240 V高压直流供电技术在通信行业的应用

2014-03-05衣斌朱宏韬赵永为陈硕

电源技术 2014年12期

衣斌，朱宏韬，赵永为，陈硕

(北京电信规划设计院有限公司，北京100044)

随着数据通信和互联网业务的发展，通信设备对电源安全供电的要求也越来越高，而且随着数据机房规模的扩大，其用电量也大大超过了传统的交换、传输等通信业务。数据机房通常采用UPS系统供电，其可靠性和能源消耗等问题随着UPS设备应用规模的扩大越来越突出。交流UPS供电存在诸多问题，因此对可替代交流UPS供电的其它系统的研究日益繁荣，业界大力推荐的高压直流供电系统也渐渐形成规模[1]。

高压直流供电技术由于其简单可靠，减少了两次能源转换，日益受到业界的广泛关注。近几年，伴随着高压直流供电技术行业规范的相继出台，国内各大运营商也加大了对高压直流供电技术的研究及测试力度，众多实验机房不断建成，为高压直流供电技术的应用提供了良好的平台。

1 通信行业高压直流供电技术应用现状

目前，高压直流供电技术在国内各大运营商均有应用。

中国电信：2007年开始建设240 V高压直流供电实验局，2010年开始推广扩大试点，在江苏、北京、吉林、上海、浙江、安徽、江西、湖北、广西、重庆、四川、贵州、广东地区，相继进行高压直流试点，截至2010年底已建成110套高压直流系统，特别是江苏电信已有多个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。

中国移动：2009年开始高压直流供电系统实验局建设，先后在深圳、内蒙古等地进行了高压直流供电的测试，且除了240 V的实验局建设，还选择另外一类336 V的直流电压等级进行实验，目前江苏、浙江、内蒙、辽宁、天津也在进行试点。

中国联通：2010年开始建设240 V高压直流供电实验局，已在江苏南通、郑州等多地开展实验测试，并准备扩大高压直流供电系统的应用。

随着众多实验机房的建成，国内也加快了有关240 V直流供电的标准编制工作，相应标准规范的出台推进了240 V直流供电系统的产业化进程，有利于产品的规范，并引导行业产品的发展方向。

2 高压直流供电系统结构的选择

在高压直流供电系统的工程应用中，首先会遇到如何选取系统架构的问题，工程人员需要在系统的安全性、可靠性与工程建设的经济性之间做出取舍。参考48 V直流电源系统建设方式以及以往UPS系统建设方式，本文对多种系统结构进行了分析，供工程人员根据现场实际情况及负荷重要性等诸多因素灵活选取。

(1)方式一是高压直流单电源系统双路供电。方式一与原48 V直流供电系统相同，系统结构简单，建设投资小。缺点是由于服务器双路输入均来自于同一套高压直流电源系统，系统在电源侧存在单点故障瓶颈(图1)。

图1 单系统双路供电结构图

(2)方式二是高压直流双电源系统双路供电。与方式一相比，方式二中每台列头柜配置的输入电源分别来自2套电源系统，消除了系统的单点故障瓶颈，提高了供电的可靠性，缺点是系统配置采用2 N方式，系统的冗余度较大，正常运行时系统带载率较低(图2)。

图2 双系统双路供电结构图

(3)方式三是UPS+高压直流双路供电。方式三将传统UPS与高压直流供电系统相结合，采用1路交流UPS电源，1路高压直流电源的双路供电形式，该供电方式消除了系统的单点故障瓶颈，提高了供电的可靠性，且在每个机架内提供了交直流2路电源，末端业务设备的接电更加灵活。缺点是对于新建机房需要建设2种不同类型的电源系统，增加建设成本及后期维护工作量，且每个机架提供交直流2路供电，其系统性质及接地方式等均有不同，一定程度上增加了使用及维护的难度(图3)。

图3 UPS+HVDC双路供电结构图

(4)方式四是市电+高压直流双路供电。方式四采用1路市电电源，1路高压直流电源的双路供电形式，该方式与方式三的优缺点类似，只是减少了UPS系统的建设投资，且市电路无需电能的转换，可最大程度提高系统效率。但综合考虑市电的计划内及计划外停电及电能质量等因素，该供电方式的可靠性较方式二、方式三略低(图4)。

综上所述，以上4种供电方式各有优缺点，考虑高压直流供电系统的结构特点，并结合通信行业广泛应用的48 V直流系统的现状，供电方式一可为系统提供足够的供电可靠性，故本文建议常规机房优先选用方案一；对于重要性更高的机房可选用方案二；对于一些供电可靠性要求不高、自主性强的机房可选用方案四，达到最优节能效果。

图4 市电+HVDC双路供电结构图

3 高压直流供电系统配电器件的选择

直流配电系统采用电力室直流配电屏、数据机房直流列头配电柜、机架直流配电单元三级配电结构(图5)。

图5 高压直流供电系统结构图

3.1 直流总配电屏

高压直流系统与48 V直流系统相比，系统所需输出分路数较少，且在日常维护及工程施工中，直流配电屏内的器件操作较少，熔断器在造价以及48 V直流系统维护习惯方面具有一定的优势；同时，考虑高压直流供电系统中熔断器与断路器的上下级配合关系(熔断器应在断路器的上级)，为保证系统下级配电的灵活性，建议在直流配电的第一级输出开关优先选用熔断器。

当系统中选用熔断器时，需要保证正负极均配置熔断器，并且两个熔断器要求必须同时分断，避免出现仅单极分断的情况，因为系统中出现单极分断时，另一极仍然带电，系统安全存在隐患。

3.2 机房列头柜

直流列头柜进线可选用熔断器或直流负荷隔离开关，输出分路考虑到操作较为频繁，同时配置双极熔断器占用柜体空间较大，因此建议优先配置双极直流微型断路器。

上下级配电器件之间应具备选择性。当熔断器和直流断路器串联保护时，熔断器宜装设在直流断路器上一级，其额定电流应不小于直流断路器额定电流的2倍；当上级、下级均选用熔断器时，其额定容量比应大于1.6，使其具有选择性；当上级、下级均选用断路器时，按各厂家器件之间的选择性要求配置。

3.3 设备机架

传统交流系统末端设备机架配电主要有插座式PDU、端子式PDU两种方式，本文对上述两种配电器件的特点进行分析。

3.3.1传统交流机架配电方式

(1)插座式PDU(图6)特点：插座输出、垂直安装、无断路器，结构简单、每一个插座连接一台服务器，后期接线方便。

(2)端子式PDU(图7)特点：端子输出、结构简单、每一个微断连接一台服务器，后期接线工作量大。

图6 插座式PDU

图7 端子式PDU

3.3.2 高压直流机架配电方式

通信设备机架直流配电单元进线可选用与列头柜对应输出断路器同容量的直流负荷隔离开关，直流配电单元出线有多种方式：

(1)插座式PDU：虽然插座式PDU安装接线方便，但目前无直流专用插座，直接插拔电源插头时会出现拉弧现象，故在应用中不能用来分断工作电流，系统安全性存在隐患；而且采用插座PDU时，不能保证每台设备对应一个断路器，系统安全可靠性存在隐患，因此在工程中不建议采用。

(2)端子式PDU：端子式PDU能很好地保护末端设备，但设备接线工作量大，特别是对于大规模数据机房，服务器设备厂家在安装设备过程中需要频繁在机架内布线、压接端子，工程质量难以保证。采用该方式配电时，建议在工程建设阶段就由施工单位将电源插头线布放在机架内，后期设备加电时，厂家工程师只需直接将插头接入设备即可。

(3)“端子+插座”式PDU：对于设备厂家自行提供电源插头线的机房，直流机架内可采用“端子+插座”式PDU的配电方式，直流微断的安装保证了系统的安全可靠性，插座的安装方便了机架内后期设备的安装，但该方式造价稍高，且占用机架空间稍大，建议在机架内垂直安装。同时，该配电方式需注意设备的上电及下电操作，其中设备的开通及分断均只能操作直流微断，而不能操作插座电源。开关操作顺序见下：

(a)设备安装：

设备安装→设备电源插头接至插座→闭合直流微断(b)设备拆除

分断直流微断→拆除设备至插座的电源线→设备拆除

3.3.3 机架PDU的选用

综上所述，工程应用中直流机架内建议采用“端子式”或“端子+插座”式PDU的配电方式。“端子式”建议在工程建设阶段将电源插头线布放在机架内，“端子+插座”式在工程应用中需注意操作顺序。

4 高压直流供电系统电缆选择

通信行业传统48 V直流供电系统均采用正极接地系统，而考虑到系统的可靠性及对人身安全性的保证，高压直流供电系统均采用不接地系统，下面针对不接地系统，讨论了高压直流系统的几种供电电缆的选择方式，差别主要体现在接地电缆方面。

(1)方式一

方式一(图8)与传统48 V直流系统的接地方式相同，主供电线路采用3路单芯电缆，对于传统48 V系统来说，PE接地的主要有3个作用：(a)等电位联结；(b)抑制外界电磁干扰；(c)在系统发生接地故障时，形成故障电流的通路，使故障电流尽快回到电源侧。而对高压直流不接地系统来说，PE接地的作用只有2个：等电位、抑制电磁干扰，因此方式一这种接地方式完全没有必要，未体现出高压直流供电不接地系统对配电线路节省的优势。

图8 高压直流供电系统接线系统图(方式一)

(2)方式二

方式二(图9)主供电线路采用2路单芯电缆，业务机房内的地来自机房接地汇流排，该系统与方式一相比，在主供电线路上节省了1路电缆，机房列头柜PE均与机房地线排联通，减少了电缆投资并节省了线路的布线空间，且此处的地线电缆只起到等电位及抑制电磁干扰作用，其电缆截面满足35 mm2以下即可。

图9 高压直流供电系统接线系统图(方式二)

(3)方式三

方式三(图10)主供电线路采用2路单芯电缆，与方式二相同。同时，在业务机房设备列走线架上方统一设置地线网，设备列内的所有PE线均接至该地线网，接地系统更清晰、抗干扰能力更强，该方式工程投资较方式二略高。

图10 高压直流供电系统接线系统图(方式三)

综合考虑建设投资、系统结构、性能等因素，本文建议在有条件的机房优先选用方案三，若工程中不具备统一设置地线网的条件，建议采用方案二，不建议采用方式一。

5 高压直流供电绝缘监察系统的选择

高压直流供电采用不接地供电系统，提高了系统的可靠性(系统发生一次故障不影响系统运行)，且增加了对人身安全的保护，但对于不接地系统，如果发生一次单极接地后不能及时发现，则系统可靠性高、安全性好等方面的优势将荡然无存。因此，不接地系统必须配置绝缘监察装置，及时发现并排除系统的一次故障，避免系统二次故障的发生。

目前应用较多的绝缘监察监测方法主要有：平衡桥电阻检测法、投切电阻检测法、支路漏电流检测法，各种方法的基本工作原理本文不做详细介绍，仅对工程应用中绝缘监察装置的选用及安装位置进行阐述。

5.1 绝缘监察装置告警方式的选择

目前厂家采用的绝缘监察装置的方式多样，有采用平衡电桥＋支路漏电流检测的方式，该方式简单，告警迅速，缺点是不能发现系统正负极同时发生接地故障的情况。另外一种是投切电阻＋支路漏电流检测的方式，该种方式可以发现各种接地故障情况，但是告警时间偏长。工程应用中建议将上述两种方式综合使用(见文献[2])，做到最短时间实现故障告警、正确判断故障支路、准确显示接地电阻。

5.2 绝缘监察系统的安装

工程应用中，建议在高压直流供电系统的直流电源侧配置绝缘监察装置，机房电源列头柜内可根据工程的具体情况，考虑是否设置绝缘监察装置。

高压直流供电系统直流输出配电侧的绝缘监察装置，用于监测直流配电的主母排及各个输出分路的对地绝缘状态。机房电源列头柜内的绝缘监察装置只需安装支路漏电流检测设备，监测列头柜内各个分路的对地绝缘状态。

6 高压直流系统容量的选择

通信行业标准YD/T 2378-2011《通信用240 V直流供电系统》[3]中规定“240 V系统宜采用分散供电，系统容量一般在1 000 A以下，最大不应超过1 500 A”。工程应用中系统容量还受其它因素的制约：

(1)设备制造水平

目前主流高压直流设备厂家的电源模块容量为20 A/240 V，部分厂家可提供40 A/240 V的电源模块，对于1 500 A的系统，需配置75个20 A的电源模块，对于单个系统来说模块数量越多，其发生故障的可能性就越高，而且过多的模块也增加了使用维护的难度，因此，基于高压直流供电技术还未广泛成熟应用的现状，本文建议单系统容量不超过800 A。今后随着高压直流供电技术的进一步成熟，建议通过增大单体模块容量的方式，提高整个系统的供电能力，避免单系统配置过多的整流模块。

(2)配套蓄电池组的容量及组数

通信行业标准YD/T 2378-2011《通信用240 V直流供电系统》[3]中规定：“240 V系统蓄电池配置需根据系统容量大小，蓄电池单体电压可选2、6、12 V，每个系统蓄电池组数至少2组，最多不宜超过4组。宜选用铅酸蓄电池。”

系统容量越大，配套蓄电池组的容量也越大，组数也需要越多，当前通信行业主要应用的蓄电池为2和12 V，由于目前主流12 V蓄电池单体容量最大为200 Ah，故系统最多配置800 Ah蓄电池(4组200 Ah)，对于后备时间1 h的系统，此时仅能提供供电能力约57 kW，系统供电能力偏小，因此，12 V蓄电池在大容量高压直流供电系统应用困难。

对于2 V蓄电池，目前单体最大容量可达3 000 Ah，但240 V系统配套蓄电池组的体积为传统48 V蓄电池体积的5倍，特别是对于2 000和3 000 Ah等大容量蓄电池组，需要的安装空间大，工程选址、施工难度较大，同时，考虑到目前建议的单系统不超过800 A的容量，按照后备时间1 h配置蓄电池，需800 Ah蓄电池2组。因此，综合考虑供电系统能力及蓄电池安装等因素，本文建议高压直流系统优先选用单体2 V蓄电池。

综上所述，240 V高压直流系统单系统的容量不宜超过800 A，蓄电池优先选用2 V单体电池，单只电池容量建议不超过800 Ah。

7 服务器设备对高压直流供电的适应性

从目前运营商的试点情况来看，尽管后端设备绝大多数都支持高压直流供电，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风险。

为了更好地保证高压直流供电的安全可靠性，规避工程当中的风险，建议在服务器设备采购阶段对新装服务器设备提出相应的适应性要求。例如：从2011年开始，xx运营商在服务器、交换机、磁盘阵列等IT设备集中采购技术规范书中，明确提出了对IT设备电源模块的要求：“设备电源模块必须符合SSI和ATX规范，并可做到回路上无并联对直流电压呈现短路状态的感性电子元器件，电源回路上无串联对直流电压呈现开路状态的容性电子元器件，无对交流频率监测的要求。电源模块宜配置具备灭弧功能的空气开关”。同时要求“使用交流220 V的IT设备必须能够兼容使用直流240 V电源(192～288V)”，而主流IT设备厂家均在回标文件中答复“满足”。