標準先行
——引領(lǐng)和推動綠色安全的HVDC技術(shù)應用

余斌 于海濱 楊世忠 王超

(1.中國信息通信研究院泰爾認證研究所，北京 100088；2.中國信息通信研究院泰爾系統(tǒng)實驗室，北京 100191；3.中國通信學會通信電源委員會，北京 100846；4.中國通信標準化協(xié)會，北京 100191)

0 引言

隨著信息通信業(yè)的高速發(fā)展，特別是“新基建”概念的提出，大型數(shù)據(jù)中心、通信機房建設(shè)規(guī)?？焖偕仙?，對供電系統(tǒng)的要求也越來越高，傳統(tǒng)的UPS電源設(shè)備很難兼顧綠色環(huán)保、高可靠、易維護等多方面的需求。在實際應用中，高壓直流供電系統(tǒng)在上述方面具有明顯優(yōu)勢，已經(jīng)逐漸得到了業(yè)內(nèi)的廣泛認可。

高壓直流供電技術(shù)從最初應用于三大通信服務(wù)運營商，發(fā)展至今已經(jīng)逐步擴展到互聯(lián)網(wǎng)、教育、金融、政府機關(guān)等不同領(lǐng)域的大型機房或數(shù)據(jù)中心，成為信息通信網(wǎng)絡(luò)電源解決方案的優(yōu)選，也使得供電安全、節(jié)能成效不斷提升?；仡橦VDC技術(shù)應用的發(fā)展歷史，每一步都切合著相關(guān)標準的引領(lǐng)和規(guī)范。HVDC技術(shù)發(fā)展之初，中國通信標準化協(xié)會通信電源與通信局站工作環(huán)境技術(shù)委員會(CCSA TC4)根據(jù)相關(guān)產(chǎn)品試點應用和技術(shù)發(fā)展情況及時制定了YD/T 2378-2011《通信用240 V直流供電系統(tǒng)》[1]通信行業(yè)標準，隨后不斷完善并形成系列標準，引領(lǐng)和規(guī)范技術(shù)發(fā)展的系統(tǒng)要求、使用的關(guān)鍵部件及技術(shù)設(shè)備升級，針對實際應用需要制定了維護標準、通信設(shè)備電源輸入接口標準和運行后評估標準，不斷引領(lǐng)我國HVDC技術(shù)高質(zhì)量發(fā)展，保障了數(shù)據(jù)中心、通信機房、局站的供電安全與可靠，持續(xù)助力我國信息通信產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展。

1 HVDC相關(guān)通信行業(yè)標準化推進歷程

HVDC技術(shù)標準化發(fā)展進程，初步劃分為技術(shù)路線確立、應用關(guān)鍵技術(shù)控制與規(guī)范、運行維護評估3個部分，并伴隨著技術(shù)發(fā)展和應用場景變化不斷修訂完善(見圖1)。

1.1 發(fā)展之初，標準推動技術(shù)路線確立

1.1.1 240 V直流供電系統(tǒng)標準首次制定

2000年左右，大量服務(wù)器、路由器等大功率的網(wǎng)絡(luò)及IT設(shè)備進入通信機房和數(shù)據(jù)中心，這些大功率設(shè)備采用交流電源供電，并使用傳統(tǒng)交流UPS電源作為供電保障。在不斷擴大的應用中，傳統(tǒng)交流UPS的各種缺陷逐步暴露，例如，通信行業(yè)使用大量UPS設(shè)備，因UPS設(shè)備本身故障導致系統(tǒng)宕機掉電的惡性事故屢見不鮮，甚至發(fā)生了大容量電解電容爆炸起火的火災事故，嚴重影響了通信機房和數(shù)據(jù)中心的運營安全。且傳統(tǒng)UPS電源設(shè)備具有可靠性低的固有缺陷，通信用UPS系統(tǒng)普遍采用多機冗余并機的方式，單臺UPS電源設(shè)備的載荷率不到一半，極易造成投資資源的浪費。

圖1 高壓直流相關(guān)標準發(fā)布時間線

針對以上問題，2008年左右我國創(chuàng)新性地提出了240 V直流供電技術(shù)。2009年7月，高壓直流相關(guān)案例已經(jīng)開始批量應用，相較于傳統(tǒng)UPS供電，240 V直流供電技術(shù)能效更高、可靠性更好，且不用改變現(xiàn)有IT設(shè)備電源產(chǎn)業(yè)鏈，是通信供電體制的一次重大變革，是未來通信機房、數(shù)據(jù)中心供電技術(shù)發(fā)展方向之一，具有很高的推廣價值。CCSA TC4通過對該技術(shù)的研究分析，提出行業(yè)標準立項并獲得批準。標準編制中關(guān)鍵技術(shù)指標制定思路如下。

(1)定義：通信局站和數(shù)據(jù)機房中向通信設(shè)備供電，標稱電壓為240 V的直流供電系統(tǒng)[1]。在行業(yè)標準中明確了240 V直流供電系統(tǒng)的定義，為后續(xù)HVDC系列標準的制定以及相關(guān)產(chǎn)品和技術(shù)的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

(2)系統(tǒng)組成與配電結(jié)構(gòu)確立：標準中明確規(guī)定了240 V直流供電系統(tǒng)主要由整流模塊、交流配電部分、直流配電部分、蓄電池組、監(jiān)控單元以及絕緣監(jiān)察裝置等組成[1]。

不同于UPS供電系統(tǒng)，240 V直流供電系統(tǒng)的蓄電池組直接掛在輸出母線排上，這樣的設(shè)計架構(gòu)極大地降低單點故障發(fā)生率，采取的單套240 V直流系統(tǒng)、雙路物理路由的供電架構(gòu)無論從原理分析還是現(xiàn)場試驗驗證，都滿足通信行業(yè)最高等級的供電保障要求。其二級配電結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(3)系統(tǒng)電壓等級(標稱電壓)：綜合考慮通信機房、數(shù)據(jù)中心選用的鉛酸蓄電池組，電壓等級通常采用12的倍數(shù)，為利于今后推廣使用，同時兼顧工程施工便利性及電池架結(jié)構(gòu)合理性，最后選擇了電池節(jié)數(shù)為20只的240 V電壓等級。綜合IT設(shè)備電壓等級兼容性、節(jié)能效果、電氣安全及電池匹配性等原因，最終確定240 V電壓等級為最佳選擇。

(4)240 V直流供電系統(tǒng)采用系統(tǒng)懸浮供電，系統(tǒng)輸出禁止接地，以避免接觸人體產(chǎn)生持續(xù)電流而觸電，同時要求系統(tǒng)的交流輸入與直流輸出應電氣隔離。

(5)240 V直流供電系統(tǒng)應配置絕緣監(jiān)察保護裝置，實時監(jiān)測直流輸出端對地絕緣情況，以保證供電安全，及時發(fā)現(xiàn)不接地系統(tǒng)中由于某條供電線路出現(xiàn)絕緣降低或接地故障，避免發(fā)生人身傷亡事故。當監(jiān)測到系統(tǒng)對地絕緣電阻低于絕緣告警監(jiān)察值時，系統(tǒng)能夠自動發(fā)出聲光告警信號，并給出絕緣異常的位置，便于運營維護人員查找和處理故障，保障通信設(shè)備的運行正常和人員的操作安全。

(6)系統(tǒng)采用高效240 V直流電源模塊，指標滿足直流輸出電壓高、額定電流大、功率密度高等要求。

(7)240 V直流供電系統(tǒng)可用度可達到10個9。

2011年12月20日，YD/T 2378-2011《通信用240 V直流供電系統(tǒng)》[1]通信行業(yè)標準發(fā)布。2012年，中國自主創(chuàng)新的240 V直流供電技術(shù)被寫入ITU-T L.1200-2012《Direct Current Power Feeding Interface Up To 400 V At The Input To Telecommunication And ICT Equipment》國際標準。

圖2 高壓直流供電系統(tǒng)架構(gòu)示意圖[2]

1.1.2 336 V直流供電系統(tǒng)行業(yè)標準立項原因與關(guān)鍵技術(shù)指標的確定過程

YD/T 3088-2016《通信用336 V整流器》[3]、YD/T 3089-2016《通信用336 V直流供電系統(tǒng)》[4]體現(xiàn)了國際標準ITU-T L.1200-2012的核心內(nèi)容。標準中關(guān)鍵技術(shù)指標與ITU-T L.1200規(guī)定的電源接口標準和電壓范圍等核心內(nèi)容保持統(tǒng)一。 336 V直流供電系統(tǒng)具有能耗更低的優(yōu)勢，可提高供電可靠性、提高可維護性、減少設(shè)備占地面積，有著廣泛的發(fā)展前景。系統(tǒng)中關(guān)鍵設(shè)備336 V整流器是保證輸出電壓的穩(wěn)定和可靠、實現(xiàn)336 V直流供電關(guān)鍵環(huán)節(jié)指標的核心變換設(shè)備。336 V直流供電系統(tǒng)在安全可靠、節(jié)省運行成本、綠色環(huán)保等諸多方面有著重大意義，但由于所需器件及配套設(shè)備耐壓等級較高，均需要定制化產(chǎn)品，應用中受到一定的限制，對整個產(chǎn)業(yè)鏈的規(guī)?；l(fā)展提出更高要求。

(1)系統(tǒng)組成：除電壓等級為標稱值336 V外，與上述的供電系統(tǒng)總體架構(gòu)基本相同，系統(tǒng)可分為一體化組合式電源系統(tǒng)和分立式電源系統(tǒng)[4]。

(2)系統(tǒng)輸出電壓變化范圍如表1所示。

(3)蓄電池配置如表2所示。

表1 系統(tǒng)輸出電壓變化范圍

表2 系統(tǒng)中蓄電池配置

(4)系統(tǒng)采用懸浮供電方式，即采用不接地系統(tǒng)，必須對系統(tǒng)安裝絕緣監(jiān)察裝置。

(5)采用高效整流模塊，更加節(jié)能高效。

1.2 標準引領(lǐng)HVDC應用關(guān)鍵技術(shù)的規(guī)范發(fā)展

1.2.1 240 V直流供電系統(tǒng)配電設(shè)備行業(yè)標準的編制

基于運營商已在網(wǎng)運行的240 V直流供電系統(tǒng)，其中配電設(shè)備是系統(tǒng)重要組成部分，在對其進行技術(shù)研究和測試評估基礎(chǔ)上，制定了YD/T 2555-2013《通信用240 V直流供電系統(tǒng)配電設(shè)備》[5]通信行業(yè)標準，主要起到為240 V直流供電系統(tǒng)使用單位提供完整的配電設(shè)備技術(shù)規(guī)范的目的，內(nèi)容涉及直流總配電屏、機房配電屏、直流電源列柜和直流網(wǎng)絡(luò)機柜等，此標準與HVDC其他標準一起組成為系列標準。

(1)確定240 V直流供電系統(tǒng)配電設(shè)備組成，如圖3所示。

圖3 通信用240 V直流供電系統(tǒng)配電設(shè)備組成示意圖[5]

(2)明確直流配電設(shè)備的電壓標稱值為240 V，IT設(shè)備輸入端直流電壓范圍192 V～288 V[5]。

(3)明確規(guī)定直流總配電屏輸入(總)額定電流、機房直流配電屏單路輸入(總)額定電流與直流網(wǎng)絡(luò)機柜額定電流的規(guī)格要求，分別確定各部分的總體要求、接地性能、輸出電壓電流監(jiān)測、電壓降、監(jiān)控與告警、絕緣監(jiān)察等，明確系統(tǒng)的安全要求。

1.2.2 240 V/336 V直流供電的通信設(shè)備電源輸入接口通信行業(yè)標準立項

系統(tǒng)設(shè)備整體的運行可靠與各設(shè)備輸入接口緊密相關(guān)，基于國際標準ITU-T L.1200-2012的核心內(nèi)容，YD/T 2656-2013《基于240 V/336 V直流供電的通信設(shè)備電源輸入接口技術(shù)要求與試驗方法》[6]針對在行業(yè)中的應用，規(guī)定了基于240 V/336 V直流供電的通信設(shè)備電源輸入接口技術(shù)要求、明確了具體的測試方法，為接口器件生產(chǎn)企業(yè)和使用單位提供可依據(jù)標準。在HVDC使用中除對主設(shè)備制定標準要求的同時提出了與系統(tǒng)配套的相關(guān)設(shè)備、接口要求，讓240 V/336 V直流系統(tǒng)應用全面、規(guī)范、安全、高效推進。

1.2.3 通信用240 V/336 V輸入的直流-直流電源模塊標準立項原因

嵌入在信息通信設(shè)備內(nèi)部的240 V/336 V輸入的直流-直流電源模塊是信息通信設(shè)備的核心部件，其作用是把直流輸入電壓(240 V/336 V)轉(zhuǎn)換為低電壓的轉(zhuǎn)換單元，YD/T 3319-2018《通信用240 V/336 V輸入直流-直流電源模塊》[7]標準的制定主要針對各生產(chǎn)企業(yè)在產(chǎn)品效率、電壓范圍、功率、防護等級、環(huán)境溫度等標準的不統(tǒng)一問題，為實現(xiàn)各企業(yè)標準化設(shè)計，推進產(chǎn)品規(guī)范化發(fā)展，滿足系統(tǒng)安全可靠、方便維護和高效節(jié)能的需要而編制完成。

1.2.4 通信240 V/336 V供電系統(tǒng)用直流斷路器標準立項目的

直流供電系統(tǒng)中核心保護器件之一是直流斷路器，其分斷能力與體積等關(guān)鍵指標是保證開關(guān)高可靠運行的關(guān)鍵，但因為沒有適用于240 V和336 V直流電壓等級的相關(guān)直流斷路器標準規(guī)范，使得高壓直流供電系統(tǒng)實際應用中存在不少問題。CCSA TC4針對240 V/336 V直流供電系統(tǒng)關(guān)鍵保護器件直流斷路器在應用中存在的問題進行調(diào)研和分析，提出在240 V/336 V直流供電技術(shù)中應用直流斷路器的特性要求，用于對設(shè)計、制造的指導和規(guī)范。標準的主要內(nèi)容包括定義、總體要求、斷路器技術(shù)要求、驗證方法等[8]。

1.3 維護、運行評估標準的建立使HVDC技術(shù)可持續(xù)高質(zhì)量發(fā)展

1.3.1 通信用240 V直流供電系統(tǒng)維護技術(shù)要求的行標立項原因

240 V直流供電系統(tǒng)作為我國自主創(chuàng)新技術(shù)，在實際運行應用中沒有針對性的維護標準來指導，YD/T 2556-2013《通信用240 V直流供電系統(tǒng)維護技術(shù)要求》就是為240 V直流供電系統(tǒng)的維護提供統(tǒng)一、完善的標準，它詳細規(guī)定了240 V直流供電系統(tǒng)的使用條件、維護項目、周期、指標要求和檢測方法[9]。以此標準來指導240 V直流供電系統(tǒng)運行維護并統(tǒng)一檢測方法，確保系統(tǒng)的在網(wǎng)安全運行，提高通信系統(tǒng)的供電安全的可靠性。

1.3.2 240 V/336 V直流供電系統(tǒng)運行后評估要求與方法的行標立項起因

隨著240 V/336 V直流供電系統(tǒng)的快速應用，如何評價評判成為急需解決的問題，YD/T 3091-2016《通信用240 V/336 V直流供電系統(tǒng)運行后評估要求與方法》[10]為在網(wǎng)應用通信用240 V/336 V直流供電系統(tǒng)的運營單位提供在線評估的方法，主要評估其技術(shù)指標、各項功能、安全性(含存在的安全隱患)、節(jié)能性以及可靠性。

2 HVDC技術(shù)在我國的發(fā)展成果

2.1 HVDC技術(shù)應用情況

完善的標準體系推動了240 V/336 V直流供電系統(tǒng)的快速應用，也催生了產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展，240 V/336 V直流供電系統(tǒng)已逐步在三大通信服務(wù)運營商、騰訊、阿里、百度、美團、京東等企業(yè)的大型通信機房、數(shù)據(jù)中心中得到了應用。

圖4、圖5數(shù)據(jù)來源于某企業(yè)收集的各行業(yè)訂單梳理和模型預測。 2012年及以前，總裝機量為30萬A， 2014—2015年全國各行業(yè)應用有所突破，新增裝機容量迅猛增加，2014年、2015年新增裝機年增長率分別達到126.7%和132.4%，2016年以后每年新增的HVDC設(shè)備裝機容量不斷上升，2018年HVDC設(shè)備新裝機容量與上一年相比年增長率達到了53.8%，當年新增裝機容量為400萬A，2020年更是達到新的高點，新增裝機容量為830萬A。

截至2018年年底，HVDC應用容量分布情況如圖6所示，互聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)中心容量占比為57%，電信企業(yè)容量占比為35%，其他占8%[11]。

2.2 促進配套產(chǎn)業(yè)發(fā)展

隨著HVDC系統(tǒng)設(shè)備的應用不斷擴大，其核心保護器件直流斷路器的產(chǎn)量和質(zhì)量也同期攀升，促進產(chǎn)業(yè)鏈的良性發(fā)展，以某知名生產(chǎn)企業(yè)用于HVDC設(shè)備應用的直流斷路器近幾年銷售情況為例(見圖7)，銷售量不斷增加，推動配套企業(yè)不斷壯大和發(fā)展。

圖4 2012年以來每年新增HVDC設(shè)備裝機容量

圖5 2014年以來HVDC設(shè)備新裝機容量的年增長率

圖6 HVDC系統(tǒng)容量在全國分布情況

2.3 系統(tǒng)運行維護成本低

表3為某應用HVDC技術(shù)的企業(yè)2018年度維護費用概況(2N UPS與HVDC比較)[12]。整機式交流UPS維保費用包含：部分設(shè)備更換電容，深度維護保養(yǎng)檢查。HVDC維保費用含單元模塊損壞維修及代維支出。

2N UPS一年維護費用為1.448萬元×20 000=2.896億元，而1萬套直流系統(tǒng)維護費用為0.085萬元×10000=850萬元，比較結(jié)果顯示HVDC系統(tǒng)維護成本更低，企業(yè)可以獲得良好的效益。

3 結(jié)束語

從2009年7月高壓直流相關(guān)案例小批量應用開始，到第一個高壓直流行業(yè)標準在2011年正式發(fā)布,確立HVDC技術(shù)路線、把控應用關(guān)鍵技術(shù)與核心部件與設(shè)備發(fā)展、制定運行維護評估重點和關(guān)鍵方法，10年的進程見證了高壓直流系列標準引領(lǐng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展和應用實踐，有力推動了數(shù)據(jù)中心和通信機房綠色、安全、節(jié)能發(fā)展。新技術(shù)的發(fā)展和新版YD/T 2378-2020《通信用240 V直流供電系統(tǒng)》發(fā)布實施，將為ICT基礎(chǔ)設(shè)施綠色、安全推進提供更加有力的保證。

圖7 某知名生產(chǎn)企業(yè)用于HVDC設(shè)備應用的直流斷路器近6年銷售情況

表3 2018年度某運營單位整機式交流UPS與HVDC維護費用情況統(tǒng)計