一、概述

       通信用高壓直流電源又稱(chēng)HVDC（High Voltage Direct Current），是一種新型的直流不間斷供電系統(tǒng)，這里說(shuō)的高壓是相對(duì)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(biāo)準(zhǔn)類(lèi)技術(shù)報(bào)告《通信用240V直流供電系統(tǒng)技術(shù)要求》。2012年中移動(dòng)推出336V直流供電標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)在具備240V系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，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(cè)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(shí)也給蓄電池充電。當(dāng)交流輸入發(fā)生故障時(shí)，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(dòng)或手動(dòng)切換分配到各個(gè)整流模塊；并配有C、D兩極防雷保護(hù)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(fù)載供電，同時(shí)對(duì)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(shí)，由蓄電池給負(fù)載供電。

2.4 直流配電單元直流配電單元是通過(guò)直流空開(kāi)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(gè)系統(tǒng)的“大腦”和“眼睛”，擔(dān)負(fù)著各單元實(shí)時(shí)運(yùn)行情況的監(jiān)測(cè)和處理的重任。

       2.6 電池管理單元

       電池管理單元可實(shí)時(shí)檢測(cè)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(shí)處在正常工作狀態(tài)。

        2.7 絕緣監(jiān)測(cè)單元

       絕緣監(jiān)測(cè)單元可對(duì)直流母線、輸出分路對(duì)大地的絕緣狀況經(jīng)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，保證操作人員的人身安全。

      三、與交流UPS對(duì)比的優(yōu)勢(shì)

       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(jī)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(gè)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(gè)組件的可靠性。理論計(jì)算和運(yùn)行實(shí)踐都表明，直流系統(tǒng)的可靠性要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于UPS系統(tǒng)，一個(gè)例證就是大型直流系統(tǒng)癱瘓的事故基本沒(méi)有。

      （2）效率大大提高

       目前大量使用的UPS主機(jī)均為在線雙變換型，在負(fù)載率大于50%時(shí)，其轉(zhuǎn)換效率與開(kāi)關(guān)電源相近。但一個(gè)不容忽視的現(xiàn)實(shí)是，為了保證UPS系統(tǒng)的可靠性，UPS主機(jī)均采用n+1（n=1、2、3）方式運(yùn)行，加之受后端負(fù)載輸入的諧波和波峰因數(shù)的影響，UPS主機(jī)并不能滿(mǎn)足運(yùn)行，通常UPS單機(jī)的設(shè)計(jì)最大穩(wěn)定運(yùn)行負(fù)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(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)載率，甚至根本不能達(dá)到設(shè)計(jì)負(fù)載率，UPS主機(jī)單機(jī)長(zhǎng)期運(yùn)行在很低的負(fù)載率，其轉(zhuǎn)換效率通常為80%多。本人現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試UPS負(fù)載率在30%以上時(shí)，轉(zhuǎn)換效率在90%以上，最高為93%。對(duì)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(fù)載的大小，由監(jiān)控模塊、監(jiān)控系統(tǒng)或現(xiàn)場(chǎng)值守人員靈活控制模塊的開(kāi)機(jī)運(yùn)行數(shù)量，使整流器模塊的負(fù)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(chǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，目前常用的12脈沖在線雙變換型UPS主機(jī)，加裝11次濾波器后，其輸入功率因數(shù)通常在0.8～0.9，最大僅為0.95，輸入電流諧波含量通常在7.5%左右。

       與此對(duì)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(kāi)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(bǔ)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(gè)因素的制約，一是負(fù)載的功率因數(shù)，以國(guó)內(nèi)某大型UPS廠商的某型主機(jī)為例，在輸出功率因數(shù)為0.5（容性）時(shí)，其最大允許負(fù)載率僅為50%；二是負(fù)載的電流峰值系數(shù)，通常UPS主機(jī)的設(shè)計(jì)波峰因數(shù)為3，如果負(fù)載的電流峰值系數(shù)大于3，則UPS主機(jī)將降容使用。

       對(duì)于直流系統(tǒng)而言，不存在功率因數(shù)的問(wèn)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(fù)載高電流峰值系數(shù)的負(fù)荷能力很強(qiáng)，不需專(zhuān)門(mén)考慮安全富余容量。

     （5）割接改造更為方便

對(duì)于采用UPS供電的設(shè)備來(lái)說(shuō)，除非其采用雙電源（或四電源、六電源），或?qū)ｉT(mén)配置有STS設(shè)備，否則通常只能采用停電方式割接。對(duì)于重要系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，這是難以忍受的，更為麻煩的是，一些沒(méi)有廠家支撐的老型設(shè)備，很有可能在停機(jī)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(shí)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(jī)）、機(jī)房三個(gè)部分。以成都某運(yùn)營(yíng)商最近完工的一個(gè)機(jī)房為例進(jìn)行對(duì)比分析，該機(jī)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(wàn)元，采用高壓直流供電時(shí)5套直流系統(tǒng)投資越160萬(wàn)元。直流系統(tǒng)投資僅是UPS方案的2/3，究其原因，主要是沒(méi)有UPS柜，并且其僅與交流整流輸入電纜，沒(méi)有旁路回路電纜。

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

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

       對(duì)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(shuō)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(hù)成本

       運(yùn)維成本主要包括電費(fèi)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(fèi)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(chǎng)替換非常方便，而且由于直流供電系統(tǒng)的可靠性遠(yuǎn)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(shì)，目前中國(guó)電信、中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通等各大移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商都在大力推廣，總體成交額度呈50%以上的速度增長(zhǎng)。其中，江蘇電信已全面采用HVDC取代UPS。

       五、240V與336V兩種供電標(biāo)準(zhǔn)的比較

       簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，如果說(shuō)240V高壓直流是改良派的話(huà)，336V高壓直流就是革命派。

       兼容性方面：240V標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)高壓直流系統(tǒng)不能與現(xiàn)有服務(wù)器兼容，需對(duì)現(xiàn)有設(shè)備的電源模塊進(jìn)行改造。

       變換效率方面：336V標(biāo)準(zhǔn)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(dòng)服務(wù)器數(shù)量大幅增長(zhǎng)，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(jìn)可進(jìn)一步提高能源利用效率

       當(dāng)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(jìn)一步降低供電損耗。一種是IT設(shè)備供電由原來(lái)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(shí)由UPS單獨(dú)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(shí)由直流供電系統(tǒng)供電；更為激進(jìn)的工作方式是，市電正常時(shí)，UPS或高壓直流僅為備用，供電效率進(jìn)一步提升。但據(jù)臺(tái)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(fù)載要求，但又達(dá)不到UPS啟動(dòng)條件）。個(gè)人觀點(diǎn)UPS、高壓直流純后備供電方式，存在負(fù)載突加特性，對(duì)設(shè)備要求很高，建議先小范圍長(zhǎng)時(shí)間試用再行有限推廣。

編寫(xiě)人：中移動(dòng)國(guó)際信息港  李智剛。

編寫(xiě)人聲明：本文大量采用專(zhuān)家發(fā)表在網(wǎng)絡(luò)上的資料，因編寫(xiě)時(shí)間較久沒(méi)有特別指出引用原作者，請(qǐng)?jiān)髡咭?jiàn)諒，并向原作者致謝！