高壓直流供電系統在客服機房的應用

余光佐

（中國移動上海公司網維中心動力監控維護部）

1 建設虬江路客服機房高壓直流系統的背景

傳統UPS供電模式普遍采取UPS冗余，UPS雙系統供電保障，1＋1冗余UPS系統負載率控制在35%以內，UPS系統輕載運行，造成能耗浪費。低負載率使UPS系統不僅占用了寶貴的機房空間，配電容量，還制約了機房裝機擴容需求，導致整個電源系統的設備資源利用率低，可靠性差，系統擴容、維修保障難度大，而且UPS供電系統存在著單點故障點的問題始終沒有得到很好解決，造成整局癱瘓的惡性通信事故屢屢發生。高壓直流作為一種新型的供電模式，系統結構簡單，克服了UPS系統供電存在的單點故障，系統安全性能大大提高，維護操作方法得到簡化，同時也提升供電效率和減少投資成本，為通信設備提供安全、節能、節材的新型供電系統，取得節能減排社會效益。

2 虬江路客服機房高壓直流系統概況

目前在上海移動虬江路客服中心已經啟用的三層、八層話務機房內的客服座席和通信設備均采用高壓直流電源供電，并在一層電力電池室內新建了2套中達240 V／600 A高壓直流電源系統，其中：

高壓直流電源系統一主要負責承接三層話務機房內的客服座席和通信設備，共計負荷容量約74k W／308 A。系統設備配置包括：2臺整流模塊機架（本期共配置23只240 V／20 A整流模塊，其中2只為備用），1只監控模塊，1臺240 V／600 A直流屏以及2組240 V／500 Ah后備蓄電池。根據本期系統負荷容量，系統后備蓄電池放電時間約1小時（終止電壓1.8 V／節，環境溫度取15℃）。

高壓直流電源系統二主要負責承接八層話務機房內的客服座席和通信設備，共計負荷容量約46k W／192 A。系統設備配置包括：2臺整流模塊機架（本期共配置17只240 V／20 A整流模塊，其中2只為備用），1只監控模塊，1臺240 V／600 A直流屏以及2組240 V／500 Ah后備蓄電池。根據本期系統負荷容量，系統后備蓄電池放電時間超過1小時（終止電壓1.8 V／節，環境溫度取15℃）。

當市電電源正常工作時，兩路獨立、可靠的市電電源通過交流屏切換后向240 V高壓直流電源系統輸入1路三相交流電源。高壓直流電源的整流模塊把380 V交流電源轉換為240 V直流電源送至直流輸出屏。直流輸出屏輸出分路饋送至直流列頭柜及其后級負載（二級配電屏采用同一套高壓直流電源的A，B路熔絲雙路供電的方式），同時對蓄電池進行浮充電。

當市電電源停電時，由蓄電池組進行放電維持通信設備正常運行。市電電源恢復后再由整流器將轉換的直流電源送至負載，同時整流器對蓄電池進行充電，充電電流不大于10%蓄電池容量。240 V高壓直流電源系統的工作原理圖以及二級配電屏結構簡圖如圖1，圖2所示。

圖1 240 V高壓直流電源系統工作原理圖

圖2 二級屏配電結構簡圖

根據中國通信標準化協會印發的YDB 037—2009《通信用240 V直流供電系統技術要求（》，考慮到虬江路客服機房的負載設備主要是額定電壓為交流220 V的IT服務器類設備和座席用終端，目前IT服務器類設備的電源普遍采用全波整流方式，因此采用直流輸出“正”極，對應于設備輸入電源線的“N”端，直流輸出“負”極對應于設備輸入電源線的“L”端，設備輸入電源線的“地”端與系統保護地可靠連接。直流輸出方式采用“懸浮供電”，即系統輸出與機架、工作地、保護地隔離（正極、負極均不允許接地），走線時與交流電纜和低壓直流電纜分開。由于高壓直流系統嚴禁帶電插拔直流電源輸入（會導致直流拉弧），所以在虬江路客服機房3F，8F的設備電源引入處進行了警示。

3 虬江路客服機房高壓直流系統的測試情況

為保證虬江路客服機房的高壓直流系統能順利的投入運行，先對虬江路3F計費機房準備使用的IT服務器（工控機1臺，HP服務器DL380 G6 1臺）進行了測試，具體測試項目、數據和結果如下。

3.1 測試設備

工控機1臺、HP服務器DL380 G6 1臺。

3.2 測試儀器

高壓直流電源1套、萬用表FLUK1871臺、接插件、電纜若干。

3.3 測試環境

常溫，23度。

3.4 測試方法

先將負載設備用220V交流電上機測試，觀測設備是否正常工作運行。再將負載設備用240V直流電上機測試，觀測設備是否與交流供電時工作狀態一致，如果是一致，則判斷用240V直流電能正常使用，不一致則判斷用240 V直流電不能正常使用。

3.5 測試過程

工控機1臺，內部二次電源是磐石355。用交流220 V供電和直流240 V供電工控機工作狀態一致，直流電測試范圍是200 V—290 V。

HP服務器DL380 G6 1臺，內部二次電源是臺達HSTN－PD14。用交流220 V供電和直流240 V供電工控機工作狀態一致，直流電測試范圍是200 V～290 V。

3.6 測試結果

根據測試過程的現象和數據判斷，工控機和HP服務器DL380 G6用DC240 V供電都能正常工作。

4 高壓直流系統的優勢和應用前景

4.1 高壓直流系統的優勢

優化了整個供電系統的配置，在供電系統結構上與直流－48V開關電源系統相同，系統合理，穩定性高，輸入諧波電流下降，輸入功率因數提高，減少了諧波電流對系統和電網的污染。

蓄電池組與負載之間消除了UPS系統中的逆變器，直接并聯在直流饋電側，電池供電不需要經過DC／AC轉換，電池能量利用率提高，提供給負載真正無后顧之憂的后備電源。

整流模塊冗余，整流模塊方便的N＋1備份模式。直流系統擴容靈活，建設初期投資合理，隨系統負荷同步擴展。

系統可靠性高，由于不存在交流電源振幅、頻率、相位等要求，直流電源的系統控制較UPS系統簡單，系統設備和元器件減少，減小了系統的故障概率；系統的核心部位為整流模塊，便于維護；系統中沒有自動靜態旁路開關，不存在單點瓶頸故障隱患；也不存在環流問題和三相電流不平衡的問題。

4.2 高壓直流系統的應用前景

根據后端服務器類型的不同，目前國內高壓直流技術的應用有兩個標準，一是針對目前的交流服務器，直接采用直流供電。采用此技術標準的標稱電壓為240 V，電池組為120節2 V電池串聯。服務器采用交流服務器不做改動。由于大部分交流服務器為不控整流和PFC整流方案，采用240 V標稱電壓，輸出電壓變化范圍在210 V到290 V之間，在此范圍之內，交流服務器電源可以正常工作。由于服務器部分不用做大的更改，因此采用240 V標稱電壓的系統即將進入廣泛應用階段。

另一種技術標準的標稱電壓為336 V，電池組采用168節2 V電池串聯的方式。因336 V標準的工作電壓大于240V標準，所以相比240 V標準，它具有系統效率高，電池利用率高，工作電流可進一步降低，同時可以進一步降低配電開關容量和配電設備容量以及有色金屬消耗等優點，因此采用336 V標稱電壓的系統即將進入逐步應用階段。此外，大部份的電子零件﹙Caps，MOSFET等﹚耐壓450～500 Vdc，此耐壓范圍的元器件技術成熟且價格低廉。考慮故障排除和啟動時的電壓脈沖峰值，高壓直流供電系統最高工作電壓不宜超過400 V。

不是所有IT設備都能使用高壓直流電源，在使用高壓直流電源前必須進行測試。IT設備電源輸入部分有交流變壓器的不能采用高壓直流供電（老式的傳統電源、CRT顯示器、部分音響設備）；有輸入頻率檢測啟動的IT設備不能直接采用高壓直流供電；部分IT設備電源內部為半波整流，輸入電源的正負極要連接正確，不能接反；部分IT設備的電源具有啟動過壓保護功能，需要降壓啟動。另外，服務器是否可用高壓直流供電，主要取決于服務器內部的電源模塊，與服務器本身并無必要關系，同一型號的兩臺服務器，采用不同型號的電源模塊，可能出現一臺可以用高壓直流供電，另一臺不能用高壓直流供電的情況。

相對于UPS電源系統和48 V電源系統，高壓直流配電對滅弧要求很高，必須采用具有直流滅弧裝置的保護電器（高壓直流熔絲或高壓直流斷路器）。從系統可靠性、經濟性和維護便利性三重性考慮，高壓直流一次配電宜采用熔絲，直流二次配電采用斷路器。高壓直流熔絲和高壓直流斷路器串級使用時，應根據熔絲和斷路器的安－秒特性曲線來確定上下級之間的級差，使其滿足動作選擇性的要求。因高壓直流輸出具有對地懸浮的特性，所以除了在高壓直流一次配電側外，在高壓直流二級屏內的斷路器的正負極均應具有過流，絕緣保護等功能。另外，在網絡機架內每一個分路空氣開關控制通信設備電源輸入端的一臺電源模塊。一臺通信設備內部配置多個電源模塊時，必須對應多個分路開關控制，禁止一個分路空氣開關通過多用插座接入多個電源模塊。

5 結束語

總而言之，UPS供電模式因起步早，成熟度比較高，目前已廣泛應用于各通信機房。新型的高壓直流供電系統具有可行、可靠、維護方便、高效節能、節省投資等優點，必定能在將來的通信機房供電模式中占據越來越重要的地位。

［1］ 強生澤.現代通信電源系統原理與設計［M］.北京：中國電力出版社，2009.