5G網絡云機房高壓直流供電技術分析

盧良生

（中國移動通信集團廣東有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510335）

0 引 言

5G網絡云機房底層硬件包括可彈性的計算、存儲、網絡以及安全設備，即硬件資源池。上層軟件采用NFV技術生成虛擬機（VM），安裝虛擬網絡功能（VNF）部署5G核心網。虛擬機技術相較于物理服務器更簡單高效，但對供電系統提出了更高要求。高壓直流供電系統作為一種新型供電方式，系統簡易且可擴容性高，可為網絡云機房提供穩定持續的電力，能滿足網絡云機房的使用需求。

1 高壓直流供電系統原理

1.1 供電原理

高壓直流供電系統與48 V供電系統較為相似，同樣由蓄電池組和并聯整流器組成，如圖1所示。運行過程中，借助整流器將市電交流電轉化為260 V直流電，以滿足設備供電需求，為蓄電池充電。市電停電時，設備可借助蓄電池持續運行，不會受到影響。長時間停電情況下，備用發電機組繼續供電，能夠為機房提供輸入電[1]。實際應用中，5G核心網云計算中心一般為一類市電供電，且5G核心網業務采用云化部署和分區部署，所以正常情況下單區斷電甚至單硬件資源池斷電不影響5G業務感知。因此，高壓直流后備蓄電池組供電時長需在可靠性和經濟性中取得平衡。運營商正式商用的網絡云機房中，高壓直流供電系統的后備蓄電池組供電時長一般為0.5 h甚至0.25 h，以便有效節約蓄電池的投資和機房的空間資源。

圖1 高壓直流供電系統

1.2 網絡云機房供電可行性

電源技術發展背景下，高壓直流供電因拓撲便捷和擴容簡單獲得了人們的廣泛歡迎。

高壓直流供電具有如下諸多優點。

（1）可靠性高。整流模塊輸出蓄電池和負載端并聯，停電后為負載直接供電，可保證供電的連續性。此外，直流輸出難以被諧波干擾。

（2）高效低能。運行過程中，UPS系統為設備供電需逆變，直流供電則無需如此。直流供電減少5%的耗損且沒有諧波耗損，提高了電源效率，節能10%～15%[2]。直流電源以模塊設計為主，將每一個模塊以并聯模式連接，提高了80%的利用率。

（3）不存在“零地”電壓干擾。直流輸入無零線，自然沒有“零地”電壓，避免了系統出現不明故障。

（4）擴容便捷。直流供電為模塊化結構，僅需添加相應模塊即可實現單機擴容，且直流輸出無頻率和相位情況，多機并聯更簡便，可實現電源并機。

負載設備內部電源為獨立電源模塊，盡管設備以交流電輸入，但輸出以直流電為主。通過DC/DC的核心變換模式，變換位置輸入直流電壓即可使設備工作正常。

2 高壓直流供電技術的應用

高壓直流供電技術優點較多，可將其應用于網絡云機房中建設綠色節能機房。

2.1 后端設備適配性

目前，國內的高壓直流供電系統主要有240 V和336 V兩種。240 V高壓直流系統基本上能兼容后端設備220 V交流電源模塊。因此，240 V高壓直流供電系統具有后端設備適配性，更易于實際的應用和推廣。筆者負責建設的網絡云機房采用240 V高壓直流和市電混合直供的方式供電，即后端設備的主路由市電直接供電，備路由240 V高壓直流供電系統供電，在理論上和工程實踐上驗證了240 V高壓直流和220 V交流電源模塊的適配性。

在網絡云機房中應用高壓直流供電技術需分析后端設備，必要時需適當改造。前后端設備通常為獨立電源開關，包含直流變換器、整流器以及功率補償器等，能夠為云計算中心和外圍設備等提供供電服務[3]。電源工作中，以AC/DC為核心，前端輸入用200 V交流或200～400 V直流供電，均可保證電源正常工作。

依據供電需求和設備內部構造間的差異，下面分析在不同設備中如何應用高壓直流供電系統。

（1）全波整流設備。后端設備電源220 V交流供電內部是全波整流設備，通過電力二極管進行導通和關斷，將交流電轉換為直流電。以高壓直流電接入，無論正負極均能實現導通。因此，當設備內部為全波整流構造時，可直接進行高壓直流供電，無需進一步改造。

（2）半波整流設備。機房中部分電源屬于半波整流后端設備，交流供電中工作人員僅需加強對正半波電路導通的關注即可。此類設備在直流供電時，需注意正負極接入是否正常。

（3）擁有啟動過保護功能設備。設備擁有啟動過保護功能，需在直流供電時接入降壓變電器，預先降低電壓值，保證符合設備啟動要求，正常運行后方可斷開變壓器。

（4）擁有輸入頻率檢測啟動設備。部分設備啟動時需檢測頻率，頻率波動穩定于55 Hz左右，可采用直流供電。后續接入直流脈沖發射器，啟動成功后將脈沖發射器斷開。

從上述分析可知，網絡云機房中大部分設備可直接應用高壓直流供電系統，部分需要調節輸入正負極或添加啟動設備，以實現供電系統的應用。工程實踐中發現，目前國內主流通信設備供應商的設備絕大多數不區分極性，可直接供電（即全波整流設備）。個別廠商的高端路由器和防火墻需區分極性，當高壓直流正極接設備電源N線輸入、負極接L線輸出時，設備正常供電，反之則無法導通供電。

2.2 節能效果分析

在網絡云機房中應用高壓直流供電系統可有效提高供電效率，降低使用熱能和空調負荷，相較于傳統UPS供電方式節能效果顯著，功效節約30%左右。后端設備功耗約為60 kW時，UPS系統與高壓直流系統能耗對比如表1所示。

高壓直流系統節能功效主要涉及供電效率和后端效率兩方面內容。通過應用直流系統，能取消UPS系統逆變環節。此環節功耗通常為5%，可有效提高供電系統運行效率。后端設備中應用直流供電模式，可調節整流器和功率因數補償等情況，增強效率的同時減少線損。以直流模式為設備供電，主要是借此實現模塊化運行，以實際情況為依據調控電流，保證整流器始終保持高水平運行。UPS單機運行負載率達到50%左右，供電系統轉換效率達到90%，電能節省顯著[4]。

2.3 通用性分析

為確保網絡云機房的設備順利運行，需在設計后通過實踐測試非在網設備。測試過程中，搭建高壓直流供電系統測試平臺，配置2組高功率蓄電池組，每組蓄電池組配置120只2 V/1 500 W高功率蓄電池單體。直流供電系統輸出到空閑機柜，接入計算型服務器、存儲型服務器、TOR、EOR、路由器以及防火墻，接出4個電源插座排[5]。通電后設備依次運行實現各種功能，模擬市電停電，拉掉暗流系統開關，設備以電池供電，電壓迅速降低，45 s后降低至238.67 V，然后回升，設備整體未受到斷電影響，仍能正常運行。由此可知，高壓直流供電系統在市電導通和關斷過程中，各種設備運行正常。試點斷電后由蓄電池為負載正常供電，以維持設備工作，滿足機房的工作要求。

表1 UPS系統與高壓直流系統能耗對比

3 高壓直流供電系統應用中存在的問題及相關措施

3.1 存在的問題

各個行業電力供應均可采用高壓直流供電系統，但實際應用中成熟度和經濟性效果不理想，主要存在以下問題。

3.1.1 市場規模有待開放

信息化時代，電力供應系統中信息傳送成為重要內容。網絡云機房用于部署大區的5G核心網，網絡覆蓋范圍極大，對電力系統具有較高要求[6]。只有擁有一定市場規模，高壓直流供電系統方可發揮作用。但是，目前市場規模開放度較小，加大了高壓直流供電系統應用的危險性。

3.1.2 配電開關性能不足

高壓直流供電系統可實現持續供電，提高能源利用率，為電力供應奠定了基礎。高壓電流供電電壓較高，具有一定的危險。機房中配電開關和人直接接觸，提高配電開關安全性十分必要，應配置相應的保護裝置。

3.1.3 標準之爭

目前國內的高壓直流分240 V和336 V兩種。通信電源廠家和通信設備廠家同時支持兩種不同電壓等級，增加了實現難度，影響其經濟性。

3.2 解決措施

高壓直流盡管優勢較多，也是網絡云機房供電系統主流方向，但是我國當前機房應用高壓直流仍為起步階段，處于交流UPS和高壓直流并存的過渡期。因此，提出如下相關建議。

3.2.1 建議國家行業主管部門統一高壓直流供電系統的電壓等級和技術標準

統一高壓直流供電系統的電壓等級和技術標準有利于高壓直流供電系統的進一步推廣和發展，降低設備研發和制作成本，提高設備制作的經濟性，促進市場環境良性發展。

3.2.2 高壓直流供電系統的成熟度還有待進一步驗證

建議最近一個行業周期內（3年），網絡云機房采用等比例UPS和高壓直流供電，即主（備）用硬件資源池采用UPS供電，備（主）硬件資源池采用高壓直流供電。待高壓直流技術的成熟度得到進一步驗證后，逐步提高高壓直流的供電比例。

4 結 論

綜上所述，隨著5G數字新基建的不斷深入推進和發展，網絡云機房的建設方興未艾。綠色、高效、可靠以及經濟的供電系統是網絡云機房供電的首選。高壓直流供電系統具有可靠性高、能耗低、效率高以及擴容便捷的優點，且不存在“零地”電壓干擾。將它應用于網絡云機房可提高供電系統轉換效率，即便市電停電，在一段時間內可通過蓄電池和發電機維持設備正常工作，滿足機房的工作需求。