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240V高压直流供电技术在通信行业的应用
摘要：随着近年来大量高压直流供电试验机房的建成以与行业标准规的相继出台，高压直流供电系统的建设正逐步进入高速发展的阶段，其系统容量在不断扩大，机房类型也在由运营商自有机房向大型数据中心机房发展。本文结合工程实际，分析了高压直流供电系统的在工程应用中需要关注的问题，并给出了相关的建议，希望能够为工程建设人员提供新的思路。
1. 引言
随着数据通信和互联网业务的发展，通信设备对电源安全供电的要求也越来越高，而且随着数据机房规模的扩大，其用电量也大大超过了传统的交换、传输等通信业务。数据机房通常采用UPS系统供电，其可靠性和能源消耗等问题随着UPS设备应用规模的扩大越来越突出。交流UPS供电存在诸多问题，因此对可替代交流UPS供电的其它系统的研究日益繁荣，业界大力推荐的高压直流供电系统也渐渐形成规模。
高压直流供电技术由于其简单可靠，减少了两次能源转换，日益受到业界的广泛关注。近几年，伴随着高压直流供电技术行业规的相继出台，国各大运营商也加大了对高压直流供电技术的研究与测试力度，众多实验机房不断建成，为高压直流供电技术的应用提供了良好的平台。
2. 通信行业高压直流应用现状
2.1 各运营商应用现状
中国电信：2007年开始建设240V高压直流供电试验局，2010 年开始推广扩大试点，在、、、、、、、、、、、、地区，相继进行高压直流试点，截至2010年底已建成110套高压直流系统，特别是电信已有多个IDC机房、多套核心IT系统和业务平台改用高压直流系统进行供电。
中国移动：2009年开始高压直流供电系统试验局建设，先后在、等地进行了高压直流供电的测试，且除240V的试验局建设，还选择另外一类336V的直流电压等级进行试验，目前、、蒙、、也在进行试点。
中国联通：2010年开始建设240V高压直流供电试验局，已在、等多地开展试验测试，并准备扩大高压直流供电系统的应用。
2.2 标准与规出台情况
随着众多试验机房的建成，国也加快了有关240V直流供电的标准编制工作，相应出台的标准主要有：
1、通信标准类技术报告：通信用240V直流供电系统技术要求（YDB_037-2009）。
2、中华人民国通信行业标准：通信用240V直流供电系统（YD/T2378-2011）。
3、中华人民国通信行业标准：通信高压直流电源设备工程技术规（YD5210-2011）。
4、中华人民国国家标准：通信高压直流电源设备工程设计规（报批中）。
5、中华人民国通信行业标准：通信用240V直流供电系统应用维护技术要求（报批中）。
以上标准推进了240V 直流供电系统的产业化进程，有利于产品的规，并引导行业产品的发展方向。
3. 高压直流供电在工程应用中的相关问题
3.1 高压直流供电系统结构的选择
在高压直流供电系统的工程应用中，我们首先会遇到如何选取系统架构的问题，工程人员需要在系统的安全性、可靠性与工程建设的经济性之间做出取舍。参考48V直流电源系统建设方式以与以往UPS系统建设方式，本文对多种系统结构进行了分析，供工程人员根据现场实际情况与负荷重要性等诸多因素灵活选取。
（1）方式一：高压直流单电源系统双路供电

图1 单系统双路供电结构图
方式一与原48V直流供电系统一样，系统结构简单，建设投资小。缺点是由于服务器双路输入均来自于同一套高压直流电源系统，系统在电源侧存在单点故障瓶颈。
（2）方式二：高压直流双电源系统双路供电
与方式一相比，方式二中每台列头柜配置的输入电源分别来自2套电源系统，消除了系统的单点故障瓶颈，提高了供电的可靠性，缺点是系统配置采用2N方式，系统的冗余度较大，正常运行时系统带载率较低。

图2 双系统双路供电结构图
（3）方式三：UPS+高压直流双路供电

图3 UPS+HVDC双路供电结构图
方式三将传统UPS与高压直流供电系统相结合，采用1路交流UPS电源，1路高压直流电源的双路供电形式，该供电方式消除了系统的单点故障瓶颈，提高了供电的可靠性，且在每个机架提供了交直流2路电源，末端业务设备的接电更加灵活。缺点是对于新建机房需要建设2种不同类型的电源系统，增加建设成本与后期维护工作量，且每个机架提供交直流2路供电，其系统性质与接地方式等均有不同，一定程度上增加了使用与维护的难度。
（4）方式四 ：市电+高压直流双路供电

图4 市电+HVDC双路供电结构图
方式四采用1路市电电源，1路高压直流电源的双路供电形式，该方式与方式三的优缺点类似，只是减少了UPS系统的建设投资，且市电路无需电能的转换，可最大程度的提高系统效率。但综合考虑市电的计划与计划外停电与电能质量等因素，该供电方式的可靠性较方式二、方式三略低。
综上所述，以上4种供电方式各有优缺点，考虑高压直流供电系统的结构特点，并结合通信行业广泛应用的48V直流系统的现状，供电方式一可为系统提供足够的供电可靠性，故本文建议常规机房优先选用方案一；对于重要性更高的机房可选用方案二；对于一些供电可靠性要求不高、自主性强的机房可选用方案四，达到最优节能效果。
3.2 高压直流供电系统配电器件的选择
3.2.1 高压直流各级配电器件的配置原则
1、系统直流配电全程应采用双极过流保护器件，其耐压围应与系统电压相适应；
2、直流输出各级配电应满足级差配合要求；
3、直流输出各级配电（末级除外）应采用熔断器或直流断路器保护，当熔断器和直流断路器串联保护时，熔断器宜装设在直流断路器上一级，其额定电流应不小于直流断路器额定电流的2倍。
4、直流输出末级配电（通信设备输入端）应采用直流断路器保护。
3.2.2 高压直流各级配电器件的选择
直流配电系统采用电力室直流配电屏、数据机房直流列头配电柜、机架直流配电单元三级配电结构，如图5所示。

图5 高压直流供电系统结构图
3.2.2.1 直流总配电屏
高压直流系统与48V直流系统相比，系统所需输出分路数较少，且在日常维护与工程施工中，直流配电屏的器件操作较少，熔断器在造价以与48V直流系统维护习惯方面具有一定的优势；同时，考虑高压直流供电系统中熔断器与断路器的上下级配合关系（熔断器应在断路器的上级），为保证系统下级配电的灵活性，建议在直流配电的第一级输出开关优先选用熔断器。
当系统中选用熔断器时，需要保证正负极均配置熔断器，并且两个熔断器要求必须同时分断，避免出现仅单极分断的情况，因为系统中出现单极分断时，另一极仍然带电，系统安全存在隐患。
3.2.2.2 机房列头柜
直流列头柜进线可选用熔断器或直流负荷隔离开关，输出分路考虑到操作较为频繁，同时配置双极熔断器占用柜体空间较大，因此建议优先配置双极直流微型断路器。
上下级配电器件之间应具备选择性。当熔断器和直流断路器串联保护时，熔断器宜装设在直流断路器上一级，其额定电流应不小于直流断路器额定电流的2倍；当上级、下级均选用熔断器时，其额定容量比应大于1.6，使其具有选择性；当上级、下级均选用断路器时，按各厂家器件之间的选择性要求配置。
3.2.2.3 设备机架
传统交流系统末端设备机架配电主要有插座式PDU、端子式PDU两种方式，本文对上述两种配电器件的特点进行分析。
1、传统交流机架配电方式

图6插座式PDU 图7端子式PDU
（1）插座式PDU
特点：插座输出、垂直安装、无断路器，结构简单、每一个插座连接一台服务器，后期接线方便。
（2）端子式PDU
特点：端子输出、结构简单、每一个微断连接一台服务器，后期接线工作量大。
2、高压直流机架配电原则：
（1）严禁通信设备机架直流配电单元一个断路器回路接入多台设备。通信设备部配置多个电源模块时，必须对应多个分路开关控制；
（2）由于高压直流供电采用不接地系统，为了保证系统的完全分断，以与满足元器件的耐压，高压直流供电系统均需采用双极开关；
（3）直流与交流电路相比，直流电流不存在过零点，因此直流配电中使用的断路器性能要求要比交流配电高，不允许使用普通交流型开关，因此通信设备配置的自有船型开关、插座等器件均不能用来分断设备工作电流。
3、高压直流机架配电方式
通信设备机架直流配电单元进线可选用与列头柜对应输出断路器同容量的直流负荷隔离开关，直流配电单元出线有多种方式，
（1）插座式PDU
虽然插座式PDU安装接线方便，但目前无直流专用插座，直接插拔电源插头时会出现拉弧现象，故在应用中不能用来分断工作电流，系统安全性存在隐患；而且采用插座PDU时，不能保证每台设备对应一个断路器，系统安全可靠性存在隐患，因此在工程中不建议采用。
（2）端子式PDU
端子式PDU能很好的保护末端设备，但设备接线工作量大，特别是对于大规模数据机房，服务器设备厂家在安装设备过程中需要频繁在机架布线、压接端子，工程质量难以保证。采用该方式配电时，建议在工程建设阶段就由施工单位将电源插头线布放在机架，后期设备加电时，厂家工程师只需直接将插头接入设备即可。
（3）“端子+插座”式PDU
对于设备厂家自行提供电源插头线的机房，直流机架可采用“端子+插座”式PDU的配电方式，直流微断的安装保证了系统的安全可靠性，插座的安装方便了机架后期设备的安装，但该方式造价稍高，且占用机架空间稍大，建议在机架垂直安装。
同时，该配电方式需注意设备的上电与下电操作，其中设备的开通与分断均只能操作直流微断，而不能操作插座电源。开关操作顺序见下：
a)设备安装
设备安装 设备电源插头接至插座 闭合直流微断
b）设备拆除
分断直流微断 拆除设备至插座的电源线 设备拆除
4、机架PDU的选用
综上所述，工程应用中直流机架建议采用“端子式”或“端子+插座”式PDU的配电方式，“端子式”建议在工程建设阶段将电源插头线布放在机架，“端子+插座”式在工程应用中需注意操作顺序。
3.3 高压直流供电系统电缆选择
通信行业传统48V直流供电系统均采用正极接地系统，而考虑到系统的可靠性与对人身安全性的保证，高压直流供电系统均采用不接地系统，下面本文针对不接地系统，讨论了高压直流系统的几种供电电缆的选择方式，差别主要体现在接地电缆方面。
（1）方式一

图8 高压直流供电系统接线系统图（方式一）
方式一与传统48V直流系统的接地方式一样，主供电线路采用3路单芯电缆，对于传统48V系统来说，PE接地的主要有3个作用：（a）等电位联结；（b）抑制外界电磁干扰；（c）在系统发生接地故障时，形成故障电流的通路，使故障电流尽快回到电源侧。而对高压直流这种不接地系统来说，PE接地的作用只有2个：等电位、抑制电磁干扰，因此方式一这种接地方式完全没有必要，未体现出高压直流供电不接地系统对配电线路节省的优势。
（2）方式二

图9 高压直流供电系统接线系统图（方式二）
方式二主供电线路采用2路单芯电缆，业务机房的地来自机房接地汇流排，该系统与方式一相比，在主供电线路上节省了1路电缆，机房列头柜PE均与机房地线排联通，减少了电缆投资并节省了线路的布线空间，且此处的地线电缆只起到等电位与抑制电磁干扰作用，其电缆截面满足35平方以下即可。
（3）方式三

图10 高压直流供电系统接线系统图（方式三）
方式三主供电线路采用2路单芯电缆，与方式二一样，同时，在业务机房设备列走线架上方统一设置地线网，设备列的所有PE线均接至该地线网，接地系统更清晰、抗干扰能力更强，该方式工程投资较方式二略高。
综合考虑建设投资、系统结构、性能等因素，本文建议在有条件的机房优先选用方案三，若工程中不具备统一设置地线网的条件，建议采用方案二，不建议采用方式一。
3.4 高压直流供电绝缘监察系统的选择
高压直流供电采用不接地供电系统，提高了系统的可靠性（系统发生一次故障不影响系统运行），且增加了对人身安全的保护，但对于不接地系统，如果发生一次单极接地后不能与时发现，则系统可靠性高、安全性好等方面的优势将荡然无存，因此，不接地系统必须配置绝缘监察装置，与时发现并排除系统的一次故障，避免系统二次故障的发生。
目前应用较多的绝缘监察监测方法主要有：平衡桥电阻检测法、投切电阻检测法、支路漏电流检测法，各种方法的基本工作原理本文不做详细介绍，仅对工程应用中绝缘监察装置的选用与安装位置进行阐述。
3.4.1 绝缘监察装置告警方式的选择
目前厂家采用的绝缘监察装置的方式多样，有采用平衡电桥＋支路漏电流检测的方式，该方式简单，告警迅速，缺点是不能发现系统正负极同时发生接地故障的情况。另外一种是投切电阻＋支路漏电流检测的方式，该种方式可以发现各种接地故障情况，但是告警时间偏长。工程应用中建议将上述两种方式综合使用（详见文献[5]），做到最短时间实现故障告警、正确判断故障支路、准确显示接地电阻。
3.4.2 绝缘监察系统的安装
工程应用中，建议在高压直流供电系统的直流电源侧配置绝缘监察装置，机房电源列头柜可根据工程的具体情况，考虑是否设置绝缘监察装置。
高压直流供电系统直流输出侧的绝缘监察装置，用于监测直流配电的主母排与各个输出分路的对地绝缘状态，所配置绝缘监察系统建议综合平衡桥电阻检测、投切电阻检测、支路漏电流检测三种方式，与时准确反映系统的状态。对于机房电源列头柜的绝缘监察装置只需安装支路漏电流检测设备，监测列头柜各个分路的对地绝缘状态。
3.5 高压直流系统容量的选择
通信行业标准YD/T 2378-2011《通信用240V直流供电系统》中规定“240V系统宜采用分散供电，系统容量一般在1000A以下，最大不应超过1500A”。工程应用中系统容量还受到一些其它因素的制约：
1、设备制造水平
目前主流高压直流设备厂家的电源模块容量为20A/240V，部分厂家可提供40A/240V的电源模块，对于1500A的系统，需配置75个20A的电源模块，对于单个系统来说模块数量越多，其发生故障的可能性就越高，而且过多的模块也增加了使用维护的难度，因此，基于高压直流供电技术还未广泛成熟应用的现状，本文建议单系统容量不超过800A。今后随着高压直流供电技术的进一步成熟，建议通过增大单体模块容量的方式，提高整个系统的供电能力，避免单系统配置过多的整流模块。
2、配套蓄电池组的容量与组数
通信行业标准YD/T 2378-2011《通信用240V直流供电系统》中规定“240V系统蓄电池配置需根据系统容量大小，蓄电池单体电压可选2V、6V、12V，每个系统蓄电池组数至少2组，最多不宜超过4组。宜选用铅酸蓄电池”。
系统容量越大，配套蓄电池组的容量也越大，组数也需要越多，当前通信行业主要应用的蓄电池为2V、12V，由于目前主流12V蓄电池单体容量最大为200Ah，故系统最多配置800Ah蓄电池（4组200Ah），对于后备时间1小时的系统，此时仅能提供供电能力约57kW（配置20A整流模块18个）,系统供电能力偏小，因此，12V蓄电池在大容量高压直流供电系统应用困难。
对于2V蓄电池，目前单体最大容量可达3000Ah，但240V系统配套蓄电池组的体积为传统48V蓄电池体积的5倍，特别是对于2000Ah、3000Ah等大容量蓄电池组，需要的安装空间大，工程选址、施工难度较大，同时，考虑到目前建议的单系统不超过800A的容量，按照后备时间1小时配置蓄电池，需800Ah蓄电池2组。因此，综合考虑供电系统能力与蓄电池安装等因素，本文建议高压直流系统优先选用单体2V蓄电池，且目前主流蓄电池厂家均能提供单体2V卧式安装的800Ah蓄电池组，卧式蓄电池较立式蓄电池进一步节省了设备安装空间。
综合所述，240V高压直流系统单系统的容量不宜超过800A，蓄电池优先选用2V单体电池，单只电池容量建议不超过800Ah。
3.6 服务器设备对高压直流供电的适应性
从目前运营商的试点情况来看，尽管后端设备绝大多数都支持高压直流供电，高压直流供电基本可保障后端设备的运行。但高压直流供电毕竟不是后端设备的电源标准，采用高压直流供电实质上是改变了设备电源的标称运行环境，因而对运营商而言存在风险。
为了更好地保证高压直流供电的安全可靠性，规避工程当中的风险，建议在服务器设备采购阶段对新装服务器设备提出相应的适应性要求。例如：从2011年开始，xx运营商在服务器、交换机、磁盘阵列等IT设备集中采购技术规书“设备供电、环境与安装要求”部分，明确提出了对IT设备的电源模块的要求为“设备电源模块必须符合SSI和ATX规，并可做到回路上无并联对直流电压呈现短路状态的感性电子元器件，电源回路上无串联对直流电压呈现开路状态的容性电子元器件，无对交流频率监测的要求。电源模块宜配置具备灭弧功能的空气开关。”，同时要求“使用交流220V的IT设备必须能够兼容使用直流240V电源（192V～288V）”，而主流IT设备厂家均在回标文件中答复“满足”。
4. 结论与建议
高压直流供电由于其自身的优越性，其在通信行业的应用受到了广泛的关注。本文从工程建设的角度，论述了高压直流供电技术在工程应用中需要关注的问题，并提出了相关的建议，希望能够为工程建设人员提供新的思路，同时，针对高压直流供电技术的应用现状，本文给出以下两点建议：
（1）系统容量与模块容量
目前主流高压直流电源设备的单电源模块为20A、40A，为了避免系统中模块数量过多，系统容量一般控制在800A以下，这在一定程度上影响了高压直流系统在数据机房等大用电量场景的应用，建议各电源设备厂家尽快开发大功率段电源模块，以满足大容量高压直流系统的需求。
（2）服务器厂家
高压直流供电技术的推广不仅需要运营商、电源设备厂家的推动，还需要服务器设备厂家的大力支持，目前，部分服务器厂家对高压直流供电技术还存在疑虑，在一定程度上减缓了高压直流应用的步伐。
参考文献
[1]通信标准类技术报告YDB 037-2009 通信用240V直流供电系统技术要求.
[2]中华人民国通信行业标准 YD/T2378-2011 通信用240V直流供电系统.
[3]中华人民国通信行业标准YD5210-2011 通信高压直流电源设备工程技术规.
[4]宝庆.现代通信电源技术与应用. ：人民邮电，2012：311-314.
[5]文波，侯福平.浅谈240V直流系统绝缘监察装置的原理与应用.通信电源技术，2012，（29）：32-34.

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