一、概述

 

       通信用高壓直流電源又稱HVDC（High Voltage Direct Current），是一種新型的直流不間斷供電系統(tǒng)，這里說的高壓是相對傳統(tǒng)的-48V直流通信電源而言。2009年12月，工信部推出了通信標準類技術(shù)報告《通信用240V直流供電系統(tǒng)技術(shù)要求》。2012年中移動推出336V直流供電標準，該標準在具備240V系統(tǒng)的優(yōu)點的同時，具有更高的轉(zhuǎn)化效率，更有利于節(jié)能減排工作。

 

      二、工作原理

 

       HVDC系統(tǒng)主要由交流配電單元、整流模塊、蓄電池、直流配電單元、電池管理單元、絕緣監(jiān)測單元及監(jiān)控模塊組成。正常工作情況下，整流模塊將交流配電源輸出的380V交流轉(zhuǎn)換成240V、336V高壓直流，高壓直流經(jīng)直流配電單元給通訊設(shè)備供電，同時也給蓄電池充電。當交流輸入發(fā)生故障時，直流由蓄電池給通訊設(shè)備供電。

 

       原理圖如下：

 

        各構(gòu)成部分如下：

 

        2.1 交流配電單元

 

        交流配電單元是將兩路市電，經(jīng)自動或手動切換分配到各個整流模塊；并配有C、D兩極防雷保護系統(tǒng)。

 

        2.2 整流模塊

 

        整流模塊是系統(tǒng)的核心部分，它將交流變換成直流（AC/DC），給負載供電，同時對電池充電。

 

       2.3 蓄電池

 

       蓄電池是保證不間斷供電的關(guān)鍵，在交流停電時，由蓄電池給負載供電。

2.4 直流配電單元直流配電單元是通過直流空開或熔斷器輸出到列頭柜，再由列頭柜輸出到各服務(wù)器，給服務(wù)器提供直流電源。

 

        2.5 監(jiān)控模塊

 

        監(jiān)控模塊是整個系統(tǒng)的“大腦”和“眼睛”，擔負著各單元實時運行情況的監(jiān)測和處理的重任。

 

       2.6 電池管理單元

 

       電池管理單元可實時檢測每節(jié)電池的端電壓、電池組內(nèi)阻、電池組端電壓、充放電電流和溫度等參數(shù)，并上送給監(jiān)控模塊，保證電池組隨時處在正常工作狀態(tài)。

 

        2.7 絕緣監(jiān)測單元

 

       絕緣監(jiān)測單元可對直流母線、輸出分路對大地的絕緣狀況經(jīng)行實時監(jiān)測，保證操作人員的人身安全。

 

      三、與交流UPS對比的優(yōu)勢

 

       3.1 技術(shù)方面

 

     （1）可靠性大幅提升

       高壓直流供電技術(shù)引入的主要目的就在于提升系統(tǒng)的安全性。UPS系統(tǒng)本身僅并聯(lián)主機具有冗余備份，系統(tǒng)組件之間更多地是串聯(lián)關(guān)系，其可用性是各部分組件可靠性的連乘結(jié)果，總體可靠性低于單個組件的可靠性。反觀直流系統(tǒng)，系統(tǒng)的并聯(lián)整流模塊、蓄電池組均構(gòu)成了冗余關(guān)系，不可靠性是各組件連乘結(jié)果，總體可靠性高于單個組件的可靠性。理論計算和運行實踐都表明，直流系統(tǒng)的可靠性要遠遠高于UPS系統(tǒng)，一個例證就是大型直流系統(tǒng)癱瘓的事故基本沒有。

 

      （2）效率大大提高

       目前大量使用的UPS主機均為在線雙變換型，在負載率大于50%時，其轉(zhuǎn)換效率與開關(guān)電源相近。但一個不容忽視的現(xiàn)實是，為了保證UPS系統(tǒng)的可靠性，UPS主機均采用n+1（n=1、2、3）方式運行，加之受后端負載輸入的諧波和波峰因數(shù)的影響，UPS主機并不能滿足運行，通常UPS單機的設(shè)計較大穩(wěn)定運行負載率僅為35～53%。而受后端設(shè)備虛提功耗和業(yè)務(wù)發(fā)展的影響，很多UPS系統(tǒng)通常在壽命中后期才能達到設(shè)計負載率，甚至根本不能達到設(shè)計負載率，UPS主機單機長期運行在很低的負載率，其轉(zhuǎn)換效率通常為80%多。本人現(xiàn)場實際測試UPS負載率在30%以上時，轉(zhuǎn)換效率在90%以上，不錯為93%。對于直流電源系統(tǒng)而言，因其采用模塊化結(jié)構(gòu)，可根據(jù)輸出負載的大小，由監(jiān)控模塊、監(jiān)控系統(tǒng)或現(xiàn)場值守人員靈活控制模塊的開機運行數(shù)量，使整流器模塊的負載率始終保持在較高的水平，從而使系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率保持在較高的水平。

 

     （3）輸入?yún)?shù)大大改善

       現(xiàn)場測試發(fā)現(xiàn)，目前常用的12脈沖在線雙變換型UPS主機，加裝11次濾波器后，其輸入功率因數(shù)通常在0.8～0.9，較大僅為0.95，輸入電流諧波含量通常在7.5%左右。

 

       與此對應(yīng)，由于PFC電路（功率因數(shù)調(diào)整）的應(yīng)用，額定工況下，開關(guān)整流器模塊的輸入功率因數(shù)通常都在0.99以上，輸入電流諧波含量通常在5%以下。

輸入?yún)?shù)的改善的直接效果是，前端設(shè)備的容量可以大大降低，前端低壓配電柜可以不再配置電抗器，從而也可以降低補償電容的耐壓要求。

 

     （4）帶載能力大大提高

       UPS系統(tǒng)帶載能力受兩個因素的制約，一是負載的功率因數(shù)，以國內(nèi)某大型UPS廠商的某型主機為例，在輸出功率因數(shù)為0.5（容性）時，其較大允許負載率僅為50%；二是負載的電流峰值系數(shù)，通常UPS主機的設(shè)計波峰因數(shù)為3，如果負載的電流峰值系數(shù)大于3，則UPS主機將降容使用。

 

       對于直流系統(tǒng)而言，不存在功率因數(shù)的問題；因其并聯(lián)了內(nèi)阻極低的大容量蓄電池組，加之整流器模塊有大量的富余（充電和備用），其負載高電流峰值系數(shù)的負荷能力很強，不需專門考慮安全富余容量。

 

     （5）割接改造更為方便

對于采用UPS供電的設(shè)備來說，除非其采用雙電源（或四電源、六電源），或?qū)ｉT配置有STS設(shè)備，否則通常只能采用停電方式割接。對于重要系統(tǒng)來說，這是難以忍受的，更為麻煩的是，一些沒有廠家支撐的老型設(shè)備，很有可能在停機不能重啟的現(xiàn)象。

 

       直流電源只要做到輸出電壓和極性相同即可連接到一起，從而實現(xiàn)不停電割接，而這是非常容易做到的。

 

       3.2 投資建設(shè)

       電源系統(tǒng)投資包括UPS電源（高壓直流）、前端電源（市電、油機）、機房三個部分。以成都某運營商較近完工的一個機房為例進行對比分析，該機房同層布置4套400KVA 1+1 UPS系統(tǒng)，采用高壓直流供電，需5×4套50KW系統(tǒng)。

 

       UPS電源（高壓直流）部分：采用UPS方案每套系統(tǒng)的投資大約為250萬元，采用高壓直流供電時5套直流系統(tǒng)投資越160萬元。直流系統(tǒng)投資僅是UPS方案的2/3，究其原因，主要是沒有UPS柜，并且其僅與交流整流輸入電纜，沒有旁路回路電纜。

 

       前端電源部分：粗略測算，采用高壓直流方案，市電和油機供電系統(tǒng)約可減少20～25%。

 

       機房：采用UPS方案和高壓直流供電方案，所需占用的機房面積基本相同，但是采用高壓直流供電方案時，開關(guān)電源安裝區(qū)域機房荷載要求大大低于UPS機房，粗略測算，機房土建成本約降低10%左右。

 

       對以上投資加權(quán)后，采用高壓直流供電方案總投資降低約30%。需要說明的是，采用高壓直流供電方案，不僅電源系統(tǒng)可分期建設(shè)，系統(tǒng)的電源模塊也可根據(jù)需要分期建設(shè)，考慮投資折現(xiàn)率后，高壓直流供電方案的投資節(jié)約率將更加明顯。

 

       3.3 維護成本

       運維成本主要包括電費成本和維修成本，由于轉(zhuǎn)換效率的提高，高壓直流供電將大大節(jié)約電費成本。在維修成本方面，高壓直流供電采用的整流模塊化結(jié)構(gòu)，現(xiàn)場替換非常方便，而且由于直流供電系統(tǒng)的可靠性遠高于交流UPS系統(tǒng)，故維修概率也大大減小。

 

      四、應(yīng)用前景

 

       由于高壓直流供電系統(tǒng)較于交流UPS具有更大的優(yōu)勢，目前中國電信、中國移動、中國聯(lián)通等各大移動運營商都在大力推廣，總體成交額度呈50%以上的速度增長。其中，江蘇電信已全面采用HVDC取代UPS。

 

       五、240V與336V兩種供電標準的比較

 

       簡單來說，如果說240V高壓直流是改良派的話，336V高壓直流就是革命派。

 

       兼容性方面：240V標準的高壓直流系統(tǒng)可以與現(xiàn)有服務(wù)器兼容，即直接代替220V交流電源輸入。而336V標準高壓直流系統(tǒng)不能與現(xiàn)有服務(wù)器兼容，需對現(xiàn)有設(shè)備的電源模塊進行改造。

 

       變換效率方面：336V標準高壓直流系統(tǒng)整體應(yīng)用效率可比240V系統(tǒng)提高8-10%，原因在于輸出電壓升高后，整流模塊的效率可提高1%左右（此部分體現(xiàn)在PUE上）；將服務(wù)器前端電源模塊改為直流輸入后，減少了原AC—DC變換及相關(guān)控制電路的電量損失，變換效率提升顯著（此部分體現(xiàn)在IT設(shè)備電源模塊節(jié)能上）。

 

       目前主流服務(wù)器大多采用交流220V交流電源，隨著中移動服務(wù)器數(shù)量大幅增長，定制336V高壓直流電源的服務(wù)器已成為可能，336V系統(tǒng)具有更廣闊的應(yīng)用前景。

 

      六、IT設(shè)備配電方式改進可進一步提高能源利用效率

 

       當前大型數(shù)據(jù)中心IT設(shè)備在積極采用新型供電方式，進一步降低供電損耗。一種是IT設(shè)備供電由原來的雙路UPS供電改為一路UPS供電另一路為市電直供方式，正常情況下二者共同為設(shè)備供電，市電故障時由UPS單獨提供電源；一種是一路240V高壓直流供電另一路為市電直供方式，故障時由直流供電系統(tǒng)供電；更為激進的工作方式是，市電正常時，UPS或高壓直流僅為備用，供電效率進一步提升。但據(jù)臺灣同行介紹，該方式存在一定的安全隱患，使用中曾發(fā)生UPS切換失敗案例（市電質(zhì)量下降，不符合IT負載要求，但又達不到UPS啟動條件）。個人觀點UPS、高壓直流純后備供電方式，存在負載突加特性，對設(shè)備要求很高，建議先小范圍長時間試用再行有限推廣。