240 V直流電源系統技術在福州電信的應用

江競帆

（中國電信股份有限公司福州分公司網絡操作維護中心，福建 福州350001）

0 引 言

隨著通信網絡和業務需求的不斷發展，通信設備對電源安全供電要求也越來越高。長期以來，使用交流電源的通信設備均由交流UPS供電，但交流UPS電源系統存在著單點故障點的問題始終沒有得到很好解決，因交流UPS電源系統而造成整局癱瘓的惡性通信事故屢屢發生，使通信網絡的供電安全受到了嚴峻考驗。與傳統的48 V直流供電方式比較，在通信網絡系統設備中采用交流UPS系統供電，存在可靠性低、維護擴容難度大、效率低等多方面弊端。

1 240 V直流替代交流UPS給IT設備供電的原理和優勢

現時IT設備（計算機及其外設）機內電源普遍采用高頻開關電源技術。在市電的入口處都有一個整流橋電路。交流電壓通過整流橋，變成直流電壓。也就是說，IT設備內部最終提供到元器件級的都是直流電源。圖1是計算機通常采用的ATX開關電源的原理框圖。

圖1 計算機內ATX開關電源的原理框圖

實際上，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備供電，不必對原設備進行任何改動，如圖2所示。

圖2 電源模塊中的“市電側整流濾波”電路可以通過直流電的示意圖

從電子電路原理上分析，只要在設備電源的交流輸入端沒有串聯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設備中絕大部分是可以采用同電壓等級的直流電源替代交流電源供電進行工作的。

圖3 交流UPS向計算機供電的原理電路框圖

傳統的交流UPS是AC－DC－AC模式，它有兩個變換環節：一是整流濾波（AC－DC）環節，二是逆變（DC－AC）環節。圖3中的左側虛線框內所示的電路為傳統交流UPS，它包括整流器、蓄電池和逆變器；圖右側虛線框內所示的電路，為計算機中的ATX開關電源，它包括抗干擾電路、市電側整流濾波電路和DC／DC變換電路。圖左側的傳統交流UPS電路中，市電220 V交流電壓經過無任何升、降壓功能的橋式整流器，整流成直流電向蓄電池進行浮充電，蓄電池上的直流電再經過逆變器逆變成220 V工頻交流電壓向計算機供電。圖右側的計算機ATX開關電源中，“市電側整流濾波電路”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的直流電壓向計算機供電。

圖4 交流UPS和高壓直流的結構比較

由圖4可以看出，左側交流UPS中的整流器輸出與右側ATX中“市電側整流濾波電路”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算機中ATX的“市電側整流濾波電路”向計算機供電，成為直流供電。采用240 V直流電源（HVDC）替代交流UPS給IT設備供電，有著明顯的優勢，如表1所示。

表1 HVDC與傳統交流UPS的比較

2 福州電信240 V直流電源系統應用實例

2010年中國電信發布《通信用240 V直流供電系統技術節能試點技術指導意見》，2011年通信行業標準《240 V 直流電源系統》（YD／T2378－2011）發布，開啟了240 V直流電源應用的大幕。福州電信迅速啟動，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，為IT和IDC機房提供不間斷電源，共計近千臺各類通信設備，成效斐然。

圖5為240 V直流電源供電系統設備安裝現場實拍圖。

圖5 240 V直流電源供電系統設備安裝現場實拍圖

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）系統主要由在一個或多個機架中的交流配電部分、高頻開關整流模塊、直流配電部分、監控單元以及絕緣監察、接地部分等組成。

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

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

圖6 一體化組合式系統和分立式系統

（4）分立式系統的交流分配部分、高頻開關電源整流器、直流分配部分宜分別安裝在不同的機架，蓄電池單獨安裝。監控單元可安裝在某個機架內，如圖5（b）。

通過充分的調研和討論，形成以下一致意見：

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

（2）系統采用懸浮方式供電，系統交流輸入應與直流輸出電氣隔離；系統直流輸出應與地、機架、外殼電氣隔離；使用時，正、負極均不得接地，采用懸浮方式供電；系統應有明顯標識標明該系統直流輸出不接地。

（3）系統具備絕緣監察功能。系統應具備絕緣監測功能，在直流輸出總配電屏中，應對總母排的絕緣狀況進行在線監測，可對每個分支路的絕緣狀況進行在線或非在線監測；直流系統發生接地故障或絕緣電阻低于28 kΩ時，絕緣監察裝置保護動作；絕緣監察裝置應能測量出直流系統一極或二極絕緣下降和絕緣電阻數值，當低于整定值時應能發出報警信號。

（4）系統采用“直流系統總輸出屏＋電源列柜”的二級配電結構，為設備機架供電如圖7所示。

（5）末端設備機架配電方式：采用雙極直流微斷（即空開），容量為10 A或16 A，一個空開對應接入服務器的一個電源模塊。

4 服務器上電策略及經驗總結

服務器上電策略及經驗總結：

（1）上電現場配置了一臺240 V直流負載，用于測試服務器是否適用HVDC；

（2）用萬用表電阻檔測試L、N兩端可判斷服務器電源是否采用開關電源技術，接入是否會造成短路。經實際探索，服務器電源L、N兩端正反各測試1次，若電阻值在10 kΩ以上，接入HVDC不會發生短路；若在1 kΩ以下，不能接入，否則會引發空開跳閘。

（3）服務器上架送電后，若遇到不能正常啟動的，可以嘗試將電源線L、N對調后接入空開，如能正常啟動，說明該服務器開關電源采用半波整流技術；如還不能正常啟動，說明該服務器電源不適用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電源）；此類情況我省遇到2例。

圖7 “直流系統總輸出屏＋電源列柜”的二級配電結構

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

（5）針對少量不能適用HVDC的服務器解決方案。

a.更換服務器電源模塊。此方案看似簡便，但因電源模塊品種規格接口不一，難以匹配到相同的電源模塊，福州電信公司至今未應用。

b.采用240 V直流逆變器供電。在服務器機柜內安裝240 V直流逆變器直接對服務器供電，單電源服務器配置1臺逆變器，多電源服務器配置2臺逆變器。

此方案有較好的針對性和通用性，福建省已采用并實施3例，效果良好。

（6）福州電信公司目前不能適用HVDC的服務器匯總表

表2 不能適用HVDC的服務器匯總表

（7）福州電信公司已在IT和IDC業務方面推廣HVDC，目前上架近千臺設備，適用率在99%以上。

5 240 V直流供電系統保障等級探討

《中國電信〔2010〕851號關于印發通信用240 V直流供電系統節能試點技術指導意見（暫行）的通知》中的第8頁描述“由于高壓直流系統直接將蓄電池接在輸出母排上，大大減少了單點故障點，因此采用單套高壓直流系統、雙路獨立物理路由的供電模式，從原理分析和現場試驗應用等多方面證明，其可靠性可以等效于完全獨立的雙系統、雙母線（2N）的交流 UPS系統，能夠滿足通信網絡系統設備最高等級的供電保障要求?！?/p>

在實際推廣中，仍有不少IDC大客戶堅持交流UPS“2N”保障等級的老思路，為此，我司適時采取了兩套240 V直流系統、雙母線對一個服務器的“準2N”供電模式，即物理路由上實現2N保障，容量實現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套高壓直流系統掉電，負載仍可由另外1套高壓直流系統供電，如容量不足，蓄電池組可以放電進行支援，我們有充分時間排除故障并且有能力有手段進行搶修（這一點勝過UPS系統），確保用戶設備不掉電，保障等級不降低。

6 結束語

240 V直流電源替代傳統UPS為服務器供電，是通信電源的一次重大突破和技術創新。在集團公司的大力支持下，在設備集采環節中已向供應商明確要求適用HVDC。目前在電信內部（如IT等部門）推廣比較順利，但是在IDC行業推廣還是遇到了較大的阻力，主要體現在：客戶不了解HVDC，質疑能否替代傳統UPS；客戶服務器由其自行采購，服務器廠家不承諾適用HVDC；服務器廠家聲稱客戶服務器若使用HVDC，就不提供保修服務；等等。針對這種情況，福建省政企和建設維護等多部門做了大量工作，打開了IDC業務應用的突破口，目前發展形勢良好。