240V高壓直流電源在航天通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉棟梁

（航天通信中心，北京 100830）

240V高壓直流電源在航天通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉棟梁

（航天通信中心，北京 100830）

航天通信系統(tǒng)對電源的安全性、可靠性提出了極高的要求。近年來240V高壓直流供電系統(tǒng)以其安全性、可靠性以及投資和節(jié)能方面的巨大優(yōu)勢，已經(jīng)在國內(nèi)IT設(shè)備供電方面得到廣泛推廣應(yīng)用。本文結(jié)合航天通信系統(tǒng)電源的現(xiàn)狀，對高壓直流供電技術(shù)的可行性和應(yīng)用技術(shù)要點進(jìn)行了分析，并提出了在航天通信系統(tǒng)中推廣應(yīng)用的建議。

高壓直流電源；航天通信系統(tǒng)；可行性；技術(shù)要點

航天事業(yè)擔(dān)負(fù)著特殊的國家使命。航天通信系統(tǒng)具有專用性和保密性特點，特別是較高的時效性要求。通信電源的可靠性是航天通信部門首要考慮的問題，是通信系統(tǒng)安全運行的重要保證。

當(dāng)前，航天系統(tǒng)各通信局（站）普遍采用UPS系統(tǒng)作為IT設(shè)備的主用電源，它克服了因市電中斷而導(dǎo)致的系統(tǒng)中斷。但是，UPS自身、甚至并機冗余系統(tǒng)的故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信事故也時有發(fā)生，已產(chǎn)生較大的社會影響和相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)損失[1]。

240V高壓直流供電系統(tǒng)（HVDC）作為一項簡單、可靠的技術(shù)，減少了電力轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高了供電可靠性和效率，受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。航天通信部門應(yīng)積極跟蹤電源科技的發(fā)展變化，關(guān)注應(yīng)用實踐中的探索成果，將新技術(shù)轉(zhuǎn)換為新應(yīng)用，提升航天通信系統(tǒng)的可靠性水平。

1 UPS系統(tǒng)的不足

UPS是IT設(shè)備電源保障的主流設(shè)備。有些通信局（站）利用-48V蓄電池組資源與逆變器組合，來提升IT設(shè)備的供電保障等級，為非主流用法，產(chǎn)品較少。

圖1 UPS的構(gòu)成

圖1 為UPS的構(gòu)成圖。在線式UPS運行的工作過程為整流（AC/DC）—浮充—逆變（DC/AC）—輸出；市電中斷時 360V蓄電池組經(jīng)逆變電路保障IT設(shè)備的電能供給；UPS故障時，將維修開關(guān)轉(zhuǎn)入市電旁路維持供電。

圖2為逆變電源的構(gòu)成圖。相對于UPS來說，其特點是利用傳統(tǒng)通信局站已有的-48V蓄電池組和整流設(shè)備，配置逆變器即可。該系統(tǒng)適用于小容量不間斷交流供電，為減少整流設(shè)備的負(fù)荷，采取旁路運行模式。

圖2 某航天通信局逆變電源的構(gòu)成

如圖 1、圖 2所示，二者從輸入端到輸出端都經(jīng)歷整流—浮充—逆變—輸出的過程，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)較多。系統(tǒng)均存在如下問題：①存在單點故障的可能，系統(tǒng)可靠性不高；②并聯(lián)運行時（并機冗余系統(tǒng)）負(fù)載率低；③維護(hù)難度大，對廠家的依賴度較高；④轉(zhuǎn)換效率低。

2 240V高壓直流供電系統(tǒng)的優(yōu)勢

240V高壓直流供電系統(tǒng)有著技術(shù)成熟、可靠性高、維護(hù)操作簡易、轉(zhuǎn)換效率高、在線擴容簡單等優(yōu)點，通信業(yè)界一直在探討采用高壓直流系統(tǒng)來代替UPS系統(tǒng)。

240V高壓直流供電系統(tǒng)具有明顯技術(shù)優(yōu)勢和價格優(yōu)勢，且能在沿用現(xiàn)有的IT設(shè)備的前提下推廣使用，因此得到了各級部門的廣泛重視和支持。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成簡單

圖3為240V高壓直流供電系統(tǒng)構(gòu)成圖。由圖中可以看出，原理、架構(gòu)與傳統(tǒng)通信局（站）的-48V直流供電系統(tǒng)完全相同，而后者的可用性及可靠性均得到數(shù)十年運行的檢驗。

因此，該系統(tǒng)易于維護(hù)，對廠商的依賴度降低；負(fù)載率高且易于擴容；運行效率高；直流母排是電池組、整流器、負(fù)載的共同匯結(jié)點，系統(tǒng)可靠性高。

圖3 240V高壓直流供電系統(tǒng)的構(gòu)成

2.2 供電配電簡便

圖4 為240V高壓直流供電系統(tǒng)圖（通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 2378—2011圖A.1）。由圖中可以看出，電池組經(jīng)熔斷器與整流模塊輸出端在總輸出屏構(gòu)成輸出母排，系統(tǒng)兩路輸出（A路和B路），通過列頭柜配電，來滿足雙電源服務(wù)器的需求，而單電源服務(wù)器僅使用A路或B路。

系統(tǒng)采用2根電纜（正、負(fù)極）、以懸浮方式由電源端向設(shè)備端供電；全系統(tǒng)機架外殼與樓層等電位體進(jìn)行電氣連接。

2.3 系統(tǒng)投資減少

根據(jù)中國電信江蘇鹽城分公司統(tǒng)計數(shù)據(jù)，相對于新建UPS系統(tǒng)，采用240V高壓直流供電系統(tǒng)可平均節(jié)省投資超過40%，整個生命周期內(nèi)平均節(jié)省電力20%～30%[3]。

圖4 240V高壓直流供電系統(tǒng)

3 HVDC應(yīng)用的可行性分析

隨著電源技術(shù)的進(jìn)步，IT設(shè)備的電源模塊早已采用高頻開關(guān)電源。這樣，240V高壓直流系統(tǒng)供電成為可能。

3.1 240V高壓直流的可用性

圖 5為 IT設(shè)備電源模塊交流電入口處的等效圖。由圖中可以看出，在傳統(tǒng)的工作環(huán)境下，AB間Ui為標(biāo)稱的220V交流電；全橋整流后CD間Uo將獲得198～308V的直流電（視負(fù)載率大小和有無PFC—功率因數(shù)校正電路）。

圖5 IT設(shè)備交流電入口處等效圖

市電電壓波動將引起整流電壓的波動。根據(jù)GB/T 12325—2003《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》的規(guī)定，電壓偏差為標(biāo)稱電壓的-10%、+7%，即198～235.4V，對應(yīng)的整流電壓Uo為178.2～329.6V。可見，IT設(shè)備CD間工作電壓的范圍是較寬的。

當(dāng)IT設(shè)備直接采用直流供電，如A端＋、B端－，Ui為 DC270V（浮充電壓）時，將使得二極管2、4長期導(dǎo)通，另兩只1、3長期截止。二極管2、4等效為導(dǎo)體，CD間Uo約為270V的直流電。結(jié)論是：IT設(shè)備在AC220V或DC270V條件下完全等效工作。

3.2 HVDC各種狀態(tài)下的輸出電壓分析

YD/T 2378—2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》要求，系統(tǒng)應(yīng)采用鉛酸蓄電池組、并且應(yīng)具有電池管理能力。鉛酸蓄電池的特性決定了電池組的電壓范圍，而是否在IT設(shè)備的承受范圍內(nèi)是可用性研究的關(guān)鍵因素。現(xiàn)以國內(nèi)某品牌電池為例，分析各種狀態(tài)下的輸出電壓。

1）浮充狀態(tài)。YD/T 2378—2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》要求，240V高壓直流電源的輸出電壓范圍是 204～288V，全程允許最大壓降為 12V，即IT設(shè)備的電壓承受范圍是192～288V。常態(tài)下，該品牌240V蓄電池組的浮充電壓為270V，滿足IT設(shè)備的電壓要求。

2）放電狀態(tài)。當(dāng)遭遇長時間停電而又無后備手段時，蓄電池組放電的終止（保護(hù)）電壓為222V，高于IT設(shè)備工作電壓下限（204V）的要求。當(dāng)然，現(xiàn)代通信局（站）應(yīng)（都）具有后備電源和快速接續(xù)的能力。

3）均充狀態(tài)。該品牌240V蓄電池組的均充電壓為282V，低于IT設(shè)備工作電壓上限（288V）的要求。

由以上的參數(shù)分析可以得出結(jié)論：240V高壓直流供電系統(tǒng)各種狀態(tài)下的輸出電壓均可滿足 IT設(shè)備的工作需要，且有一定的安全裕度。

3.3 建立了完善的標(biāo)準(zhǔn)體系

我國相繼發(fā)布了YDB 037—2009《通信用240V直流供電系統(tǒng)技術(shù)要求》、YD/T 2378—2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》、YD/T 2555—2013《通信用240V直流供電系統(tǒng)配電設(shè)備》、YD/T 2556—2013《通信用240V直流供電系統(tǒng)應(yīng)用維護(hù)技術(shù)要求》、YD 5210—2014《240V直流供電系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》等系統(tǒng)性標(biāo)準(zhǔn)，為推廣 240V高壓直流供電系統(tǒng)應(yīng)用、逐步替代UPS電源系統(tǒng)奠定了扎實的基礎(chǔ)。

4 HVDC在航天通信系統(tǒng)中應(yīng)用設(shè)想

近年來，業(yè)界對240V系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛的研究，三大運營商和多家著名 IT企業(yè)已在多地建設(shè)了試驗性系統(tǒng)，通信設(shè)備制造商已有配套產(chǎn)品。更為重要的是，如上文所述，我國率先編制了相關(guān)的系統(tǒng)性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

航天通信各部門應(yīng)積極借鑒通信行業(yè)HVDC的實踐經(jīng)驗，高度重視系統(tǒng)建設(shè)或改造各環(huán)節(jié)的技術(shù)要點。秉承“嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實”的傳統(tǒng)精神和“穩(wěn)中求進(jìn)”的工作作風(fēng)，航天通信電源系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步將指日可待。

4.1 IT設(shè)備適應(yīng)性的核查

如前所述，HVDC系統(tǒng)的應(yīng)用是基于IT設(shè)備的電源變換采用了開關(guān)電源技術(shù)。對于舊有系統(tǒng)的供電改造，要高度重視IT設(shè)備適應(yīng)性的核查環(huán)節(jié)。

核查至少包括以下項目：①IT設(shè)備電源回路不得有船型開關(guān)或紐子開關(guān)；②IT設(shè)備電源回路無并聯(lián)的感性元器件和串聯(lián)的容性元器件；③IT設(shè)備上不得有變壓器、交流電動機，如交流風(fēng)扇等；④IT設(shè)備能夠在192～288V直流電壓范圍內(nèi)正常工作。

240V高壓直流供電系統(tǒng)能滿足采用SSI和ATX規(guī)范電源模塊的IT設(shè)備。

4.2 系統(tǒng)建設(shè)中應(yīng)關(guān)注的技術(shù)要點

IT設(shè)備采用直流電供電，顛覆了人們的一貫思維。隨著技術(shù)進(jìn)步和建設(shè)實踐，系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)成熟。但鑒于直流電的特性，系統(tǒng)建設(shè)中應(yīng)關(guān)注以下技術(shù)要點。

1）系統(tǒng)容量的選擇。根據(jù)YD/T 2378—2011《通信用 240V直流供電系統(tǒng)》的要求，系統(tǒng)供電宜采用分散供電方式，單個系統(tǒng)容量不宜超過600A。

2）配置絕緣監(jiān)察裝置。高壓直流電源系統(tǒng)屬于不接地系統(tǒng)，如果系統(tǒng)自身或輸電線路出現(xiàn)絕緣降低問題,絕緣監(jiān)察將發(fā)揮極為重要的作用（絕緣告警整定值 15～30kΩ）。

3）系統(tǒng)對地懸浮。YD/T 2378—2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》規(guī)定，通信用高壓直流供電系統(tǒng)正、負(fù)極均不得接地，應(yīng)采用對地懸浮供電方式；系統(tǒng)的交流輸入應(yīng)與直流輸出電氣隔離，系統(tǒng)輸出應(yīng)與地、機架、外殼電氣隔離。

4）熔斷器與斷路器的配合。直流配電第一級的正負(fù)極分別設(shè)置熔斷器，發(fā)生故障時，確保兩個熔斷器同時分?jǐn)?，以此來保障電源系統(tǒng)安全性。而在列頭柜等小電流支路，可以選擇雙極直流型斷路器。熔斷器與斷路器的串聯(lián)使用，能夠?qū)崿F(xiàn)整個系統(tǒng)的安全性和操作的便利性。

5）直流PDU和插頭連接。直流電難以消弧，不應(yīng)直接使用插座式PDU分?jǐn)嚯娫矗欢俗邮絇DU又接線復(fù)雜。通過二者結(jié)合使用，可以提高系統(tǒng)的安全性和操作的便利性。

直流輸出的正極，對應(yīng)設(shè)備插頭的N端；直流的負(fù)極，對應(yīng)L端；設(shè)備插頭的地端與系統(tǒng)保護(hù)地連接。

5 結(jié)論

通信電源技術(shù)的重大發(fā)展方向是高壓直流供電，IT設(shè)備高壓直流供電已經(jīng)成為行業(yè)熱點。高壓直流供電系統(tǒng)從根本上克服了UPS存在的單點故障問題，且維護(hù)操作方法簡便，提高了系統(tǒng)的安全性、可靠性。幾年來已有數(shù)以十萬計的 IT設(shè)備運行在240V高壓直流環(huán)境下，表現(xiàn)出很好的可靠性和節(jié)能效果[5]。

240V高壓直流供電系統(tǒng)的成熟期已經(jīng)到來，航天通信系統(tǒng)采用先進(jìn)的通信電源技術(shù)勢在必行。

[1] 丘凱亮. 240V高壓直流供電系統(tǒng)的應(yīng)用[J]. 科技信息, 2013(1)： 408.

[2] YD/T 2378—2011. 通信用240V直流供電系統(tǒng)[S].

[3] 齊國富, 田雨, 杜玉剛, 等. 論 240V 高壓直流供電技術(shù)在油田信息機房中應(yīng)用的可行性分析[J]. 中國管理信息化, 2014, 7(13)： 52-53.

[4] 浙江南都電源動力股份有限公司. LSE系列閥控式密封鉛酸蓄電池安裝手冊[Z].

[5] 李典林, 朱華. 市電＋高壓直流與傳統(tǒng) UPS供電架構(gòu)對比淺析[J]. 智能建筑, 2014(7)： 56-60.

Discussion and Application of 240V HVDC in the Field of Communication System of China Aerospace

Liu Dongliang
(Aerospace Communication Center, Beijing 100830)

Aerospace Communication has a high requirement on the safety and reliability of the power supply on communication system. With the obvious advantages in reliability, investment, energy conservation etc, 240V HVDC (high voltage direct current) power supply technology has become widely used in the IT equipment field. Based on the reality of the current communication system of China Aerospace, the feasibility and key engineering techniques are analyzed, and the suggestion of popularizing and applying in HVDC power supply system is put forward.

240V HVDC；communication system of China Aerospace；feasibility； key engineering techniques

劉棟梁（1962-），男，碩士，高級工程師，長期從事通信電源技術(shù)工作。