我國高壓直流供電技術應用探析

焦金濤，李寶巖，楊 博

（吉林吉大通信設計院股份有限公司，吉林長春130012）

1 概 述

隨著我國通信行業的高速發展，數據業務的快速增加，通信局站的UPS使用量大增，系統的可靠性和維護的簡便性越來越受到關注，而UPS在這兩方面均存在很多問題。盡管出現了雙總線UPS供電系統，增加了UPS供電的可靠性，但隨之又加大了機房使用面積同時增加了設備投資，也造成了能源浪費。

采用高壓直流供電可以大大提高供電的可靠性，并且實現節能減排。高壓直流供電系統有效地避免了交流UPS系統因冗余配置而導致系統效率低的問題，而且高壓直流只存在一次變換，與交流UPS系統比較而言，大大提高了供電系統的效率。不僅如此，高壓直流供電系統的投資量小，可維護性高，與交流UPS相比較為安全［1］。

2 交流UPS供電存在的問題

隨著通信網絡和業務需求的不斷發展，通信設備對電源安全供電的要求也越來越高。長期以來，使用交流電源的通信設備均由交流UPS設備供電，但交流UPS電源系統存在著單點故障點的問題且始終沒有得到很好的解決，因交流UPS電源系統故障而引發的通信事故時有發生，給通信維護部門帶來了嚴峻的考驗。目前交流UPS供電存在的主要問題有如下方面。

2.1 交流UPS供電的缺點

因為交流電的電壓方向、幅值每時每刻都在發生變化，當采用多臺UPS并機輸出時，就必須保證并機的每臺UPS輸出的相位、頻率、幅值相同。在需要切旁路時，為了保障不間斷供電，就必須保持對市電的相位、頻率、幅值的跟蹤和同步。當市電發生大范圍變化時，其各種參數總會在一定范圍內波動，因此UPS系統也在不斷的調整輸出參數。這種設計在理論上沒有問題，但在實際應用中，隨著市電的不斷變化，以及電子元器件的老化，尤其是采集模塊的零點漂移，往往會在切換時造成中斷。這種中斷在以往的案例中屢見不鮮，給數據中心的設備運行帶來了巨大的影響。

2.2 交流UPS電源資源的浪費

由于并機的復雜性，盡管眾多廠家聲稱可多臺并機，有的甚至可以達到8臺。但在實際應用中，UPS并機系統并機的臺數都不會太多，一般為1＋1或者2＋1，也就是2～3臺。而為了保持系統的冗余，在一臺機器出現故障時系統依然能夠供電，這就要使得每臺UPS平時的負荷率保持在較低的水平，如對于一套UPS（1＋1）系統為50%，2＋1系統為66%，如果再考慮到負荷的可能突變，同時減少設備的故障率，這時系統就必須要保持一定的裕度，按系統80%的容量計算，實際上每臺UPS的負荷率只有40%～55%左右。而為了提高供電可靠性采用的雙總線UPS系統，實際每臺的平時最大負荷率也只有40%～50%，在有些雙總線UPS系統中，為追求更高的可靠性，最大負荷率甚至只有20%～25%。

2.3 安全供電存在單點故障瓶頸

因為UPS輸出的是交流電，而作為備用蓄能的蓄電池，輸出的是直流電，因此UPS系統的蓄電池不能直接供電給負載，必須通過逆變模塊變成交流電輸出。這樣，供電的持續性就取決于UPS系統的穩定性，如果逆變模塊損壞，即使蓄電池有充足的電量，也不能供電給負載。

交流UPS存在諸多問題，因此對替代供電系統的研究日益繁榮，業界內大力推薦的高壓直流供電系統也漸漸形成規模。

3 高壓直流供電技術原理

高壓直流供電系統的組成與傳統的-48 V直流供電系統的組成一樣，只是整流器的輸出電壓等級較-48 V高。系統由市電輸入、高頻開關整流器、配電屏、蓄電池組組成。和-48 V直流供電系統一樣，高壓直流供電系統也是采用全浮充供電方式，即開關電源架上的整流模塊與兩組電池并聯浮充供電。系統組成如圖1所示。

圖1 高壓直流供電系統組成框圖

高壓直流供電系統具有如下特性：

（1）安全特性。采用高壓直流供電技術與交流供電系統相比較，220 V／50 Hz交流電源對人的危害大，采用直流電時電擊危險程度約為50 Hz交流電的40%，故直流供電較為安全［2］。

（2）可靠性。采用高壓直流技術另一個優點在于提高了供電的可靠性。這可以從三個方面體現：①采用高壓直流供電技術，蓄電池可以作為電源直接并聯在負載端，當停電時，蓄電池的電能可以直接供給負載，確保供電的不間斷。②采用高壓直流供電技術只有電壓幅值一個參數，各個直流模塊之間不存在相位、相序、頻率需同步的問題，系統結構簡單，提高了供電系統的可靠性。③采用高壓直流供電技術能夠消除交流UPS供電系統中并機板的單點故障問題，提高了整個系統的穩定性。

（3）節能特性。①高壓直流供電技術和交流UPS系統相比較，直流供電省掉了逆變環節中的損耗在5%左右；②由于服務器輸入的是直流電，不存在功率因數校正與諧波治理問題，降低了整個回路中的線損。避免了交流UPS系統中的頻率跟蹤及相位鎖相問題，降低了電路的復雜程度，減少了相應的損耗；③可采用大量的模塊并聯，使直流供電的每個模塊的使用率可達到70%～80%（交流UPS平時最大負荷率只有20%～25%），提高了整個電源供電系統的效率，使供電系統節能20%～30%［3］。

（4）可維護性。高壓直流技術中采用了整流模塊組合成供電系統。當整流模塊出現故障時維護人員可以隨時更換模塊，提高了可維護性。與交流UPS供電系統相比較，UPS系統中不僅存在著單點故障，而且當某臺UPS出現故障時維護時間比較長。而高壓直流整流模塊隨時可以更換，不影響整個系統的正常運行。

（5）經濟特性。從經濟方面比較，交流供電由于要采用UPS設備（系統）冗余的方式，投資增加；而直流供電則采用n＋1模塊式結構，在具有相同的可靠性指標時，直流供電可節省投資30%～40%。

4 我國高壓直流供電技術的應用

IT設備高壓直流供電取代UPS是明顯的趨勢。標稱電壓為240 V、300 V、336 V、350 V的直流供電系統，適用于通信局站和數據機房中向交流輸入電壓范圍為110～240 V的通信設備供電。目前中國移動主推336 V的直流供電系統，中國電信主推240 V的直流供電系統。

4.1 中國移動主推336 V的直流供電系統

近幾年世界各國的企業和實驗室進行了大量的高壓直流供電技術試驗和技術研究，盡管各方試驗電壓不盡相同，但系統效率提升和可靠性提升的結論是一致的。中國移動2009年開始進行高壓直流研究和試點，試點地點選擇在深圳羅湖郵政樓。經測試，性能指標達設計要求，運行穩，節能效果明顯。2011年開始在內蒙古、遼寧等省進入實用運行倉儲式機房。

倉儲式機房采用336 V直流供電系統結合磷酸鐵鋰電池全分散供電模式，服務器采用336 V／12 V嵌入式電源供電，如圖2所示。

4.1.1 磷酸鐵鋰電池全分散供電模式

全分散供電模式架構特點：采用336 V直流電源；電源系統分散下沉到機架列間，節約電力電池室；靠近負載，架構簡潔，配置靈活，更為可靠節能；提高裝機靈活性，電源與業務同步成長。它由電池柜、電源柜、配電柜三部分組成，相比傳統“1＋1”UPS系統，效率從85%提高到96%；相比“N＋1”UPS系統，效率從91%提高到96%。

圖2 336 V／12 V嵌入式電源供電

磷酸鐵鋰電池優點：大電流充放電性能好、循環壽命長、耐高溫、體積小、重量輕（僅為鉛酸電池的1／4）、無記憶效應、原材料環保。它與高壓直流電源配合，供電結構簡單，可靠性高，占用空間小。

4.1.2 336 V高壓直流系統的優勢

系統可靠性高：系統簡單，易于避免單點故障，維護難度小。

系統簡單、成本低：能源一次轉換、系統簡單、諧波含量很低，系統接地要求簡單；蓄電池充放電管理好，電池壽命長。

可擴展性好：系統擴容簡單方便，可擴性很好；冗余設計容量小，為N＋1（備用模塊）。

效率高：能源轉換次數降低，效率高；系統簡單，購置成本低；高效環保，大大節約運行成本。

4.1.3 存在的問題

全分散式供電依賴于鋰電池的成熟度，從目前來看，鋰電池的安全性和壽命還有待進一步驗證，尤其是在機房的應用需要進一步的測試和研究。

4.2 中國電信主推240 V的直流供電系統

自2000年以來，中國電信開始在廣東、上海、北京等城市進行大型數據中心的建設，并針對交流UPS電源故障和安全事故頻繁發生的情況，開始第一次探索交流UPS電源的可用性和存在的問題。2004年中國電信發布了一個特殊的數據中心供電問題的能力和環境報告，反映了交流UPS電源不能滿足通信電源的可靠性要求的實際情況，引起國內通信行業的高度重視。

為了選擇一個安全的，又考慮到現有的通信電源、電池、配電裝置和服務器裝置適應性的電壓等級，中國電信行業專家一起進行了廣泛的分析、交流和討論，從直流380 V到220 V都列入了探討范圍。通過廣泛的研究和試驗，衡量尺度，綜合考慮，確定直流電源系統的額定電壓為240 V。其供電系統圖如圖3，主要技術參數見表1。

圖3 240 V直流供電系統

表1 240 V直流供電系統主要參數

電壓的選擇反映了在不改變服務器電源狀態的情況下，直接向交流服務器提供電源的思路，無論從設備、維修人員的安全和電池、電源分配單元和服務器的電源單元的匹配達到理想的狀態，都最大限度地減少服務器對電力產業鏈的影響。正由于此，中國電信決定使用240 V直流，提出了240 V直流電源系統的供電體制。

240 V直流供電系統的優勢：可靠性從63%提升到90%；模塊轉換效率在94%以上，比傳統UPS高很多。電壓低于300 V耐壓標準，滿足主流器件要求，不需改變原有器件；原有服務器電源模塊完全可以繼續使用，使用成本沒有增加，推廣極為便利。

5 高壓直流供電技術規模化發展策略

5.1 建立完善的標準體系

中國通信標準化組織（CCSA）十分重視在中國的第一個高壓直流輸電技術，與中國電信股份有限公司一起組織編寫了關于240 V直流電源系統的一系列通信行業標準。包括有YD／T 2556-2013《通信用240 V直流供電系統應用維護技術要求》、DT2378-2011《通信用240 V直流供電系統》、YDB037-2009《通信用240 V直流供電系統技術要求》、YD／T2555-2013《通信用240 V直流供電系統配電設備》等。可見，中國已在行業中最早建立一套完整的用于高壓直流電源系統的通信供電標準體系。

5.2 形成完整的產業鏈

為了在我國通信行業實現高壓直流電源技術的商用，不僅要開發高壓直流電源產品，還要對高壓直流電源系統的配套產品進行研究、開發、測試、維護和使用，同時要為IT設備如服務器、路由器安全使用高壓直流電源提供驗證檢測平臺。

經過幾年的努力，中國已經形成了高壓直流電源系統的一個完整的通信產業鏈，并有大量的高壓直流電源核心的專利，具有很強的發展潛力。

6 結束語

將通信用高壓直流供電系統引入通信系統，有效地解決了UPS系統存在的可靠性低、使用效率低、維護困難、前期投資大、資源占用大的問題，并且高壓直流供電系統具有相當顯著的節能效果，在當前節能減排日益重要的情況下，更值得大規模推廣。目前，電信、聯通、移動及騰訊、阿里、百度等運營商和大型互聯網企業已大規模應用高壓直流供電系統。隨著高壓直流供電技術逐步推廣，從我國現有UPS電源規模來看，意味著近幾年內還要增加數千套高壓直流電源系統，可見高壓直流電源將會成為通信電源新時代的主力軍。

［1］ 魏 華，衣 斌，柳 蕊.數據中心高壓直流供電架構的優化研究［J］.通信電源技術，2014，31（3）：178-182.

［2］ 趙汝輝，尚爾明.高壓直流供電在通信機房中的應用分析［J］.科技與企業，2014，07：338-340.

［3］ 曹軍偉.240 V直流供電在數據中心的應用方案［J］.電源世界，2014，02：51-52.