HVDC和UPS供电系统在通信行业中的应用与分析

孙育河

(中国联合网络通信有限公司合肥市分公司，安徽合肥230000)

0 引言

随着我国通信行业的高速发展，数据业务的快速增加，通信机房UPS供电系统的安全运行越来越受到业内人士的重视，同时也是维护人员最为担心的重要环节。通信行业数据机房一般采用UPS电源系统供电，传统UPS供电模式的可靠性、安全性及高能耗等方面问题越来越凸显。部分通信运营商开始探索和分析通信设备采用HVDC供电的可行性，并取得阶段性成果。HVDC供电系统以低投资、高可靠性、低运营成本等优势逐步成为通信运营商机房一种新的供电模式。本文就通信运营商机房采用HVDC供电系统做了一些探讨分析。

1 UPS供电系统和－48 Vdc系统存在的缺陷

1.1 UPS供电结构逆变器可靠性低

UPS供电系统如图1所示，其可靠性模型见图2。众所周知，DC/AC是UPS中成本最高、可靠性最低的环节。根据当前设备可靠性水平，电池的可靠性Rb=0.99，而 UPS 中 DC/AC 的可靠性 Ri=0.90，静态开关STS的可靠性Rs=0.99，根据图2可计算出UPS备用能源的供电可靠性:

R=RbRiRs=0.99 × 0.90 × 0.99=0.88

可见，UPS备用能源在系统中的可靠性比电池本来具备的可靠性降低了很多。

图1 UPS供电系统图

图2 UPS备用能源可靠性模型

1.2 UPS系统整体利用率低

UPS冗余系统的每一路输入配电都有可能是主用，其中任何一台UPS都必须能够带起全部负荷。双机冗余UPS系统负荷率＜35%。UPS输出三相不平衡，直接导致UPS降容使用，存在单机利用率低的缺点。

UPS输入配电除主路外，其它输入配电处于空载待用，使用效率很低，机房前期建设投入大和负荷规划浪费，而且后期系统扩容难度大。

UPS带来供电系统谐波分量增加，导致变压器利用率下降、柴油发电机支撑能力削弱，影响到整个供电系统的安全性、利用率。

并联UPS之间不可能消除环流问题，还增加了UPS的无功损耗，降低了系统的可靠性。

1.3 UPS应急保障和可维护性差

UPS在线维修复杂、在线扩容困难、割接难度大，不同设备型号、不同系统间无法实现互为冗余，逆变、滤波电容等关键器件更换困难。

若UPS逆变器发生故障，系统将转向旁路供电，但对于某些通信负载，低质量的市电可能对设备的安全运行带来严重故障隐患，而且后备蓄电池组被隔离开，起不到保护作用。

1.4 －48 Vdc系统无法满足大功耗通信机房要求

近年来由于数据通信的发展非常迅速，机房耗电量越来越大，目前单机架功耗增加很快，某通信机房实测单机架功耗达9～12 kW/架，有些单机架高达31 kW左右!如果仍然采用－48 Vdc，由于供电电压低，与高压240 Vdc(中国通信标准化协会《通信用240 V直流供电系统技术要求》将240 V确定为通信行业高压直流供电系统的标称电压值)相比，根据P=IU，同样的功率，其电流是240 Vdc的240/48=5倍。

对于同样功率大小，电压低时，电流增大。而对于电缆损耗P=I2R，同样的电缆(电缆线阻一样)，线损与电流的平方成正比。为了达到同样的损耗水平，则需要大幅度增粗电缆线径。例如，100 kW的功耗，当用48 Vdc时，电流I1=100 kW/48=2 083 A，当采用240 Vdc时，电流则为:

粗电缆，成本增加;大电流，意味着发热量大，发热量大意味着需要更多的空调来制冷。

2 HVDC替代UPS的可行性分析

2.1 HVDC取代传统UPS的优势

传统UPS供电原理图如图3所示。HVDC供电原理图如图4所示，比传统的UPS少一个DC/AC逆变器及服务器机架内部的AC/DC整流器，这样大大提高了供电系统的效率，从而降低供电系统的发热损耗，发热损耗的降低也减少了空调的配置。通过HVDC供电方式的应用可以比采用UPS供电节约电能10%～20%。

图3 传统UPS供电原理图

图4 HVDC供电原理图

2.2 投资建设成本分析

由表1可见，投资建设100 kW系统:应用HVDC电源系统比传统型UPS低66%。

表1 传统UPS和HVDC电源建设投资成本分析对比

2.3 占用机房面积分析

由表2可见，100 kW电源系统占用机房面积:HVDC电源比传统UPS少24.22%。

表2 传统型UPS和HVDC电源占用机房面积对比

2.4 运营成本分析

由表3可见，100 kW系统运营成本:HVDC电源系统比传统UPS低16.22%，年节省26.91万元

表3 传统型UPS和HVDC电源运营成本分析对比

2.5 节能分析

当前，节能减排的观念已经深入人心。而因为高压直流供电系统所具有的高效率，其在节能方面也会得到普遍认可。以一个10 kW的数据设备为例，可以通过以下两组数据说明这一点。

(1)传统UPS供电系统

数据设备功耗:10 kW;

数据设备整流损耗(75%效率):3.33 kW;

UPS损耗(85%效率):2.35 kW;

UPS输入功耗即为15.69 kW;

若空调功耗取UPS输入功耗的0.4，其空调功耗为 6.27 kW;

合计功耗:21.96 kW;

每年能耗:192376 kWh。

按0.8元/度计算电费，每年需153 901元人民币的电费。

(2)HVDC供电系统

数据设备功耗:10 kW;

数据设备变换损耗(88%效率):1.36 kW;

高压开关整流设备损耗(93%效率):0.86 kW;

高压直流供电系统输入功耗:12.22 kW;

若空调功耗取高压直流供电系统输入功耗的0.4，其空调功耗为4.89 kW;

合计功耗:17.11 kW;

每年能耗:149853 kWh。

按0.8元/度计算电费，每年需119 882元人民币的电费。

从以上数据可以看出，每10 kW的数据设备采用高压直流供电系统每年节约的电费约34 018元人民币。

所以说，HVDC供电系统是值得期待的一种节能供电方式。

3 HVDC与传统UPS供电方案优缺点比较

HVDC与传统UPS供电方案的优缺点比较见表4。

表4 HVDC与传统UPS优劣比较

的优劣备用电池电压规格 只需一个电压规格，如规定240 Vdc 目前UPS中电池的规格主要有12/24/30/48/72/96等，规格太多项目 HVDC 传统UPS HVDC相比传统UPS优模块容量规格参照48 Vdc，目前只有10/15/30/50/100 A等，开关电源刚开始时曾有的200 A/25 A/75 A等现在几乎淘汰，建议HVDC采用5/10/20/30/50 kW的模块，达到系统容量10～500 kW，能满足核心机房的需求目前，从单机数百VA到数百kVA，容量规格太多优机架标准化输出配电器件选用采用模块化设计，可以采用国际通用19英寸或者23英寸标准机架，有利于整体机房布局美观空气开关、熔断器、接触器(继电器)、接插头需要能工作在高压直流，不方便选用，成本也高出一般交流产品目前市面上UPS外形尺寸各种各样，没有统一规格，外观很难融入主设备机房 优低压电器产品可选择品牌型号多，获得非常容易，成本低 劣输出配电安全 高压直流有被人触摸而造成电击危险，高压直流断开时容易拉弧，易造成火灾高压交流同样会因被人触摸而造成电击危险，但交流拉弧较弱，不易造成火灾 劣对用户设备电源的好处负载重的电源可以省去PFC电路，以及对电网浪涌的吸收器件，负载内电源成本降低 现成，无需改动 优对用户设备的新要求 高压直流输入，对保护电路和接插件要求较高 要求现成，无需改动 劣

4 结束语

HVDC供电相对于传统UPS供电，不但可靠性高、效率高、节能成效显著，而且特别适用于负载重的机房。该技术可推广性强，适合通信机房新建及改造。HVDC供电方式将逐步成为通信运营商机房一种新的供电模式，有理由相信，HVDC供电系统必将为我国通信网络技术的发展发挥其应有的作用。

［1］朱雄世.国外数据通信设备高压直流供电新系统［J］.邮电设计技术，2009，4:68-69.

［2］魏子良.直流不间断电源VS交流不间断电源—通信电源供电标准的选择［S］.通信技术与标准，通信电源，2006:30-31.

［3］李成章.在信息网络技术推动下的产业发展动向［J］.电源技术应用，2008，5:16-18.

［4］刘凤君.开关电源与UPS革命［J］.电源技术应用，2007.3:2-3.

［5］朱雄世.数据通信电源现状和高压直流供电新系统［C］.中国通信学会2008年通信电源学术研讨会论文集，2008:52-56.

［6］刘宝庆.数据通信设备供电系统标准化［J］.通信技术与标准，2006年通信电源专刊，2006:53-55.