关于高压直流供电系统的研究报告

蒋 威

（湖北移动设计中心，湖北 武汉430014）

1 概 述

随着通信产业的高速发展，互联网等数据设备集成度大幅度提高，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交流220 V供电方式，使得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供电系统存在结构复杂、安全性能差、投资大、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。为此，通信行业还确定了行业技术报告——《通信用240 V直流供电系统技术要求》。

2 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的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10 kV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220 V，即一种HVDC供电系统。这种高频开关电源系统与现有－48V通信电源系统结构基本相同，并在国家电力行业已广泛使用十多年，是现有的一种产品技术成熟度很高且完全国产化的高压直流供电系统。目前一些通信电源生产厂家同时也生产电力操作直流电源，通信用240 V直流电源产品在上述系统基础上略加改动即可达到通信行业使用标准的要求，且国内已有厂家提供并成功运行通信用240 V直流电源产品。

对于中大型UPS，由于后备电池电压往往达到400 V或更高，这使得UPS主机对蓄电池管理的难度很高，导致UPS特别是大容量的UPS几乎都是国外原装进口品牌，国内厂家仅能提供中、小容量产品，其技术成熟度较低。

（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。如图1所示，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。简单的结构，就意味着高效和可靠。经过了数十年的实际运行，证明模块化设计的直流供电系统是最安全可靠、最简单的电源系统。同时直流供电系统的模块化设计使得该系统还具有扩容及维护方便的特点。

另外UPS厂家之间甚至同厂家的不同型号之间主机并机冗余性差，后备电池的电压要求也不同。这些都让传统UPS系统扩容难度也相应增加，安全可靠性大大降低。

（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。虽然通过UPS系统冗余并机技术也可以提高系统的安全可靠性，但与N＋X模块化配置和蓄电池直接作为后备电源的HVDC系统相比还是要低一些。

图1 两种供电系统结构框图

（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，所以按照现在的运行状态和维护模式，常常会发生巨大灾难的“掉电”事件。相比之下，如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多。

（5）效率及节能

随着“节能减排”成为全国各行业长期的工作重点，通信行业近年来也开展了大量的节能降耗试验和推广工作，其中进一步提高通信电源的供电效率也是节能降耗不可忽略的一个部分。

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系统有较大提高。

图2为高压直流系统和传统UPS系统中各部分理论效率情况图。

图2 两种供电系统的效率对比

由图2可知HVDC主机比UPS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。故采用HVDC系统代替UPS系统在“节能减排”方面也具有重要的意义。

（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次性建成满足远期需要的方式，这就造成工程建设的一次性投资大的问题，而且当年投资效益也很低。两者投资对比见表1。

表1 新建90 kVA UPS系统与新建同等功率高压直流系统投资对比表 （单位：万元）

通过表1的对比，说明同功率的两种供电系统，HVDC系统建设成本比UPS系统低很多，一般情况下可节约成本40%以上，而且系统容量越大成本节约效果越好。如通过改造方式利用原有UPS后备蓄电池组工程建设成本还可大幅度降低。

另外，UPS系统采用两台主机构成双路供电来解决这些单点故障时，其对机房占用面积和投资的需求也大幅度增加，同时也增加了扩容的难度。

3 HVDC系统在通信行业应用的可行性

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（图3），一般服务器的电源输入电压要求为198V～242V（即220V±10%）时，理论上，U0＝ 0.9，故Uo值的范围是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端直接传到CD端。若不考虑整流管的自身损耗，则Ui≈Uo。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20只×14.1V＝282V，远小于现在IT设备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发热量更大，其整流部分的故障率也就不会提高。

图3 两种电源的工作简图

在应用实例方面，中国移动通信集团苏州分公司从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，使用期间设备运行良好。

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。

4 HVDC系统组成及技术指标

通信用240 V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。

（1）通信用240 V直流电源系统主要技术指标

a.系统效率应满足表2的要求

表2 系统效率要求

b.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。

（2）蓄电池配置

a.单组电池个数（如表3）

表3 单组电池个数

b.蓄电池选择：宜选用铅酸蓄电池。

c.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，最多不宜超过4组。

（3）整流模块配置

a.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。

b.整流模块数量配置按负载电流加上0.1C10的充电电流计算，采用N十1冗余配置，其中N个主用，N≤10个时，1个备用；N＞10个时，每10个备用一个。

c.高频开关电源系统宜具备模块体眠功能。

（4）系统采用悬浮方式供电

a.系统交流输入应与直流输出电气隔离；

b.系统输出应与地、机架、外壳电气隔离；

c.使用时，正、负极均不得接地；

d.系统应有明显标识标明该系统输出不能接地。

（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：

a.绝缘监察装置应能显示接地极性；

b.绝缘监察装置应能发出告警。

（6）系统可靠性（MTBF）

系统可靠性MTBF≥5×104。

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。

5 HVDC系统的注意事项

（1）系统接地型式

传统的－48V直流供电系统采用正极接地方式，该系统的低电压和人体电阻因素，维护人员触及蓄电池的负极时形成的电流很小，一般并不会发生触电事故。但如果通信用240V直流供电系统也采用一极接地方式，人触及到未接地的一极时，由于该系统的工作电压（浮充状态下）高达270V，电流通过大地形成回路，将发生电击事故。如果系统不接地，两根导线对地悬浮，人体触摸其中一个导线或者电池某个端子时，虽然可能会存在一定的容性电流，但该电流很小，而且电流不能通过大地形成回路，可以避免在人体产生持续电流进而触电。因此，通信用240V直流供电系统需采用对地悬浮即不接地系统，同时要求整流模块的输入与输出应进行隔离。

（2）系统绝缘问题

通信用240V直流供电系统是对地悬浮系统，当某一极供电线路出现绝缘降低或接地故障后，由于接地电流较小，断路器不会断开，系统仍能继续运行。虽然发生一极接地并不引起严重危害，但由于系统不能及时发现该故障，如果此种情况长期运行，就有可能造成大的事故。因为此时若再发生另一极接地，就将造成直流短路。更严重的是，如果在一极发生绝缘度降低或接地后，有人在维护的时候触摸了另一极或者电池端子，那将造成电击事故，有可能造成人身伤亡。因此，通信用高压直流供电系统要求配置绝缘监察装置，监视系统正负母线对地绝缘状况。绝缘监察装置还需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，绝缘监察装置需显示接地极性并能发出告警，便于运行维护人员对供电回路的绝缘故障进行判断、查找和处理。

（3）断路器的使用

直流断路器的触头接通和长期承载电流的性能与一般交流断路器相似，但交、直流断路器分断电流的性能差异较大。交流断路器分断时产生的交流电弧每秒钟有2f（f为电网频率）次经过零点。通过近极效应，使电弧熄灭。交流断路器只要解决电弧重燃问题。而直流断路器分断时产生的直流电弧恒定不变，电流愈大，时间常数愈大，电弧就愈难熄灭。

交流断路器如作为直流电路的保护元件，由于交流电流的电弧容易熄灭，故其断路器的动静触头之间的开距小，不能达到拉弧作用，灭弧室的工作原理也不尽相同，用于交流时的短路整定电流是不能适应直流的技术要求，因直流瞬动电流是交流瞬动电流的1.4～2倍。根据试验资料得知，如额定电流Ie＝32A，交流瞬动电流值10Ie＝320A。可断开交流电路，同样电流用在直流回路则不能动作。

由于电压比较低，灭弧相对容易，所以传统－48V系统中使用的交流型开关没有太大问题。但是对于通信用240V直流供电系统，其电压比较高灭弧会困难很多，此时决不能使用普通的交流型断路器。所以对于通信用240V直流供电系统，配电设计及使用末端断路器时要选用专门针对直流设计的直流型断路器。

另外，对于通信用高压直流供电系统，由于输出正负极均未接地，因此两极都应安装开关。而且由于直流电压较高，一些单极的断路器往往达不到这个电压等级的要求，必须采用串联多极来分担分断电弧电压。图4为两个常见微型直流断路器品牌的部分产品性能指标。

图4 两个常见微型直流断路器的部分性能指标

（4）通信设备电源接线标准

目前IT服务器类设备的电源普遍采用全波整流方式，因此，从理论上说，直流系统的正负极和设备的输入L，N极无需严格的采用某种对应关系。但是，从管理的规范、运行的安全及维护的方便考虑，应尽量采用统一的对应关系。对于一些比较老的服务器设备，其电源有可能采用半波整流方式，如果这样，上述接线方法可能使服务器电源无法正常工作。故在《通信用240 V直流供电系统技术要求》中要求通信设备电源接线标准采用直流输出“正”极对应于设备输入电源线的“N"端，直流输出“负”极对应于设备输入电源线的“L"端，设备输入电源线的“地”端与系统保护地可靠连接，以保证服务器电源的正常工作（见图5）。而且为确保设备在采用直流供电后能正常工作，在设备上架前，应先对设备进行检测，待检测设备能正常工作后再上架运行。

图5 设备机架内插座接线示意图

6 结 论

由于通信用240 V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，在进行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240 V高压直流系统容量也不宜做得太大，一般不超过600 A（相当于－48 V系统容量3 000A）。

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的应用起来，从而切实提高IT服务器类设备的供电可靠性，还需要众多的电源工作者付出更多的努力。

［1］ 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.

［2］ 朱世雄.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.

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

［4］ 朱世雄.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.