1、201 5 年中国 通信 能 源 会议 论 文 集高压直流供电技术的应用及节能效果分析张毅中国移动通信集团设计院有限公司上海分公司野 以国内某运营商的应用现状为例， 介绍了忘压直流供电技术的特性和发展恓，况逄过理论分析及实际数据， 给出了离压亘流供电技术应用于逄信机房的可行方案， 并以现网某遐信机房为试点， 绝合已有后端设备的改造， 实现了原有交流设备的正常工作。洹过对比分析恋压直流系统写UPS系统供电的节坒效果， 得出高压直流供电技术是可行性高、节陛效果好的新型供电技术。呵高压酶供电函虽改造可行亢案节能效果万方数据1 引言近10 年来，随 着通信行业的迅猛发展， 对于通信电源设备的要求日趋增
2、高， 特别是JD C (Internet DataCenter, 互联网数 据中心 ）机房和M D C (Media DataCenter, 多媒体数据中心 ）机房。目前， 我国大型I D C 机房的电 源容量需求已达到10000k W , 传统I D C 机房数据设备的供电方式一般采用U PS (Uninterruptible PowerSupply, 不间断电源）系统交流供电 ，随 着U P S供电系统在现网的大范围使用，其在运行维护和冗余并机等方 面逐渐暴露出低效率、高能耗、多故障点及并联环流等 问题。由于U P S供电系统的种 种不足，国 外 多 家通信公司早在20 世纪90 年代末就
3、将目光投向了高压直流 ( H i g h Voltage Direct Current, HVDC ) 供电系统。高压直流供电技术是通过并联的整流模块组将380V的交流输入电源转换为200 400V的高压直流电， 再通过高压直流配电设备供给数据通信设备，并同时为蓄电池组充电，最后由数据设备中的直流直流变换设备（即降压电路）将高压直流电变为+ 12v 、 + sv 等低压直流电， 直接为数据设备中的电子负载所用。当交流输入电源发生故障时 ，由蓄电 池组经熔断器进行放电， 再通过高压直流配电设备为数据通信设备提供可靠的直流电源。2 高压直流供电技术的发展现状自20世纪90年代后，美国 、瑞典 、日
4、本等国的通信公司者院 研究和 实施高压直流供电系统。在国内，中国电 信近年来致力千推广240V高压直流供电系统，并 千2007年11月起在某分公司试行，供电范围从办公电脑逐步过渡到服务器、 网络设备（二层交换机、三层交换机、光纤交换机、防火墙 等）、磁盘阵列 、小型机、营业厅票据打印机、号百中心、10000号中心、综调中心、营业中心 、各类呼叫中心等2000 多台， 30 多个型号的设备， 基本覆盖了该分公司全部机型。240V高压直流系统取代UPS系统负载设备类型见表1。已上线的2000多台设备， 到目前为止，没 有一台发生设备损坏故障。同期在网运行的220V交流U PS供电的服务器中， 已发
5、生5起电源模块故障。该分公司于2008年6月起，所 有新装的IT 设备， 全部使用240V高压直流供电， 至今运行正常，无一损坏 。 此外 该分公司已采用240V高压直流供电系统替换了16套U PS供电系统， 通过现场装表耗能对比可知平均节能25%以上。通过高压直流供电技术在国内的使用情况可以看出， 在高效节能、维护优化等方面，高压直流供电系统有着传统U PS系统所不能姥美的优势。在我国，大范围推广高压直流供电技术的呼声已越来越高。以下以近年来高压直流供电技术的发展现状为基础，3供；电技术在通信机房中的应用a&:提出了适用千通信机房应用的可行方案，并通过实例对其基千高压直流供电技术的诸多优点，
6、我国各大通信节能效果进行分析。运营商巳将推广高压直流供电技术作为建设绿色节能机房142的重要课题。然而到目前为止，包括中国移动、中国电信在内的国内外各大公司对高压直流供电系统的电压等级都还没有一个统一的标准，中国电 信致力千240V高压直流系统的研究，中国移动则更倾向千 300V以上的高压直流供电系统，国 外 一些公司也有提出 270V或者350V的标 准。由千各大运营商对千高压直流系统电压等级的确定至今莫衷一是，文中将不对此进行展开论述，主要对高压直流供电技术 ( 200 400V ) 在现网通信机房中的应用提出可行方案。高压直流供电系统如图1所示。3.1 通信机房后端设备的改造将高压直流供
7、电技术应用于现网机房，必须对通信机房的后端设备进行分析，并作出适当的改造。现网中大部分后端设备内部电濒是独立的开关电源模块（包括整流器、功率因素补偿器及直流直流变换器），供电给计算中心、服务器、外围设备、照明和空调冷却设备。开关电源的核心部分是交流直流变换。开关电源的前端输入可以完全采用交流 220V或直流200 400V供电， 开关电源均可正常工作。根据现网中数据设备内部结构及供电需求的不同，高压直流供电系统应用千现网设备需满足以下要求。( 1 ) 电 源 内部为全波整流的设备现网中原有220V交流供电的后端设备电源内部大部分系統名称设备类型数量（台）计费系统小型机、服务器、磁阵、路由器、光
8、交换机、防火墙等451仪双污系统 、号百系统服务器、光交换机540网监系统服务器、工控机杖网络视讯系统服扭、磁阵、光交换机300全球眼平台（新建）服务器、磁阵、光交换机98各种增值业务平台服务器、工控机850中心营业厅及办公网票据打印机、服务器00客户托管各种品牌、杂牌服务器宾表1 240 V高压直流供电系统负载设备类型为全波整流，一般通过电力二极管的导通（正向导通）与关 断，将交流电变换为直流电。当接入电源为高压直流电时，无论正负极如何，均可实现电路的导通。因此，对 千内部结构为全波整流的交流220V现网设备， 无需进行改造，就 可以直接采用高压直流供电。( 2 ) 电源内部为半波整流的设备
9、对千现网中一部分电源内部为半波整流的后端设备 ， 当采用交流电 源供电时， 仅 交流正半波时，电路导通 ， 实现半波整流。对于这类后端设备，直接采用高压直流供电时，需注意接入时的正负极。若直接接入时无法正常工作 ，仅需 将输入的高压直流电源的正负极倒换位置，即可实现设备的正常工作。( 3 ) 具有输入频率检测启动的设备现网中部分交流供电设备启动时需进行频率检测( so- 60Hz) , 当改用高压直流供电时，需增加直流脉冲发射器， 模拟频率为SOH z附近的脉冲波，一 旦启动成功，则断 开脉冲发射器。( 4 ) 具有启动过压保护功能的设备对于现网中部分具有启动过压保护功能的交流供电设备，当改用
10、高压直流供电时，需增加降压变压器，将高压直流电降压到一个合适的电压值，以满足启动要求。一旦启动成功，则断开降压变压器。( s ) 采用交流变压器输入的纯交流设备对千现网中小部分采用交流变压器输入的纯交流设备，如老式的传统电源、老式显示器、部分音响设备， 不能与高压直流电相匹配，但可以方便地通过逆变设 备，从高压直流母线上取电，逆变成交流电，得到完全正常的工作。综上所述，现网通信机房中的大部分设备适应高压直流供电系统的直接应用，一部分设备需对调高压直流电输入的正负极或者附加启动设备，少部分需通过逆变设备， 以实现高压直流供电系统的全网应用。3变压器交流一直流直流+压：三直流200- 如1-+1直
11、流一直流蓄电池组电源分配单元 设备端图1 高压直流供电系统1433.2 应用实例以上海移动某通信机房为例， 选取2排原有交流 220V 供电的设备机架（ 试点设备： 每台设备机架功耗以3000W 计，每 排共10台机架 ），引 入高压直流供电系统， 进行现网的应用分析。如图 2所示 ， 在通信机房条件（机房面积、管弄及走线架资源等）允许的情况下，建议将高压直流供电系统的整流屏和直流屏安装在通信机房内，以深入负载中心，后备蓄 电池组安装在电力电池室内。设备机架内交流供电设备包括 ：惠 普、IB M 、中兴等品牌服务器、磁盘阵列，中兴、华为等各类网络交换机， 思科等几个品牌的路由器。在改用高压直流
12、供电时，首先需将设备机架内原有配电模块的输入总开关改造成双极保护开关。设备机架内原有交流设备改用高压直流供电后，大部分设备可以直接正常工作，部分内部结构为半波整流的设 备，如部 分华为2403 、华为3900 设备， 割接时需倒换正负极。部分设备具有启动过压保护功能如惠普580G4 , 采用降压启动的方法启动后，逐步提高电压，也可以正常工作。4 节能效果分析采用高压直流供电系统，由千效率提高，热能减少， 相应的空调负荷降低，这样所有的节能效果加起来比传统的引自低压配电室蓄电池组电力电池室图 2 高压直流供电 系统现网应用平面布置及电缆路由U PS供电系统节约能耗200/4 劝。高压直流系统效率
13、提高主要体现在两个方面：供电系统效率及后端设备效率。如图3所示， 高压直流供电系统省去了U PS供电系统中的逆变环节，一 般逆变环节的损耗在5%左右，因 此，供电系统的效率得到了提高。其次，由于后端设备采用直流供电，设备中原有整流器及功率因数补偿器可以取消，既提高了效率， 又降低了线损。此外，高压直流供电系统采用模块化结构，可以根据 输出负载的大小，灵活控制模块的开机运行数量，使整流器 模块的负载率始终保持在较高的水平， 一般可在8伊瓜以上。而一般UPS单机设计的稳定运行负载率仅为35% 53%。因此， 高压直流供电系统的转换效率可达90%左右， 而传统U PS系统的供电转换效率一般在50o/
14、o-70% , 大大节约了电能。以上海移动某通信机房选取的功耗总计60kW 后端设备为例， 对比分析采用高压直流供电系统与传统U PS 系统每年的能耗及电费情况，详 见表2。从表2的数据可以看出， 每个60k W 的设备采用高压直流供电系统每年节约的能耗约326222.4 k W h , 电费约195733.44 元人民币。可以说， 高压直流供电系统是一种值得期待的高效节能供电系统。5 结束语随着通信行业的不断发展，高压直流供电技术在通信局房供电系统中具备良好的应用前景，基于这一点，文中提 出了高压直流供电技术对千现网应用的可行方案，并对其节 能效果进行了分析。到目前为止，高压直流供电系统的电
15、压 等级还没有一个统一的标准，而高压直流供电设备及后端设220VAC交了卡厂雪UPS系统后端设备图 3 高压直流供电和UPS 供电系统效率对比表2高压直流系统与UPS 系统能耗及电费对比项目后端设备功耗后端设备损耗供电系统损耗供电系统输入功耗空调功耗(40%)合计功耗每年能耗每年电费( 0.6元,1Mti )高压直流供电系统8.1邸 (88 %效率）1 3 郔N( 95%效率）71呻47.BfWJ119呻1047871.动628722.72元UPS供电系统旺 W氐 ltW ( 75%效率） 14.1孜 W 伐 5%效率）94.1础62.7 础156妇137 如 6kWh824456.16元14
16、4备也没有提出一个标准化的技术要求，但是相信，在业内各 大运营商和设备厂商的不断关注和推广下，高压直流供电技 术必将成为引领未来通信电源发展的风向标。参考文献1) 未雄世 国外数择通信设备高压直浪供电新系优JI 邮电设计枝术，2009(4)2) jj 大铭 高压直浪供电技 术及其应 用前景 分析J) . 通信与信息枝术，2010(1)3 魏子良国外运营商电九节佳枝 木封析J. 电信技术 ，2012( 1 1 )4 高缝军 高效电谏斛决方案应用探讨 J 电信技木 ，201 2(1 1 tilji如对本文内容有任何观点或评，论请 发E- mail至nmb jxintong .com .cn 。作者简介张毅 硕士，现就职千中国移动通信集团设计院有限公司上海分公司，工程师，主要从事通信电源的研究、咨询、规划和设计工作。145
