240 V直流電源系統(tǒng)技術(shù)在福州電信的應(yīng)用

江競(jìng)帆

（中國(guó)電信股份有限公司福州分公司網(wǎng)絡(luò)操作維護(hù)中心，福建 福州350001）

0 引 言

隨著通信網(wǎng)絡(luò)和業(yè)務(wù)需求的不斷發(fā)展，通信設(shè)備對(duì)電源安全供電要求也越來越高。長(zhǎng)期以來，使用交流電源的通信設(shè)備均由交流UPS供電，但交流UPS電源系統(tǒng)存在著單點(diǎn)故障點(diǎn)的問題始終沒有得到很好解決，因交流UPS電源系統(tǒng)而造成整局癱瘓的惡性通信事故屢屢發(fā)生，使通信網(wǎng)絡(luò)的供電安全受到了嚴(yán)峻考驗(yàn)。與傳統(tǒng)的48 V直流供電方式比較，在通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備中采用交流UPS系統(tǒng)供電，存在可靠性低、維護(hù)擴(kuò)容難度大、效率低等多方面弊端。

1 240 V直流替代交流UPS給IT設(shè)備供電的原理和優(yōu)勢(shì)

現(xiàn)時(shí)IT設(shè)備（計(jì)算機(jī)及其外設(shè)）機(jī)內(nèi)電源普遍采用高頻開關(guān)電源技術(shù)。在市電的入口處都有一個(gè)整流橋電路。交流電壓通過整流橋，變成直流電壓。也就是說，IT設(shè)備內(nèi)部最終提供到元器件級(jí)的都是直流電源。圖1是計(jì)算機(jī)通常采用的ATX開關(guān)電源的原理框圖。

圖1 計(jì)算機(jī)內(nèi)ATX開關(guān)電源的原理框圖

實(shí)際上，也可以直接使用直流電源的輸出從原來的交流入口處接入用戶設(shè)備供電，不必對(duì)原設(shè)備進(jìn)行任何改動(dòng)，如圖2所示。

圖2 電源模塊中的“市電側(cè)整流濾波”電路可以通過直流電的示意圖

從電子電路原理上分析，只要在設(shè)備電源的交流輸入端沒有串聯(lián)電容或互感式電感線圈的隔離，都可以通過直流電。由此可知，上述IT設(shè)備中絕大部分是可以采用同電壓等級(jí)的直流電源替代交流電源供電進(jìn)行工作的。

圖3 交流UPS向計(jì)算機(jī)供電的原理電路框圖

傳統(tǒng)的交流UPS是AC－DC－AC模式，它有兩個(gè)變換環(huán)節(jié)：一是整流濾波（AC－DC）環(huán)節(jié)，二是逆變（DC－AC）環(huán)節(jié)。圖3中的左側(cè)虛線框內(nèi)所示的電路為傳統(tǒng)交流UPS，它包括整流器、蓄電池和逆變器；圖右側(cè)虛線框內(nèi)所示的電路，為計(jì)算機(jī)中的ATX開關(guān)電源，它包括抗干擾電路、市電側(cè)整流濾波電路和DC／DC變換電路。圖左側(cè)的傳統(tǒng)交流UPS電路中，市電220 V交流電壓經(jīng)過無任何升、降壓功能的橋式整流器，整流成直流電向蓄電池進(jìn)行浮充電，蓄電池上的直流電再經(jīng)過逆變器逆變成220 V工頻交流電壓向計(jì)算機(jī)供電。圖右側(cè)的計(jì)算機(jī)ATX開關(guān)電源中，“市電側(cè)整流濾波電路”再將220 V工頻交流電壓整流成直流電，而后再由ATX中的DC／DC變換器將直流電壓變換成12 V，5 V和3.3 V的直流電壓向計(jì)算機(jī)供電。

圖4 交流UPS和高壓直流的結(jié)構(gòu)比較

由圖4可以看出，左側(cè)交流UPS中的整流器輸出與右側(cè)ATX中“市電側(cè)整流濾波電路”的輸出都是直流電壓。這就說明逆變器將蓄電池的直流電再逆變成220 V交流電是多余的。因此可以將交流UPS中的逆變器去掉，并直接將蓄電池的直流電通過計(jì)算機(jī)中ATX的“市電側(cè)整流濾波電路”向計(jì)算機(jī)供電，成為直流供電。采用240 V直流電源（HVDC）替代交流UPS給IT設(shè)備供電，有著明顯的優(yōu)勢(shì)，如表1所示。

表1 HVDC與傳統(tǒng)交流UPS的比較

2 福州電信240 V直流電源系統(tǒng)應(yīng)用實(shí)例

2010年中國(guó)電信發(fā)布《通信用240 V直流供電系統(tǒng)技術(shù)節(jié)能試點(diǎn)技術(shù)指導(dǎo)意見》，2011年通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《240 V 直流電源系統(tǒng)》（YD／T2378－2011）發(fā)布，開啟了240 V直流電源應(yīng)用的大幕。福州電信迅速啟動(dòng)，從2011年起在省綜合信息樓分批上馬了9套240 V直流電源系統(tǒng)，為IT和IDC機(jī)房提供不間斷電源，共計(jì)近千臺(tái)各類通信設(shè)備，成效斐然。

圖5為240 V直流電源供電系統(tǒng)設(shè)備安裝現(xiàn)場(chǎng)實(shí)拍圖。

圖5 240 V直流電源供電系統(tǒng)設(shè)備安裝現(xiàn)場(chǎng)實(shí)拍圖

3 240 V直流電源供電方案的選擇

240V直流電源供電方案的選擇方案如下：

（1）系統(tǒng)主要由在一個(gè)或多個(gè)機(jī)架中的交流配電部分、高頻開關(guān)整流模塊、直流配電部分、監(jiān)控單元以及絕緣監(jiān)察、接地部分等組成。

（2）系統(tǒng)可分為一體化組合式系統(tǒng)和分立式系統(tǒng)，如圖5所示。系統(tǒng)容量在300 A以下的可使用一體化組合式系統(tǒng)；系統(tǒng)容量在300 A以上或需要較好的擴(kuò)充性能的應(yīng)使用分立式系統(tǒng)。

（3）一體化組合式系統(tǒng)的交流分配部分、高頻開關(guān)電源整流器、直流分配部分、蓄電池接入等可以安裝在同一機(jī)架內(nèi)，蓄電池單獨(dú)安裝，如圖5（a）。

圖6 一體化組合式系統(tǒng)和分立式系統(tǒng)

（4）分立式系統(tǒng)的交流分配部分、高頻開關(guān)電源整流器、直流分配部分宜分別安裝在不同的機(jī)架，蓄電池單獨(dú)安裝。監(jiān)控單元可安裝在某個(gè)機(jī)架內(nèi)，如圖5（b）。

通過充分的調(diào)研和討論，形成以下一致意見：

（1）采用分立式系統(tǒng)為組網(wǎng)方案，系統(tǒng)滿容量為800 A，最大輸出帶載量為600 A（159 kW），電池充電為20小時(shí)率。

（2）系統(tǒng)采用懸浮方式供電，系統(tǒng)交流輸入應(yīng)與直流輸出電氣隔離；系統(tǒng)直流輸出應(yīng)與地、機(jī)架、外殼電氣隔離；使用時(shí)，正、負(fù)極均不得接地，采用懸浮方式供電；系統(tǒng)應(yīng)有明顯標(biāo)識(shí)標(biāo)明該系統(tǒng)直流輸出不接地。

（3）系統(tǒng)具備絕緣監(jiān)察功能。系統(tǒng)應(yīng)具備絕緣監(jiān)測(cè)功能，在直流輸出總配電屏中，應(yīng)對(duì)總母排的絕緣狀況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，可對(duì)每個(gè)分支路的絕緣狀況進(jìn)行在線或非在線監(jiān)測(cè)；直流系統(tǒng)發(fā)生接地故障或絕緣電阻低于28 kΩ時(shí)，絕緣監(jiān)察裝置保護(hù)動(dòng)作；絕緣監(jiān)察裝置應(yīng)能測(cè)量出直流系統(tǒng)一極或二極絕緣下降和絕緣電阻數(shù)值，當(dāng)?shù)陀谡ㄖ禃r(shí)應(yīng)能發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

（4）系統(tǒng)采用“直流系統(tǒng)總輸出屏＋電源列柜”的二級(jí)配電結(jié)構(gòu)，為設(shè)備機(jī)架供電如圖7所示。

（5）末端設(shè)備機(jī)架配電方式：采用雙極直流微斷（即空開），容量為10 A或16 A，一個(gè)空開對(duì)應(yīng)接入服務(wù)器的一個(gè)電源模塊。

4 服務(wù)器上電策略及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)

服務(wù)器上電策略及經(jīng)驗(yàn)總結(jié)：

（1）上電現(xiàn)場(chǎng)配置了一臺(tái)240 V直流負(fù)載，用于測(cè)試服務(wù)器是否適用HVDC；

（2）用萬用表電阻檔測(cè)試L、N兩端可判斷服務(wù)器電源是否采用開關(guān)電源技術(shù)，接入是否會(huì)造成短路。經(jīng)實(shí)際探索，服務(wù)器電源L、N兩端正反各測(cè)試1次，若電阻值在10 kΩ以上，接入HVDC不會(huì)發(fā)生短路；若在1 kΩ以下，不能接入，否則會(huì)引發(fā)空開跳閘。

（3）服務(wù)器上架送電后，若遇到不能正常啟動(dòng)的，可以嘗試將電源線L、N對(duì)調(diào)后接入空開，如能正常啟動(dòng)，說明該服務(wù)器開關(guān)電源采用半波整流技術(shù)；如還不能正常啟動(dòng)，說明該服務(wù)器電源不適用HVDC（可能原因是該電源模塊判斷輸入頻率不合格而拒絕啟動(dòng)電源）；此類情況我省遇到2例。

圖7 “直流系統(tǒng)總輸出屏＋電源列柜”的二級(jí)配電結(jié)構(gòu)

（4）個(gè)別服務(wù)器上架送電后，電源模塊供電正常，但有聲光告警。這種情況基本是該服務(wù)器電源模塊具備輸入頻率監(jiān)測(cè)功能，提示頻率不符合要求（HVDC沒有頻率），但不影響服務(wù)器正常工作。此類情況福建省遇到1例。

（5）針對(duì)少量不能適用HVDC的服務(wù)器解決方案。

a.更換服務(wù)器電源模塊。此方案看似簡(jiǎn)便，但因電源模塊品種規(guī)格接口不一，難以匹配到相同的電源模塊，福州電信公司至今未應(yīng)用。

b.采用240 V直流逆變器供電。在服務(wù)器機(jī)柜內(nèi)安裝240 V直流逆變器直接對(duì)服務(wù)器供電，單電源服務(wù)器配置1臺(tái)逆變器，多電源服務(wù)器配置2臺(tái)逆變器。

此方案有較好的針對(duì)性和通用性，福建省已采用并實(shí)施3例，效果良好。

（6）福州電信公司目前不能適用HVDC的服務(wù)器匯總表

表2 不能適用HVDC的服務(wù)器匯總表

（7）福州電信公司已在IT和IDC業(yè)務(wù)方面推廣HVDC，目前上架近千臺(tái)設(shè)備，適用率在99%以上。

5 240 V直流供電系統(tǒng)保障等級(jí)探討

《中國(guó)電信〔2010〕851號(hào)關(guān)于印發(fā)通信用240 V直流供電系統(tǒng)節(jié)能試點(diǎn)技術(shù)指導(dǎo)意見（暫行）的通知》中的第8頁描述“由于高壓直流系統(tǒng)直接將蓄電池接在輸出母排上，大大減少了單點(diǎn)故障點(diǎn)，因此采用單套高壓直流系統(tǒng)、雙路獨(dú)立物理路由的供電模式，從原理分析和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)應(yīng)用等多方面證明，其可靠性可以等效于完全獨(dú)立的雙系統(tǒng)、雙母線（2N）的交流 UPS系統(tǒng)，能夠滿足通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)備最高等級(jí)的供電保障要求?！?/p>

在實(shí)際推廣中，仍有不少IDC大客戶堅(jiān)持交流UPS“2N”保障等級(jí)的老思路，為此，我司適時(shí)采取了兩套240 V直流系統(tǒng)、雙母線對(duì)一個(gè)服務(wù)器的“準(zhǔn)2N”供電模式，即物理路由上實(shí)現(xiàn)2N保障，容量實(shí)現(xiàn)1N供電。這樣的1N容量的供電模式，在非常極端的情況下，如果有1套高壓直流系統(tǒng)掉電，負(fù)載仍可由另外1套高壓直流系統(tǒng)供電，如容量不足，蓄電池組可以放電進(jìn)行支援，我們有充分時(shí)間排除故障并且有能力有手段進(jìn)行搶修（這一點(diǎn)勝過UPS系統(tǒng)），確保用戶設(shè)備不掉電，保障等級(jí)不降低。

6 結(jié)束語

240 V直流電源替代傳統(tǒng)UPS為服務(wù)器供電，是通信電源的一次重大突破和技術(shù)創(chuàng)新。在集團(tuán)公司的大力支持下，在設(shè)備集采環(huán)節(jié)中已向供應(yīng)商明確要求適用HVDC。目前在電信內(nèi)部（如IT等部門）推廣比較順利，但是在IDC行業(yè)推廣還是遇到了較大的阻力，主要體現(xiàn)在：客戶不了解HVDC，質(zhì)疑能否替代傳統(tǒng)UPS；客戶服務(wù)器由其自行采購，服務(wù)器廠家不承諾適用HVDC；服務(wù)器廠家聲稱客戶服務(wù)器若使用HVDC，就不提供保修服務(wù)；等等。針對(duì)這種情況，福建省政企和建設(shè)維護(hù)等多部門做了大量工作，打開了IDC業(yè)務(wù)應(yīng)用的突破口，目前發(fā)展形勢(shì)良好。