計算機及通信設備直流供電方式

許繼東

（國網吉林東豐縣供電公司，吉林 遼源136300）

1 逆變電源供電方式存在的問題

在電力系統中，發電廠、變電站、換流站、開關站等廠站端普遍配置有容量較大的由蓄電池組成的220 V直流電源，直流電源主要給繼電保護裝置、安全自動裝置和遠方測控裝置供電。在電網系統中，35 kV、66 kV、110 kV 變電站數量眾多，在這類廠站通常配置有就地監控計算機一臺、調度數據網通信設備一套以及五防計算機一臺。為了保證各類實時監控系統工作的可靠性和穩定性，在新建、技改工程典型設計中，要求這些廠站有關計算機及通信設備采用由直流電源經過逆變后得到的交流電源。

為計算機及通信設備配套的逆變電源設備通常需要單獨組屏，占地面積大、建設費用高。逆變電源投運后在維護方面存在工作量和費用。另外逆變電源在運行時會發出熱量，從而降低了直流電源轉換效率。例如某2 kVA 逆變電源，測試時將其內置的兩個散熱風扇插頭拔下，帶360 W負載運行5 h后發生熱保護停機現象，機殼幾處溫度較高。

2 計算機及通信設備中的電源電路

與線性電源相比，開關電源由于具有效率高、體積小、重量輕、成本低等突出優勢，因此目前計算機及通信設備中的電源部分都普遍采用開關電源。開關電源有多種拓撲結構，圖1所示是一種隔離式、反激式、PWM（pulse-width modulation，脈寬調制）式開關電源的基本電路，這種拓撲結構在計算機及通信設備電源中應用極為普遍。圖中220 V 交流輸入電壓Ui經過硅橋DB 整流及電容C濾波后變成直流電壓Um，由于Um處于開關電源電壓轉換的中間環節，姑且稱之為中間電壓。受電源特性和負載特性的雙重影響，Um是一個不穩定的直流電壓。Um經過開關管TS 加到變壓器TF 的兩端。TS 受控于PWM 電路，工作在開關狀態。PWM 電路輸出高電平時TS 導通，TF 初級線圈開始充磁儲能，這時次級線圈回路中的二極管D反偏截止。PWM電路輸出低電平時TS 截止，D 導通，TF 中的能量傳輸到次級。根據不同負載需要，輸出電壓Uo通常會有幾組不同值。由于受到環路負反饋的嚴格控制，因此Uo是高度穩定的。在實際電路中，Uo反饋到PWM 電路的過程中經過光電耦合器進行電氣隔離。

在開關電源中，輸出電壓Uo=KDUm。式中K為系數，由實際電路元件參數決定。D為PWM的占空比，即TS 驅動脈沖的高電平時間與脈沖周期之比。計算機及通信設備采用逆變電源供電時，Um為300 V左右。輸出電壓等式表明，雖然Um是變化的，但只要通過PWM電路調節D就可以輸出穩定的Uo。

3 直流電源供電方式

3.1 最簡方式

在交換機、路由器、顯示器等設備的銘牌上，可以發現交流輸入電壓標識普遍為100～240 V。圖2 為一主流品牌的計算機電源，交流輸入電壓也是在這個范圍。可見，交流輸入電壓100～240 V的電源正在成為計算機及通信設備的標準電源。把這個交流輸入電壓進行折算，得到中間電壓范圍為141～339 V。當廠站端直流電源電壓采用220 V 標準時，在數值上這個電壓就已經進入到標準電源的中間電壓范圍，而且還超出下限很多，這就為計算機及通信設備直流供電提供了空間。

直流供電時的最簡方式，就是電源從220 V直流母線饋出，經過自動空氣開關、PDU（power distribution unit，電源分配單元）后直接為計算機及通信設備供電。在實際應用中，各類廠站端配置的直流電源通常為220 V，直流電壓在這種配置時，可以不對計算機及通信設備中電源部分做任何調整，計算機及通信設備可以實現即插即用，這是最簡方式。在這種方式下，由于開關電源中的硅橋能夠自動完成極性校正，因此在連接時無需理會電源的極性。

在最簡方式下，通過實驗可以發現，當220 V直流母線電壓將至最低允許值時，計算機及通信設備中的開關電源仍能維持穩定輸出。這種最簡方式不足之處是由于開關電源中間電壓不是處于最佳設計值，因此開關電源轉換效率可能會有所下降。

3.2 計算機及通信設備中電源電路的優化

當廠站配置的直流電源為220 V 時，為了充分提高計算機及通信設備中開關電源的效率，宜取消開關電源初級電路中的限流、整流元件。另外，宜重新配置開關變壓器初級線圈、開關管。為了消除上電時的沖擊，宜取消整流元件后面的濾波用大容量電解電容。這些優化項目完成之后，開關電源體積將會減小、成本也隨之降低。為了保證工作質量，這類優化項目應交由電源制造商來完成。

當廠站配置的直流電源為110 V 時，在數值上這個電壓已經超出了計算機及通信設備中標準電源的中間電壓范圍，為了實現直流供電，必須對計算機及通信設備中電源電路進行適應性調整。這時應取消開關電源初級電路中的限流、整流元件。另外，應重新配置開關變壓器初級線圈、開關管。為了消除上電時的沖擊，應取消整流元件后面的濾波用大容量電解電容。同樣，這些優化項目完成之后，開關電源體積將會減小、成本也隨之降低。同樣，為了保證工作質量，這類優化項目應交由電源制造商來完成。

3.3 實際應用情況

某66 kV 變電站，廠站端配置有220 V 直流，容量200 Ah。用于實時監控系統的計算機及通信設備主要有：就地監控計算機一臺、調度數據網通信設備一套、五防計算機一臺，這些負荷合計約為360 W。將逆變電源停用，將上述設備改由直流電源直接供電，一年來所有設備運行正常，監控系統工作穩定。該站控制母線電壓為220 V，合閘母線電壓為240 V，為了提高電源轉換效率，調整時將計算機及通信設備電源取自合閘母線。

在電路結構上，打印機與計算機、通信設備不同，打印機不能采用直流電源供電。事實上，由于不存在實時性要求，打印機也不能由逆變電源供電，只能由站用交流電源供電。

4 結束語

與采用逆變電源供電方式相比，計算機及通信設備采用直流供電方式后會帶來如下改變。一是電源系統減少了中間環節，計算機及通信設備工作可靠性提高。二是廠站端屏柜數量減少，逆變電源設備建設費用、維護費用、維護工作量被完全消除。三是直流電源系統能量轉換效率提高。

另外，為了從源頭上消除計算機及通信設備采用直流供電方式存在的問題，在設備招標、采購時應對計算機及通信設備中的電源標準提出明確要求。