２０１１年第３期 （总第１１３期） 信息通信 ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ＆ＣＯＭＭＵＮＩＣＡＴＩＯＮＳ ２０１ｌ （Ｓｕｍ．Ｎｏ ｌ１３） 高压直流供电系统研究 严文发，蒋威 （湖北中移通信技术工程有限公司设计中心，湖北武汉４３００１５） 摘要：对ＨＶＤＣ与ｕＰｓ系统特Ｉ占’进行比较，并对通４５￣２４０Ｖ直流电源系统的相关问题进行分析。 关键词：ＨＶＤＣ；模块化；绝缘监ｇＺ－置；建设成本 中图分类号：ＴＭ７２１．１ 文献标识码：Ａ 文章编号：１６７３—１１３１（２０１１）０３—００７５—０２ 随着通信产业的高速发展，互联网等数据设备集成度的 大幅度提高，使得数据机房特别是ＩＤＣ机房对供电系统的容量 需求和可靠性要求也越来越高。由于现有数据设备大部分采用 一次巨大的风险操作，甚至还有可能因为ｕＰｓ制造商的产品更 新换代而造成无法扩容的情况。相比之下，ＨＶＤＣ等直流供电系 统扩容时由于只关注电压一个参数，其扩容及维护都简单得 交流２２０Ｖ供电方式，使得目前传统数据机房多采用以交流不停 电供电系统ＵＰＳ为主体的交流供电模式。但ＵＰＳ供电系统长期存 在结构复杂、安全性能差、投资大且使用效率低、维护操作及 扩容困难等诸多问题。针对ＵＰＳ供电系统的缺点，从根本上消除 因使用ＵＰＳ而带来的隐患，采用高压直流供电系统ＨＶＤＣ（Ｈｉｇｈ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｒｅｃｔ Ｃｕｒｒｅｎｔ）代替交流ＵＰＳ供电系统是很好的解 决途径之 一。 １ ＨＶＤＣ与ＵＰＳ两种供电系统的比较 （１）技术成熟度：目前大多数通信大楼高压配电机房内 均配置有电力操作直流电源系统（市电中压柜１０ＫＶ配电保护和 断路器合闸操作在使用的直流电源系统），其标称电压为直流 ２２０ｖ’即一种ＨＶＤＣ供电系统。这种高频开关电源系统与现￣－４８ｖ 通信电源系统结构基本相同，并在国家电力行业己广泛使用十 多年，是现有的一种产品技术很成熟且完全国产化的高压直流 供电系统。 （２）系统结构复杂性：ＨＶＤＣ供电系统也是种模块化设计 的直流供电系统，并直接使用蓄电池作为后备电源。在ＨＶＤＣ供 电系统中，交流电源只经过一次整流变换，就到达了负载侧的 直流变换器。而ＵＰＳ交流供电系统中，交流电源则要经过整流、 逆变、静态开关、整流等四次变换，才能到达负载侧的直流变 换器。相比之下，ＨＶＤＣ供电方式结构简单得多。 交流电源 整流器 电源侧 ： 负载侧 变换器 ＋３．３Ｖ ＋５Ｖ ．１２Ｖ —广 篙电池 ：一 ●豳（璺ｌ直逋 虫蠡统 Ｉ交流电源 憋流器 逆燮器 静；棼歼关： 整流器 变换器 ＋３０Ｖ ＋５Ｖ ．１２Ｖ （３）安全可靠性：由于ＵＰＳ系统较ＨＶＤＣ系统的结构复杂 得多且有很多单点故障（如逆变器、并机板、静态开关、输出开 关等），任一一个单点故障都可能导致供电系统的瘫痪，这些使 得ＵＰＳ系统较ＨＶＤＣ系统的安全系数要低得多。 （４）扩容及维护性：因为ＵＰＳ扩容涉及到电源的频率、电 压、相序、相位、波形等问题，每一次ＵＰＳ在线扩容或改造都是 １３２ 多。 （５）效率及节能：由于传统ＵＰＳ系统能源经过多次转换造 成系统效率较低，同时会产生大量谐波，对ＵＰＳ系统和电网都 存在污染和危害。而ＨＶＤＣ系统省掉了ＵＰＳ的逆变部分，系统产生 谐波含量较小，各部分的效率和整体效率都相比传统ＵＰＳ系统 都有较大提高。 以下为高压直流系统和传统ＵＰＳ系统中各部分理论效率情 况图： 高压直流系统各部分理论效率情况图 传统ＵＰＳ系统各部分理论效率情况图 由上面两图可￣ＨＨＶＤＣ主机ＬＬＵＰＳ主机效率提高了６～７％ （满载情况下比较，低负载率时更高），ＵＰＳ系统的各级滤波器 及隔离变压器损耗也较ＨＶＤＣ系统高出３～５％，所以ＨＶＤＣ系统 与ＵＰＳ单机系统结构相比整体效率提高１０￣１２％。若ＵＰＳ系统 采用冗余并机结构时，ＨＶＤＣ系统整体效率提高值可达到１８～ ２０％以上。 （６）工程投资：ＨＶＤＣ系统采用成熟的模块化配置方式，可 以随着设备容量的增加，通过扩容模块来实现边投资边成长， 其投资方式灵活。而ＵＰＳ虽然能够实现并机扩容（亦有模块化配 置方式的ＵＰＳ，但在现网中很少使用），但往往需要带电操作，实 施难度较大，目前ＵＰＳ系统建设一般采取一饮性建成满足远期 需要的方式，这就造成工程建设一７欠Ｉ生投资大而且当年投资效 益很低的问题。 ２ ＨＶＤＣ系统在通信行业的应用可行性 众所周知，现在通信行业绝大多数ＩＴ设备采用交流供电， 然后经过设备自身的整流变换为１２Ｖ、５Ｖ和３．３Ｖ等直流电压为 严文发等：高压直流供电系统研究 本身的电路供电，也就是不管输入的是交流还是直流，最后都 最多不宜超ｉ 组。 要转换为自身电路板使用的低压直流供电。按照服务器电源 工作原理简图，一般服务器的电源输入电压要求为１９８ＶＮ２４２Ｖ （即２２０ Ｖ±１０％）时，理论上，Ｕ０＝０．９４２Ｕｉ，故ＵＯ值的范围是 ３－３整流模块配置 （１）整流模块选择：单体模块功率应根据系统设计容量大小 合理选择，模块数量不宜多于２０个。 （２）整流模块数量配置按负载电流加上０．１ｅｌ０的充电电流 计算，采用Ｎ十１冗余配置，其中Ｎ个主用，Ｎ≤ｌ０个时，１个备用；Ｎ ＞１０个时，每ｌ０个备用一个。 ２５２Ｖ－３０８Ｖ。当采用直流电压直接输入ＡＢ时，由于电压不变相， 整流管２、４长期导通。这样电压从ＡＢ端直接传￣ＩＪＣＤ端。若不 考虑整流管的自身损耗，则ｕｉ ｕ０。实际考虑电池的浮充电压 １３．５Ｖ（单只为１２Ｖ时），标称２４０Ｖ的高压直流系统可保证电源能 长期工作的要求。同时标称２４０Ｖ的高压直流系统最高电压约为 ２ｏ只×１４．１Ｖ＝２８２Ｖ，远小于现在ＩＴ设备的所能够承受的耐压值。 另外采用高压直流供电时，通过整流二极管的电流为平滑电 流，当整流二极管通过的平均电流一定时，电流脉动成分越大 （３）高频开关电源系统宜具备模块休眠功能。 ３．４系统采用悬浮方式供电 （１）系统交流输入应与直流输出电气隔离。 （２）系统输出应与地、机架、外壳电气隔离。 其发热量也大，所以采用高压直流供电的整流器件不会比交流 供电时的发热量更大，其整流部分的故障率也就不会提高。 口●一 Ｄ 交流输入电源工作简图 直流输入电源工作简图 在应用实例方面，中国移动通信集团苏卅１分公司从２００８年 １１月起对高压直流设备安装后，进行了小范围的拷机实验，经过 实际的试用与不断改进后，现已将部分业务设备使用高压直流 电源，设备使用期间运行良好。 以上分析和应用实例均说明ＨＶＤＣ系统代替ＵＰＳ系统在通信 行业是可行的。 ３ ＨＶＤＣ系统组成及技术指标 通信用２４０Ｖ直流电源系统一般由交流配电部分、高频开关 整流模块、直流配电部分和监控单元组成。 ３．１通信用２４０Ｖ直流电源系统主要技术指标 （１）系统效率应满足下表的要求。 单个整流模块额定输 ２ＯＡ ＜２０Ａ 出电流（Ａ） 系统效率 ＞９２％ ９０％ （２）系统标称电压。 系统标称电压为２４０Ｖ。设备运行时，浮充、均充电压由蓄电 池技术参数确定，可在一定范围内调整。 系统输出电压可调范围２１６Ｖ－３１２Ｖ。系统在其输出可调范围 内，能输出额定电流。 系统的直流输出电压值在其可调范围内能手动或自动连续 可调。系统在稳压工作的基础上，能与蓄电池并联以浮充工作 方式或均充工作方式向通信设备供电。 ３．２蓄电池配置 （１）单组电池个数如下表。 单体电压（ｖ） ２Ｖ ６Ｖ １２Ｖ 蓄电池个数（只） １２０ ４０ ２０ （２）蓄电池选择：宜选用铅酸蓄电池。 （３）蓄电池单体电压和组数确定：根据系统容量大小，蓄 电池单体电压可选２Ｖ、６Ｖ、１２Ｖ，每个系统蓄电池组数至少２组， （３）使用时，正、负极均不得接地。 （４）系统应有明显标识标明该系统输出不能接地。 ３．５绝缘监察保护 系统配置绝缘监察装置，检测正、负母线对地绝缘，并具 备与监控单元通信功能。 当直流系统发生接地故障或绝缘水平下降到设定值时，满 足以下要求： （１）绝缘监察装置应能显示接地极性： （２）绝缘监察装置应能发出告警。 ３．６系统可靠性（ＭＴＢＦ） 系统可靠性ＭＴＢＦ￣５ Ｘ １０４。 （可通过整流模块并联冗余方式来提高系统可靠性，即 （ｎ十ｋ）方式。ｎ为能满足通信局站供电的整流模块数，ｋ为增加 的整流模块冗余数且不小于１。） ４结语 由于通信用２４０Ｖ高压直流系统制造技术及供电体制还处 在摸索阶段，为了安全起见，在采用ＨＶＤＣ系统替代原有ＵＰＳ系统 时，开通前需先做全面测试，只有通过测试的设备才能够放心 使用。 在系统设计方面，考虑到模块制造技术和维护难度等问 题，通信用２４０Ｖ高压直流系统容量也不宜做得太大，一般不超 过６００Ａ（相当于－４８Ｖ系统容量３０００Ａ）。 在系统改造方面，建议可先对运行６年以上且运行不稳定 或现有ＵＰＳ系统需要进行扩容才能满足负载的需求时，考虑采 用ＨＶＤＣ系统替代原有ＵＰＳ系统改造方式，这样对于改造资金的 合理应用并提高设备运行的安全可靠性有较好的帮助。 这几年高压直流供电的研究是业界的热点，大家对高压直 流供电的可行性、优越性进行了非常充分的探讨。对于如何建 设及维护这套供电系统，使这套供电体制快速成熟地应用起 来，从而切实提高ＩＴ服务器类设备的供电可靠性，还需要我们 众多的电源工作者付出更多的努力。 参考文献： ［１］中国通信标准化协会．通信用２４０Ｖ直流供电系统技术要 求 ［２］高世琦．通信机房采用高压直流设备供电探讨 ［３］杭州中恒研发中心．高压直流电源系统（ＨＹＤｅ） 作者简介：严文发（１９７２—），男，湖北荆州人，研究生，高级工 程师，湖北中移通信技术工程有限公司设计中心总经理。 １３３