通信行业数据机房采用高压直流供电模式的探讨

马也骋

（浙江邮电职业技术学院，浙江 绍兴312016）

随着使用交流电源的通信设备种类的增多、容量的增大，UPS供电系统被广泛地应用于各运营商的通信局站中。UPS的大量应用不仅加剧了通信局站的供电压力，增大了安全隐患，也加大了设备维护工作量。尽管双总线UPS供电系统的出现增加了UPS供电的可靠性，但随之又加大了数据中心机房使用面积及增加了设备投资，因此，找到一种新的供电系统取代UPS供电系统，才能消除人们的顾虑。

1 通信机房高压直流应用背景

目前，通信大楼主要有两种电源供电方式：－48 V直流电源系统；220 V交流不间断电源（UPS）系统。

交流UPS在各通信运营商的IDC机房中得到大量应用，并且在应用中不断暴露出其自身的缺陷：a.系统复杂、可靠性差；b.系统标准化差，且灵活性和可扩性不高；c.输入电流谐波较大；d.系统维护难度大。大容量的交流UPS系统故障所造成通信阻断的案例时有发生。为了彻底有效地解决上述问题，有必要采用一种新的供电系统来取代交流220 V不间断电源系统，本文将针对高压直流（HVDC）供电系统在今后数据机房的应用进行探讨和分析。

2 电源系统建设方案的选择

2.1 UPS电源系统

长久以来，在IDC机房的电源系统建设中UPS系统是唯一选择，随着IDC业务迅猛的发展，越来越多的UPS系统上线运行，但UPS系统存在的弊端却一直无法解决。UPS系统故障造成的通信阻断事故频繁发生，给客户、运营商甚至社会造成重大的经济损失和负面影响。并且现在很多使用UPS的机房为无人值守机房，一旦发生故障，恢复时间较长，影响大。

2.2 高压直流电源系统

众所周知，高压直流电源系统有着生产技术成熟、可靠性高、维护操作简易、转换效率高、在线扩容简单等优点，在IDC机房供电领域，通信业界一直在探讨采用高压直流系统来代替UPS系统。在国内，电信标准化协会于2009年通过了 YDB 037－2009《通信用240 V直流供电系统技术要求》研究报告。

目前，国内江苏电信已有多个IDC机房、多套核心IT系统和业务平台改用高压直流系统进行供电。从江苏电信提供的统计数据显示，用高压直流替代UPS供电，在UPS整个生命周期内平均节能20%～30%；从新建系统统计分析，新建高压直流系统平均节省投资大于40%。高压直流系统结构简单，生产技术更成熟，其系统安全性相对UPS有很大提高，并且维护操作方法得到简化。

在综合对比高压直流电源系统与UPS电源系统的优劣及电源设备初期投资之后，采用高压直流系统为IDC机房进行供电，既提高电源系统的稳定性，也积极响应了国家的节能减排号召。

3 选用高压直流供电系统的原因

通信用直流供电系统是使用与维护人员信赖的电源种类，通信电源是通信负载的能源供应源泉，是通信设备的“心脏”，重要程度不言而喻。随着通信事业的不断发展，通信负载对电源系统的要求越来越高，通信电源系统安全可靠稳定的运行是重中之重。许多事故都与UPS供电系统有关，要想从根本上消除因使用交流不停电供电系统（UPS）而存在的隐患，采用高压直流供电系统代替交流UPS供电系统是很好的解决途径之一。实践证明使用直流供电系统比使用交流供电系统有安全可靠性、可维护性、运行效率等方面的优势。因此，业界人士越来越希望更多地使用直流供电系统代替交流UPS供电系统为通信负载供电，这已是大势所趋。

3.1 高压直流供电模式的工作原理

HVDC系统主要由交流配电单元、整流模块、蓄电池、直流配电单元、电池管理单元、绝缘监测单元及监控模块组成。正常工作情况下，整流模块将交流配电单元输出的380 V交流转换成240 V高压直流，高压直流经直流配电单元给通讯设备供电，同时也给蓄电池充电。当交流输入发生故障时，由蓄电池给通讯设备供电，原理图如图1。

3.2 高压直流供电系统的功能特点

（1）交流配电单元：交流配电单元是将两路市电，经自动或手动切换分配到各个整流模块；并配有C、D两极防雷保护系统。

（2）整流模块：整流模块是系统的核心部分，它将交流变换成直流（AC/DC），给负载供电，同时对电池充电。

图1 HVDC系统工作原理图

（3）电池组：保证交流停电时，提供不间断直流供电。电池数量120节2 V电池。

（4）直流配电单元：直流配电单元是通过直流空开或熔断器输出到列头柜，再由列头柜输出到各服务器，给服务器提供直流电源。

（5）监控模块：监控模块是整个系统的“大脑”和“眼睛”，完成各单元实时运行情况的监测和处理。

（6）电池管理单元：电池管理单元可实时检测每节电池的端电压、电池组内阻、电池组端电压、充放电电流和温度等参数，并上送给监控模块，保证电池组随时处在正常工作状态。

（7）绝缘监测单元：绝缘监测单元可对直流母线、输出分路对大地的绝缘状况实时监测，保证操作人员的人身安全。

3.3 高压直流供电技术的优点

高压直流供电就是采用高压直流电源（区别于常用的－48 V）直接对采用220 V交流输入电源的设备供电，采用该技术后，电源系统将具有直流电源系统本身的优点。

3.3.1 技术方面

（1）可靠性大幅提升

高压直流供电技术引入的主要目的就在于提升系统的安全性。UPS系统本身仅并联主机具有冗余备份，系统组件之间更多是串联关系，其可用性是各部分组件可靠性的连乘结果，总体可靠性低于单个组件的可靠性。反观直流系统，系统的并联整流模块、蓄电池组均构成了冗余关系，不可靠性是各组件连乘结果，总体可靠性高于单个组件的可靠性。理论计算和运行实践都表明，直流系统的可靠性要远远高于UPS系统，一个例证就是大型直流系统瘫痪的事故基本没有。

（2）节约能耗

目前大量使用的UPS主机均为在线双变换型，在负载率大于50%时，其转换效率与开关电源相近。但一个不容忽视的现实是，为了保证UPS系统的可靠性，UPS主机均采用n＋1（n＝1、2、3）方式运行，加之受后端负载输入的谐波和波峰因数的影响，UPS主机并不能满足运行，通常UPS单机的设计最大稳定运行负载率仅为35%～53%。而受后端设备虚提功耗和业务发展的影响，很多UPS系统通常在寿命中后期才能达到设计负载率，甚至根本不能达到设计负载率，UPS主机单机长期运行在很低的负载率，其转换效率通常为80%多，甚至更低。

对于直流电源系统而言，因其采用模块化结构，可根据输出负载的大小，由监控模块、监控系统或现场值守人员灵活控制模块的开机运行数量，使整流器模块的负载率始终保持在较高的水平，从而使系统的转换效率保持在较高的水平。

（3）输入参数大大改善

现场测试发现，目前常用的12脉冲在线双变换型UPS主机，加装11次滤波器后，其输入功率因数通常在0.8～0.9，最大仅为0.95，输入电流谐波含量通常在7.5%左右。

与此对应，由于PFC电路的应用，额定工况下，开关整流器模块的输入功率因数通常都在0.99以上，输入电流谐波含量通常在5%以下。

输入参数改善的直接效果是，前端设备的容量可以大大降低，前端低压配电柜可以不再配置电抗器，从而也可以降低补偿电容的耐压要求。

（4）带载能力大大提高

UPS系统带载能力受两个因素的制约，一是负载的功率因数，以国内某大型UPS厂商的某型主机为例，在输出功率因数为0.5（容性）时，其最大允许负载率仅为50%；二是负载的电流峰值系数，通常UPS主机的设计波峰因数为3，如果负载的电流峰值系数大于3，则UPS主机将降容使用。

对于直流系统而言，不存在功率因数的问题；因其并联了内阻极低的大容量蓄电池组，加之整流器模块有大量的富余（充电和备用），其负载高电流峰值系数的负荷能力很强，不需专门考虑安全富余容量。

（5）割接改造更为方便

对于采用UPS供电的设备来说，除非其采用双电源（或四电源、六电源），或专门配置有STS设备，否则通常只能采用停电方式割接。这对于重要系统来说是难以忍受的，更为麻烦的是，一些没有厂家支撑的老型设备，很有可能存在停机不能重启的现象。

直流电源只要做到输出电压和极性相同即可连接到一起，从而实现不停电割接，而且非常容易做到。

3.3.2 建设投资方面

电源系统投资包括UPS电源（高压直流）、前端电源（市电、油机）、机房三个部分。以某运营商最近完工的一个机房为例进行对比分析，该机房同层布置4套400 kVA1＋1 UPS系统，采用高压直流供电，需5×4套50 kW系统。

（1）UPS电源（高压直流）部分

采用UPS方案每套系统的投资大约为250万元，采用高压直流供电时5套直流系统投资约160万元。直流系统投资仅是UPS方案的2/3，究其原因，主要是没有UPS柜，并且其仅有交流整流输入电缆，没有旁路回路电缆。

（2）前端电源部分

粗略测算，采用高压直流方案，市电和油机供电系统约可减少20%～25%。

采用UPS方案和高压直流供电方案，所需占用的机房面积基本相同。但是采用高压直流供电方案时，开关电源安装区域机房荷载要求大大低于UPS机房，粗略测算，机房土建成本约降低10%左右。对以上投资加权后，采用高压直流供电方案总投资降低约30%。需要说明的是，采用高压直流供电方案，不仅电源系统可分期建设，系统的电源模块也可根据需要分期建设，考虑投资折现率后，高压直流供电方案的投资节约率将更加明显。

3.3.3 运维成本方面

运维成本主要包括电费成本和维修成本，由于转换效率的提高，高压直流供电将大大节约电费成本。在维修成本方面，高压直流供电采用的整流模块化结构，现场替换非常方便。模块除厂家外，一些通信支撑企业也可维修，维修价格在一定程度上可由市场决定。

4 高压直流技术应用前景分析

虽然高压直流供电技术具有很多优点，但电源技术的大规模商用是一个系统工程，涉及到后端用电设备、技术标准、产业链保障等方面，只有这些方面同时具有可行性，高压直流供电技术才可能得以大规模应用。

4.1 高压直流技术应用现状

目前对高压直流供电的应用，总体情况是电信运营商非常热衷，热切希望大规模高压直流供电，与电源系统厂商一起进行了大量了理论研究，国内业界已就包括高压直流供电电压、接地方式等关键问题达成了共识，高压直流供电已在部分本地网进行了试点。

与之形成鲜明对比的是，到目前为止，后端IT设备还没有针对高压直流供电的电源技术标准，也没有大型IT厂商宣布支持后端设备高压直流供电。

高压直流供电有多种电压可供选择，因为缺乏后端设备厂商的响应，国内高压直流供电的思路均是基于不对后端用电设备进行改造，供电电压的选择就必须保证在电源系统各种运行模式下，后端设备均可正常工作。目前国内业界对高压直流供电的标称电压已达成共识，即选用240 V电压等级。

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4.2 制约高压直流技术大规模应用的主要因素

（1）后端设备的适应性

从目前运营商的试点情况来看，尽管采用单相UPS电源供电的后端设备绝大多数都支持高压直流供电，高压直流供电基本可保障后端设备的运行。但高压直流供电毕竟不是后端设备的电源标准，采用高压直流供电实质上是改变了设备电源的标称运行环境，因而对运营商而言存在较多的风险。

技术风险：使用UPS电源供电的后端设备种类繁多，从目前运营商的试点情况来看，还是有部分设备不支持高压直流供电。对于具体的设备能否支持高压直流供电，能否在高压直流供电的额定输出电压、最低输出电压、最高输出电压下正常运行，只能针对具体设备进行电路分析和实验。对于在高压直流供电下能正常运行的后端设备，也需要用时间来检验其寿命是否会发生变化。

法律风险：改变设备的电源运行环境，实质上是改变了采购合同约定的运行条件，如后端设备发生故障，运营商将处于较为不利的法律地位，面临着较大的风险。同时，对于高压直流供电最大应用场合的IDC机房，运营商通常与客户签订有严格的SLA（服务等级协议），供电电源的改变也会将运营商推向不利的地位，一旦客户托管设备发生故障，尤其是涉及到对服务连续性极为敏感的金融、大型SP等客户时，双方可能陷入长时间的纠纷，或以运营商的让步而告终。从现网试点情况来看，运营商普遍的心态还是感觉“高压直流电源稳定可靠，不会出现问题”，还没有从法律层面认真思考可能遇到的法律纠纷。

（2）电源系统的定型与量产

高压直流供电还没有相应的技术标准，仅有工信部近期拟推出通信标准类技术报告《通信用240 V直流供电系统技术要求》，对高压直流供电技术进行引导。因缺乏技术标准和大规模商用实践的支撑，目前国内电源厂商的高压直流供电产品设备还没有定型，更谈不上量产，都是通过订单定制方式生产。

（3）配套器件

高压直流供电涉及的元器件中，整流器模块所需的功率电子器件、电容、变压器等器件较为通用，供应不存在任何问题，但熔断器、断路器等配电保护元件就较为匮乏。

高压直流供电系统日常运行电压（浮充电压）即已达到270 V，普通熔断器均为交流熔断器，已不能支持这一电压等级，只能选用专用的直流熔断器，但目前直流熔断器生产厂家很少，市面上也难以见到。

断路器的情况要好一些，普通热磁脱扣型塑壳断路器单极工作电压可达250 V，ABB、施耐德等大型厂商也可提供直流工作电压达220 V的微型断路器，这两类断路器双极使用时工作电压均远远高于高压直流系统可能的最高电压（均充电压）288 V，可为高压直流系统保护，但应用时也存在较多的问题：

a.技术问题。整定值易漂移；塑壳断路器安装尺寸较大；微型断路器易被碰刮误断、整定值通常不能调整、分断短路电流小。

b.商务问题。产量较小，价格较高，供货周期长。

（4）监控系统

如要大规模商用，高压直流电源系统必须纳入动力环境监控系统，开关电源系统的监控与－48 V直流电源相同，没有任何困难，但配套电池组目前还没有厂家可以提供专用的240 V电池组监控单元和配套的软件子系统。

4.3 高压直流技术应用的推进

制约高压直流供电技术大规模应用的因素还有很多，根本原因还在于后端设备高压直流供电没有标准化。鉴于后端设备不仅仅是IT设备，还应包括大部分其他行业设备。仅仅依靠通信行业的力量难以有效推动电源标准的改进，应该积极推动全社会对高压直流供电的认知，进而产生体现国家意志的法律、规章和技术标准，推动使用高压直流供电的IT设备的大规模生产和应用。在后端设备具备高压直流供电的条件，并大规模商用后，电源系统的标准化将迎刃而解。市场这只无形的手将推动前端电源零部件及整机厂商全力进行研发和生产，现阶段前端电源系统存在的种种制约将不复存在。

5 总 结

本文研究高压直流供电系统在数据机房能否得以广泛应用，这对通信业务的节能高效运行，并且提供更强有力的安全保障具有重要意义。经过分析研究，得出以下结论：

（1）从技术上来说，高压直流电源系统由于其拓扑简单、扩容方便等特点完全可以取代效率低要求高且存在安全隐患的传统UPS。

（2）从其优势上分析，它具有可靠性高、效率高、扩容便捷、不存在“零地”电压等不明问题的干扰。

（3）在市场应用前景上，虽然它在理论分析中确实存在不小优势，不过它至今未能更广泛地在各运营商中得到肯定，究其原因主要还是在后端设备的适应性，电源系统的定型和量产，配套系统，监控系统上没有得到相应配套方案。

高压直流供电目前还在试验探索阶段，离真正的大规模市场化应用还有一段距离，但是从机房节能增效的角度来说，高压直流供电是电源技术发展的方向。相信以后随着高压直流标准的制定，以上的缺点和面临的困难都会得以解决，高压直流供电技术会得到更广泛的应用。

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