我國高壓直流供電技術(shù)應用探析

焦金濤，李寶巖，楊 博

（吉林吉大通信設計院股份有限公司，吉林長春130012）

1 概 述

隨著我國通信行業(yè)的高速發(fā)展，數(shù)據(jù)業(yè)務的快速增加，通信局站的UPS使用量大增，系統(tǒng)的可靠性和維護的簡便性越來越受到關(guān)注，而UPS在這兩方面均存在很多問題。盡管出現(xiàn)了雙總線UPS供電系統(tǒng)，增加了UPS供電的可靠性，但隨之又加大了機房使用面積同時增加了設備投資，也造成了能源浪費。

采用高壓直流供電可以大大提高供電的可靠性，并且實現(xiàn)節(jié)能減排。高壓直流供電系統(tǒng)有效地避免了交流UPS系統(tǒng)因冗余配置而導致系統(tǒng)效率低的問題，而且高壓直流只存在一次變換，與交流UPS系統(tǒng)比較而言，大大提高了供電系統(tǒng)的效率。不僅如此，高壓直流供電系統(tǒng)的投資量小，可維護性高，與交流UPS相比較為安全［1］。

2 交流UPS供電存在的問題

隨著通信網(wǎng)絡和業(yè)務需求的不斷發(fā)展，通信設備對電源安全供電的要求也越來越高。長期以來，使用交流電源的通信設備均由交流UPS設備供電，但交流UPS電源系統(tǒng)存在著單點故障點的問題且始終沒有得到很好的解決，因交流UPS電源系統(tǒng)故障而引發(fā)的通信事故時有發(fā)生，給通信維護部門帶來了嚴峻的考驗。目前交流UPS供電存在的主要問題有如下方面。

2.1 交流UPS供電的缺點

因為交流電的電壓方向、幅值每時每刻都在發(fā)生變化，當采用多臺UPS并機輸出時，就必須保證并機的每臺UPS輸出的相位、頻率、幅值相同。在需要切旁路時，為了保障不間斷供電，就必須保持對市電的相位、頻率、幅值的跟蹤和同步。當市電發(fā)生大范圍變化時，其各種參數(shù)總會在一定范圍內(nèi)波動，因此UPS系統(tǒng)也在不斷的調(diào)整輸出參數(shù)。這種設計在理論上沒有問題，但在實際應用中，隨著市電的不斷變化，以及電子元器件的老化，尤其是采集模塊的零點漂移，往往會在切換時造成中斷。這種中斷在以往的案例中屢見不鮮，給數(shù)據(jù)中心的設備運行帶來了巨大的影響。

2.2 交流UPS電源資源的浪費

由于并機的復雜性，盡管眾多廠家聲稱可多臺并機，有的甚至可以達到8臺。但在實際應用中，UPS并機系統(tǒng)并機的臺數(shù)都不會太多，一般為1＋1或者2＋1，也就是2～3臺。而為了保持系統(tǒng)的冗余，在一臺機器出現(xiàn)故障時系統(tǒng)依然能夠供電，這就要使得每臺UPS平時的負荷率保持在較低的水平，如對于一套UPS（1＋1）系統(tǒng)為50%，2＋1系統(tǒng)為66%，如果再考慮到負荷的可能突變，同時減少設備的故障率，這時系統(tǒng)就必須要保持一定的裕度，按系統(tǒng)80%的容量計算，實際上每臺UPS的負荷率只有40%～55%左右。而為了提高供電可靠性采用的雙總線UPS系統(tǒng)，實際每臺的平時最大負荷率也只有40%～50%，在有些雙總線UPS系統(tǒng)中，為追求更高的可靠性，最大負荷率甚至只有20%～25%。

2.3 安全供電存在單點故障瓶頸

因為UPS輸出的是交流電，而作為備用蓄能的蓄電池，輸出的是直流電，因此UPS系統(tǒng)的蓄電池不能直接供電給負載，必須通過逆變模塊變成交流電輸出。這樣，供電的持續(xù)性就取決于UPS系統(tǒng)的穩(wěn)定性，如果逆變模塊損壞，即使蓄電池有充足的電量，也不能供電給負載。

交流UPS存在諸多問題，因此對替代供電系統(tǒng)的研究日益繁榮，業(yè)界內(nèi)大力推薦的高壓直流供電系統(tǒng)也漸漸形成規(guī)模。

3 高壓直流供電技術(shù)原理

高壓直流供電系統(tǒng)的組成與傳統(tǒng)的-48 V直流供電系統(tǒng)的組成一樣，只是整流器的輸出電壓等級較-48 V高。系統(tǒng)由市電輸入、高頻開關(guān)整流器、配電屏、蓄電池組組成。和-48 V直流供電系統(tǒng)一樣，高壓直流供電系統(tǒng)也是采用全浮充供電方式，即開關(guān)電源架上的整流模塊與兩組電池并聯(lián)浮充供電。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 高壓直流供電系統(tǒng)組成框圖

高壓直流供電系統(tǒng)具有如下特性：

（1）安全特性。采用高壓直流供電技術(shù)與交流供電系統(tǒng)相比較，220 V／50 Hz交流電源對人的危害大，采用直流電時電擊危險程度約為50 Hz交流電的40%，故直流供電較為安全［2］。

（2）可靠性。采用高壓直流技術(shù)另一個優(yōu)點在于提高了供電的可靠性。這可以從三個方面體現(xiàn)：①采用高壓直流供電技術(shù)，蓄電池可以作為電源直接并聯(lián)在負載端，當停電時，蓄電池的電能可以直接供給負載，確保供電的不間斷。②采用高壓直流供電技術(shù)只有電壓幅值一個參數(shù)，各個直流模塊之間不存在相位、相序、頻率需同步的問題，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，提高了供電系統(tǒng)的可靠性。③采用高壓直流供電技術(shù)能夠消除交流UPS供電系統(tǒng)中并機板的單點故障問題，提高了整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

（3）節(jié)能特性。①高壓直流供電技術(shù)和交流UPS系統(tǒng)相比較，直流供電省掉了逆變環(huán)節(jié)中的損耗在5%左右；②由于服務器輸入的是直流電，不存在功率因數(shù)校正與諧波治理問題，降低了整個回路中的線損。避免了交流UPS系統(tǒng)中的頻率跟蹤及相位鎖相問題，降低了電路的復雜程度，減少了相應的損耗；③可采用大量的模塊并聯(lián)，使直流供電的每個模塊的使用率可達到70%～80%（交流UPS平時最大負荷率只有20%～25%），提高了整個電源供電系統(tǒng)的效率，使供電系統(tǒng)節(jié)能20%～30%［3］。

（4）可維護性。高壓直流技術(shù)中采用了整流模塊組合成供電系統(tǒng)。當整流模塊出現(xiàn)故障時維護人員可以隨時更換模塊，提高了可維護性。與交流UPS供電系統(tǒng)相比較，UPS系統(tǒng)中不僅存在著單點故障，而且當某臺UPS出現(xiàn)故障時維護時間比較長。而高壓直流整流模塊隨時可以更換，不影響整個系統(tǒng)的正常運行。

（5）經(jīng)濟特性。從經(jīng)濟方面比較，交流供電由于要采用UPS設備（系統(tǒng)）冗余的方式，投資增加；而直流供電則采用n＋1模塊式結(jié)構(gòu)，在具有相同的可靠性指標時，直流供電可節(jié)省投資30%～40%。

4 我國高壓直流供電技術(shù)的應用

IT設備高壓直流供電取代UPS是明顯的趨勢。標稱電壓為240 V、300 V、336 V、350 V的直流供電系統(tǒng)，適用于通信局站和數(shù)據(jù)機房中向交流輸入電壓范圍為110～240 V的通信設備供電。目前中國移動主推336 V的直流供電系統(tǒng)，中國電信主推240 V的直流供電系統(tǒng)。

4.1 中國移動主推336 V的直流供電系統(tǒng)

近幾年世界各國的企業(yè)和實驗室進行了大量的高壓直流供電技術(shù)試驗和技術(shù)研究，盡管各方試驗電壓不盡相同，但系統(tǒng)效率提升和可靠性提升的結(jié)論是一致的。中國移動2009年開始進行高壓直流研究和試點，試點地點選擇在深圳羅湖郵政樓。經(jīng)測試，性能指標達設計要求，運行穩(wěn)，節(jié)能效果明顯。2011年開始在內(nèi)蒙古、遼寧等省進入實用運行倉儲式機房。

倉儲式機房采用336 V直流供電系統(tǒng)結(jié)合磷酸鐵鋰電池全分散供電模式，服務器采用336 V／12 V嵌入式電源供電，如圖2所示。

4.1.1 磷酸鐵鋰電池全分散供電模式

全分散供電模式架構(gòu)特點：采用336 V直流電源；電源系統(tǒng)分散下沉到機架列間，節(jié)約電力電池室；靠近負載，架構(gòu)簡潔，配置靈活，更為可靠節(jié)能；提高裝機靈活性，電源與業(yè)務同步成長。它由電池柜、電源柜、配電柜三部分組成，相比傳統(tǒng)“1＋1”UPS系統(tǒng)，效率從85%提高到96%；相比“N＋1”UPS系統(tǒng)，效率從91%提高到96%。

圖2 336 V／12 V嵌入式電源供電

磷酸鐵鋰電池優(yōu)點：大電流充放電性能好、循環(huán)壽命長、耐高溫、體積小、重量輕（僅為鉛酸電池的1／4）、無記憶效應、原材料環(huán)保。它與高壓直流電源配合，供電結(jié)構(gòu)簡單，可靠性高，占用空間小。

4.1.2 336 V高壓直流系統(tǒng)的優(yōu)勢

系統(tǒng)可靠性高：系統(tǒng)簡單，易于避免單點故障，維護難度小。

系統(tǒng)簡單、成本低：能源一次轉(zhuǎn)換、系統(tǒng)簡單、諧波含量很低，系統(tǒng)接地要求簡單；蓄電池充放電管理好，電池壽命長。

可擴展性好：系統(tǒng)擴容簡單方便，可擴性很好；冗余設計容量小，為N＋1（備用模塊）。

效率高：能源轉(zhuǎn)換次數(shù)降低，效率高；系統(tǒng)簡單，購置成本低；高效環(huán)保，大大節(jié)約運行成本。

4.1.3 存在的問題

全分散式供電依賴于鋰電池的成熟度，從目前來看，鋰電池的安全性和壽命還有待進一步驗證，尤其是在機房的應用需要進一步的測試和研究。

4.2 中國電信主推240 V的直流供電系統(tǒng)

自2000年以來，中國電信開始在廣東、上海、北京等城市進行大型數(shù)據(jù)中心的建設，并針對交流UPS電源故障和安全事故頻繁發(fā)生的情況，開始第一次探索交流UPS電源的可用性和存在的問題。2004年中國電信發(fā)布了一個特殊的數(shù)據(jù)中心供電問題的能力和環(huán)境報告，反映了交流UPS電源不能滿足通信電源的可靠性要求的實際情況，引起國內(nèi)通信行業(yè)的高度重視。

為了選擇一個安全的，又考慮到現(xiàn)有的通信電源、電池、配電裝置和服務器裝置適應性的電壓等級，中國電信行業(yè)專家一起進行了廣泛的分析、交流和討論，從直流380 V到220 V都列入了探討范圍。通過廣泛的研究和試驗，衡量尺度，綜合考慮，確定直流電源系統(tǒng)的額定電壓為240 V。其供電系統(tǒng)圖如圖3，主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖3 240 V直流供電系統(tǒng)

表1 240 V直流供電系統(tǒng)主要參數(shù)

電壓的選擇反映了在不改變服務器電源狀態(tài)的情況下，直接向交流服務器提供電源的思路，無論從設備、維修人員的安全和電池、電源分配單元和服務器的電源單元的匹配達到理想的狀態(tài)，都最大限度地減少服務器對電力產(chǎn)業(yè)鏈的影響。正由于此，中國電信決定使用240 V直流，提出了240 V直流電源系統(tǒng)的供電體制。

240 V直流供電系統(tǒng)的優(yōu)勢：可靠性從63%提升到90%；模塊轉(zhuǎn)換效率在94%以上，比傳統(tǒng)UPS高很多。電壓低于300 V耐壓標準，滿足主流器件要求，不需改變原有器件；原有服務器電源模塊完全可以繼續(xù)使用，使用成本沒有增加，推廣極為便利。

5 高壓直流供電技術(shù)規(guī)模化發(fā)展策略

5.1 建立完善的標準體系

中國通信標準化組織（CCSA）十分重視在中國的第一個高壓直流輸電技術(shù)，與中國電信股份有限公司一起組織編寫了關(guān)于240 V直流電源系統(tǒng)的一系列通信行業(yè)標準。包括有YD／T 2556-2013《通信用240 V直流供電系統(tǒng)應用維護技術(shù)要求》、DT2378-2011《通信用240 V直流供電系統(tǒng)》、YDB037-2009《通信用240 V直流供電系統(tǒng)技術(shù)要求》、YD／T2555-2013《通信用240 V直流供電系統(tǒng)配電設備》等。可見，中國已在行業(yè)中最早建立一套完整的用于高壓直流電源系統(tǒng)的通信供電標準體系。

5.2 形成完整的產(chǎn)業(yè)鏈

為了在我國通信行業(yè)實現(xiàn)高壓直流電源技術(shù)的商用，不僅要開發(fā)高壓直流電源產(chǎn)品，還要對高壓直流電源系統(tǒng)的配套產(chǎn)品進行研究、開發(fā)、測試、維護和使用，同時要為IT設備如服務器、路由器安全使用高壓直流電源提供驗證檢測平臺。

經(jīng)過幾年的努力，中國已經(jīng)形成了高壓直流電源系統(tǒng)的一個完整的通信產(chǎn)業(yè)鏈，并有大量的高壓直流電源核心的專利，具有很強的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

6 結(jié)束語

將通信用高壓直流供電系統(tǒng)引入通信系統(tǒng)，有效地解決了UPS系統(tǒng)存在的可靠性低、使用效率低、維護困難、前期投資大、資源占用大的問題，并且高壓直流供電系統(tǒng)具有相當顯著的節(jié)能效果，在當前節(jié)能減排日益重要的情況下，更值得大規(guī)模推廣。目前，電信、聯(lián)通、移動及騰訊、阿里、百度等運營商和大型互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)已大規(guī)模應用高壓直流供電系統(tǒng)。隨著高壓直流供電技術(shù)逐步推廣，從我國現(xiàn)有UPS電源規(guī)模來看，意味著近幾年內(nèi)還要增加數(shù)千套高壓直流電源系統(tǒng)，可見高壓直流電源將會成為通信電源新時代的主力軍。

［1］ 魏 華，衣 斌，柳 蕊.數(shù)據(jù)中心高壓直流供電架構(gòu)的優(yōu)化研究［J］.通信電源技術(shù)，2014，31（3）：178-182.

［2］ 趙汝輝，尚爾明.高壓直流供電在通信機房中的應用分析［J］.科技與企業(yè)，2014，07：338-340.

［3］ 曹軍偉.240 V直流供電在數(shù)據(jù)中心的應用方案［J］.電源世界，2014，02：51-52.