用的絕緣監察裝置的方式多樣，有采用平衡電橋＋支路漏電流檢測的方式，該方式簡單，告警迅速，缺點是不能發現系統正負極同時發生接地故障的情況。另外一種是投切電阻＋支路漏電流檢測的方式，該種方式可以發現各種接地故障情況，但是告警時間偏長。工程應用中建議將上述兩種方式綜合使用(見文獻[2])，做到最短時間實現故障告警、正確判斷故障支路、準確顯示接地電阻。

5.2 絕緣監察系統的安裝

工程應用中，建議在高壓直流供電系統的直流電源側配置絕緣監察裝置，機房電源列頭柜內可根據工程的具體情況，考慮是否設置絕緣監察裝置。

高壓直流供電系統直流輸出配電側的絕緣監察裝置，用于監測直流配電的主母排及各個輸出分路的對地絕緣狀態。機房電源列頭柜內的絕緣監察裝置只需安裝支路漏電流檢測設備，監測列頭柜內各個分路的對地絕緣狀態。

6 高壓直流系統容量的選擇

通信行業標準YD/T 2378-2011《通信用240 V直流供電系統》[3]中規定“240 V系統宜采用分散供電，系統容量一般在1 000 A以下，最大不應超過1 500 A”。工程應用中系統容量還受其它因素的制約：

(1)設備制造水平

目前主流高壓直流設備廠家的電源模塊容量為20 A/240 V，部分廠家可提供40 A/240 V的電源模塊，對于1 500 A的系統，需配置75個20 A的電源模塊，對于單個系統來說模塊數量越多，其發生故障的可能性就越高，而且過多的模塊也增加了使用維護的難度，因此，基于高壓直流供電技術還未廣泛成熟應用的現狀，本文建議單系統容量不超過800 A。今后隨著高壓直流供電技術的進一步成熟，建議通過增大單體模塊容量的方式，提高整個系統的供電能力，避免單系統配置過多的整流模塊。

(2)配套蓄電池組的容量及組數

通信行業標準YD/T 2378-2011《通信用240 V直流供電系統》[3]中規定：“240 V系統蓄電池配置需根據系統容量大小，蓄電池單體電壓可選2、6、12 V，每個系統蓄電池組數至少2組，最多不宜超過4組。宜選用鉛酸蓄電池?！?/p>

系統容量越大，配套蓄電池組的容量也越大，組數也需要越多，當前通信行業主要應用的蓄電池為2和12 V，由于目前主流12 V蓄電池單體容量最大為200 Ah，故系統最多配置800 Ah蓄電池(4組200 Ah)，對于后備時間1 h的系統，此時僅能提供供電能力約57 kW，系統供電能力偏小，因此，12 V蓄電池在大容量高壓直流供電系統應用困難。

對于2 V蓄電池，目前單體最大容量可達3 000 Ah，但240 V系統配套蓄電池組的體積為傳統48 V蓄電池體積的5倍，特別是對于2 000和3 000 Ah等大容量蓄電池組，需要的安裝空間大，工程選址、施工難度較大，同時，考慮到目前建議的單系統不超過800 A的容量，按照后備時間1 h配置蓄電池，需800 Ah蓄電池2組。因此，綜合考慮供電系統能力及蓄電池安裝等因素，本文建議高壓直流系統優先選用單體2 V蓄電池。

綜上所述，240 V高壓直流系統單系統的容量不宜超過800 A，蓄電池優先選用2 V單體電池，單只電池容量建議不超過800 Ah。

7 服務器設備對高壓直流供電的適應性

從目前運營商的試點情況來看，盡管后端設備絕大多數都支持高壓直流供電，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風險。

為了更好地保證高壓直流供電的安全可靠性，規避工程當中的風險，建議在服務器設備采購階段對新裝服務器設備提出相應的適應性要求。例如：從2011年開始，xx運營商在服務器、交換機、磁盤陣列等IT設備集中采購技術規范書中，明確提出了對IT設備電源模塊的要求：“設備電源模塊必須符合SSI和ATX規范，并可做到回路上無并聯對直流電壓呈現短路狀態的感性電子元器件，電源回路上無串聯對直流電壓呈現開路狀態的容性電子元器件，無對交流頻率監測的要求。電源模塊宜配置具備滅弧功能的空氣開關”。同時要求“使用交流220 V的IT設備必須能夠兼容使用直流240 V電源(192～288V)”，而主流IT設備廠家均在回標文件中答復“滿足”。

8 結論及建議

本文從工程建設的角度，論述了高壓直流供電技術在工程應用中需要關注的問題，并提出了相關的建議，希望能夠為工程建設人員提供新的思路。同時，針對高壓直流供電技術的應用現狀，本文給出以下兩點建議：

(1)系統容量及模塊容量

目前主流高壓直流電源設備的單電源模塊為20和40 A，為了避免系統中模塊數量過多，系統容量一般控制在800 A以下，這在一定程度上影響了高壓直流系統在數據機房等場景的應用，建議各電源設備廠家盡快開發大功率段電源模塊，以滿足大容量高壓直流系統的需求。

(2)服務器廠家

高壓直流供電技術的推廣不僅需要運營商、電源設備廠家的推動，還需要服務器設備廠家的大力支持。目前，部分服務器廠家對高壓直流供電技術還存在疑慮，在一定程度上減緩了高壓直流應用的步伐。

[1] 劉寶慶.現代通信電源技術及應用[M].北京：人民郵電出版社，2012：311-314.

[2] 孫文波，侯福平.淺談240 V直流系統絕緣監察裝置的原理及應用[J].通信電源技術，2012(29)：32-34.

[3] 熊蘭英，侯福平，楊世忠，等.YD/T237通信用240 V直流供電系統[S].北京：中華人民共和國工業和信息化部，2011.