我国高压直流供电技术应用探析

焦金涛，李宝岩，杨 博

（吉林吉大通信设计院股份有限公司，吉林长春130012）

1 概 述

随着我国通信行业的高速发展，数据业务的快速增加，通信局站的UPS使用量大增，系统的可靠性和维护的简便性越来越受到关注，而UPS在这两方面均存在很多问题。尽管出现了双总线UPS供电系统，增加了UPS供电的可靠性，但随之又加大了机房使用面积同时增加了设备投资，也造成了能源浪费。

采用高压直流供电可以大大提高供电的可靠性，并且实现节能减排。高压直流供电系统有效地避免了交流UPS系统因冗余配置而导致系统效率低的问题，而且高压直流只存在一次变换，与交流UPS系统比较而言，大大提高了供电系统的效率。不仅如此，高压直流供电系统的投资量小，可维护性高，与交流UPS相比较为安全［1］。

2 交流UPS供电存在的问题

随着通信网络和业务需求的不断发展，通信设备对电源安全供电的要求也越来越高。长期以来，使用交流电源的通信设备均由交流UPS设备供电，但交流UPS电源系统存在着单点故障点的问题且始终没有得到很好的解决，因交流UPS电源系统故障而引发的通信事故时有发生，给通信维护部门带来了严峻的考验。目前交流UPS供电存在的主要问题有如下方面。

2.1 交流UPS供电的缺点

因为交流电的电压方向、幅值每时每刻都在发生变化，当采用多台UPS并机输出时，就必须保证并机的每台UPS输出的相位、频率、幅值相同。在需要切旁路时，为了保障不间断供电，就必须保持对市电的相位、频率、幅值的跟踪和同步。当市电发生大范围变化时，其各种参数总会在一定范围内波动，因此UPS系统也在不断的调整输出参数。这种设计在理论上没有问题，但在实际应用中，随着市电的不断变化，以及电子元器件的老化，尤其是采集模块的零点漂移，往往会在切换时造成中断。这种中断在以往的案例中屡见不鲜，给数据中心的设备运行带来了巨大的影响。

2.2 交流UPS电源资源的浪费

由于并机的复杂性，尽管众多厂家声称可多台并机，有的甚至可以达到8台。但在实际应用中，UPS并机系统并机的台数都不会太多，一般为1＋1或者2＋1，也就是2～3台。而为了保持系统的冗余，在一台机器出现故障时系统依然能够供电，这就要使得每台UPS平时的负荷率保持在较低的水平，如对于一套UPS（1＋1）系统为50%，2＋1系统为66%，如果再考虑到负荷的可能突变，同时减少设备的故障率，这时系统就必须要保持一定的裕度，按系统80%的容量计算，实际上每台UPS的负荷率只有40%～55%左右。而为了提高供电可靠性采用的双总线UPS系统，实际每台的平时最大负荷率也只有40%～50%，在有些双总线UPS系统中，为追求更高的可靠性，最大负荷率甚至只有20%～25%。

2.3 安全供电存在单点故障瓶颈

因为UPS输出的是交流电，而作为备用蓄能的蓄电池，输出的是直流电，因此UPS系统的蓄电池不能直接供电给负载，必须通过逆变模块变成交流电输出。这样，供电的持续性就取决于UPS系统的稳定性，如果逆变模块损坏，即使蓄电池有充足的电量，也不能供电给负载。

交流UPS存在诸多问题，因此对替代供电系统的研究日益繁荣，业界内大力推荐的高压直流供电系统也渐渐形成规模。

3 高压直流供电技术原理

高压直流供电系统的组成与传统的-48 V直流供电系统的组成一样，只是整流器的输出电压等级较-48 V高。系统由市电输入、高频开关整流器、配电屏、蓄电池组组成。和-48 V直流供电系统一样，高压直流供电系统也是采用全浮充供电方式，即开关电源架上的整流模块与两组电池并联浮充供电。系统组成如图1所示。

图1 高压直流供电系统组成框图

高压直流供电系统具有如下特性：

（1）安全特性。采用高压直流供电技术与交流供电系统相比较，220 V／50 Hz交流电源对人的危害大，采用直流电时电击危险程度约为50 Hz交流电的40%，故直流供电较为安全［2］。

（2）可靠性。采用高压直流技术另一个优点在于提高了供电的可靠性。这可以从三个方面体现：①采用高压直流供电技术，蓄电池可以作为电源直接并联在负载端，当停电时，蓄电池的电能可以直接供给负载，确保供电的不间断。②采用高压直流供电技术只有电压幅值一个参数，各个直流模块之间不存在相位、相序、频率需同步的问题，系统结构简单，提高了供电系统的可靠性。③采用高压直流供电技术能够消除交流UPS供电系统中并机板的单点故障问题，提高了整个系统的稳定性。

（3）节能特性。①高压直流供电技术和交流UPS系统相比较，直流供电省掉了逆变环节中的损耗在5%左右；②由于服务器输入的是直流电，不存在功率因数校正与谐波治理问题，降低了整个回路中的线损。避免了交流UPS系统中的频率跟踪及相位锁相问题，降低了电路的复杂程度，减少了相应的损耗；③可采用大量的模块并联，使直流供电的每个模块的使用率可达到70%～80%（交流UPS平时最大负荷率只有20%～25%），提高了整个电源供电系统的效率，使供电系统节能20%～30%［3］。

（4）可维护性。高压直流技术中采用了整流模块组合成供电系统。当整流模块出现故障时维护人员可以随时更换模块，提高了可维护性。与交流UPS供电系统相比较，UPS系统中不仅存在着单点故障，而且当某台UPS出现故障时维护时间比较长。而高压直流整流模块随时可以更换，不影响整个系统的正常运行。

（5）经济特性。从经济方面比较，交流供电由于要采用UPS设备（系统）冗余的方式，投资增加；而直流供电则采用n＋1模块式结构，在具有相同的可靠性指标时，直流供电可节省投资30%～40%。

4 我国高压直流供电技术的应用

IT设备高压直流供电取代UPS是明显的趋势。标称电压为240 V、300 V、336 V、350 V的直流供电系统，适用于通信局站和数据机房中向交流输入电压范围为110～240 V的通信设备供电。目前中国移动主推336 V的直流供电系统，中国电信主推240 V的直流供电系统。

4.1 中国移动主推336 V的直流供电系统

近几年世界各国的企业和实验室进行了大量的高压直流供电技术试验和技术研究，尽管各方试验电压不尽相同，但系统效率提升和可靠性提升的结论是一致的。中国移动2009年开始进行高压直流研究和试点，试点地点选择在深圳罗湖邮政楼。经测试，性能指标达设计要求，运行稳，节能效果明显。2011年开始在内蒙古、辽宁等省进入实用运行仓储式机房。

仓储式机房采用336 V直流供电系统结合磷酸铁锂电池全分散供电模式，服务器采用336 V／12 V嵌入式电源供电，如图2所示。

4.1.1 磷酸铁锂电池全分散供电模式

全分散供电模式架构特点：采用336 V直流电源；电源系统分散下沉到机架列间，节约电力电池室；靠近负载，架构简洁，配置灵活，更为可靠节能；提高装机灵活性，电源与业务同步成长。它由电池柜、电源柜、配电柜三部分组成，相比传统“1＋1”UPS系统，效率从85%提高到96%；相比“N＋1”UPS系统，效率从91%提高到96%。

图2 336 V／12 V嵌入式电源供电

磷酸铁锂电池优点：大电流充放电性能好、循环寿命长、耐高温、体积小、重量轻（仅为铅酸电池的1／4）、无记忆效应、原材料环保。它与高压直流电源配合，供电结构简单，可靠性高，占用空间小。

4.1.2 336 V高压直流系统的优势

系统可靠性高：系统简单，易于避免单点故障，维护难度小。

系统简单、成本低：能源一次转换、系统简单、谐波含量很低，系统接地要求简单；蓄电池充放电管理好，电池寿命长。

可扩展性好：系统扩容简单方便，可扩性很好；冗余设计容量小，为N＋1（备用模块）。

效率高：能源转换次数降低，效率高；系统简单，购置成本低；高效环保，大大节约运行成本。

4.1.3 存在的问题

全分散式供电依赖于锂电池的成熟度，从目前来看，锂电池的安全性和寿命还有待进一步验证，尤其是在机房的应用需要进一步的测试和研究。

4.2 中国电信主推240 V的直流供电系统

自2000年以来，中国电信开始在广东、上海、北京等城市进行大型数据中心的建设，并针对交流UPS电源故障和安全事故频繁发生的情况，开始第一次探索交流UPS电源的可用性和存在的问题。2004年中国电信发布了一个特殊的数据中心供电问题的能力和环境报告，反映了交流UPS电源不能满足通信电源的可靠性要求的实际情况，引起国内通信行业的高度重视。

为了选择一个安全的，又考虑到现有的通信电源、电池、配电装置和服务器装置适应性的电压等级，中国电信行业专家一起进行了广泛的分析、交流和讨论，从直流380 V到220 V都列入了探讨范围。通过广泛的研究和试验，衡量尺度，综合考虑，确定直流电源系统的额定电压为240 V。其供电系统图如图3，主要技术参数见表1。

图3 240 V直流供电系统

表1 240 V直流供电系统主要参数

电压的选择反映了在不改变服务器电源状态的情况下，直接向交流服务器提供电源的思路，无论从设备、维修人员的安全和电池、电源分配单元和服务器的电源单元的匹配达到理想的状态，都最大限度地减少服务器对电力产业链的影响。正由于此，中国电信决定使用240 V直流，提出了240 V直流电源系统的供电体制。

240 V直流供电系统的优势：可靠性从63%提升到90%；模块转换效率在94%以上，比传统UPS高很多。电压低于300 V耐压标准，满足主流器件要求，不需改变原有器件；原有服务器电源模块完全可以继续使用，使用成本没有增加，推广极为便利。

5 高压直流供电技术规模化发展策略

5.1 建立完善的标准体系

中国通信标准化组织（CCSA）十分重视在中国的第一个高压直流输电技术，与中国电信股份有限公司一起组织编写了关于240 V直流电源系统的一系列通信行业标准。包括有YD／T 2556-2013《通信用240 V直流供电系统应用维护技术要求》、DT2378-2011《通信用240 V直流供电系统》、YDB037-2009《通信用240 V直流供电系统技术要求》、YD／T2555-2013《通信用240 V直流供电系统配电设备》等。可见，中国已在行业中最早建立一套完整的用于高压直流电源系统的通信供电标准体系。

5.2 形成完整的产业链

为了在我国通信行业实现高压直流电源技术的商用，不仅要开发高压直流电源产品，还要对高压直流电源系统的配套产品进行研究、开发、测试、维护和使用，同时要为IT设备如服务器、路由器安全使用高压直流电源提供验证检测平台。

经过几年的努力，中国已经形成了高压直流电源系统的一个完整的通信产业链，并有大量的高压直流电源核心的专利，具有很强的发展潜力。

6 结束语

将通信用高压直流供电系统引入通信系统，有效地解决了UPS系统存在的可靠性低、使用效率低、维护困难、前期投资大、资源占用大的问题，并且高压直流供电系统具有相当显著的节能效果，在当前节能减排日益重要的情况下，更值得大规模推广。目前，电信、联通、移动及腾讯、阿里、百度等运营商和大型互联网企业已大规模应用高压直流供电系统。随着高压直流供电技术逐步推广，从我国现有UPS电源规模来看，意味着近几年内还要增加数千套高压直流电源系统，可见高压直流电源将会成为通信电源新时代的主力军。

［1］ 魏 华，衣 斌，柳 蕊.数据中心高压直流供电架构的优化研究［J］.通信电源技术，2014，31（3）：178-182.

［2］ 赵汝辉，尚尔明.高压直流供电在通信机房中的应用分析［J］.科技与企业，2014，07：338-340.

［3］ 曹军伟.240 V直流供电在数据中心的应用方案［J］.电源世界，2014，02：51-52.