高压直流供电系统在客服机房的应用

时间：2024-07-28

余光佐

（中国移动上海公司网维中心动力监控维护部）

1 建设虬江路客服机房高压直流系统的背景

传统UPS供电模式普遍采取UPS冗余，UPS双系统供电保障，1＋1冗余UPS系统负载率控制在35%以内，UPS系统轻载运行，造成能耗浪费。低负载率使UPS系统不仅占用了宝贵的机房空间，配电容量，还制约了机房装机扩容需求，导致整个电源系统的设备资源利用率低，可靠性差，系统扩容、维修保障难度大，而且UPS供电系统存在着单点故障点的问题始终没有得到很好解决，造成整局瘫痪的恶性通信事故屡屡发生。高压直流作为一种新型的供电模式，系统结构简单，克服了UPS系统供电存在的单点故障，系统安全性能大大提高，维护操作方法得到简化，同时也提升供电效率和减少投资成本，为通信设备提供安全、节能、节材的新型供电系统，取得节能减排社会效益。

2 虬江路客服机房高压直流系统概况

目前在上海移动虬江路客服中心已经启用的三层、八层话务机房内的客服座席和通信设备均采用高压直流电源供电，并在一层电力电池室内新建了2套中达240 V／600 A高压直流电源系统，其中：

高压直流电源系统一主要负责承接三层话务机房内的客服座席和通信设备，共计负荷容量约74k W／308 A。系统设备配置包括：2台整流模块机架（本期共配置23只240 V／20 A整流模块，其中2只为备用），1只监控模块，1台240 V／600 A直流屏以及2组240 V／500 Ah后备蓄电池。根据本期系统负荷容量，系统后备蓄电池放电时间约1小时（终止电压1.8 V／节，环境温度取15℃）。

高压直流电源系统二主要负责承接八层话务机房内的客服座席和通信设备，共计负荷容量约46k W／192 A。系统设备配置包括：2台整流模块机架（本期共配置17只240 V／20 A整流模块，其中2只为备用），1只监控模块，1台240 V／600 A直流屏以及2组240 V／500 Ah后备蓄电池。根据本期系统负荷容量，系统后备蓄电池放电时间超过1小时（终止电压1.8 V／节，环境温度取15℃）。

当市电电源正常工作时，两路独立、可靠的市电电源通过交流屏切换后向240 V高压直流电源系统输入1路三相交流电源。高压直流电源的整流模块把380 V交流电源转换为240 V直流电源送至直流输出屏。直流输出屏输出分路馈送至直流列头柜及其后级负载（二级配电屏采用同一套高压直流电源的A，B路熔丝双路供电的方式），同时对蓄电池进行浮充电。

当市电电源停电时，由蓄电池组进行放电维持通信设备正常运行。市电电源恢复后再由整流器将转换的直流电源送至负载，同时整流器对蓄电池进行充电，充电电流不大于10%蓄电池容量。240 V高压直流电源系统的工作原理图以及二级配电屏结构简图如图1，图2所示。

图1 240 V高压直流电源系统工作原理图

图2 二级屏配电结构简图

根据中国通信标准化协会印发的YDB 037—2009《通信用240 V直流供电系统技术要求（》，考虑到虬江路客服机房的负载设备主要是额定电压为交流220 V的IT服务器类设备和座席用终端，目前IT服务器类设备的电源普遍采用全波整流方式，因此采用直流输出“正”极，对应于设备输入电源线的“N”端，直流输出“负”极对应于设备输入电源线的“L”端，设备输入电源线的“地”端与系统保护地可靠连接。直流输出方式采用“悬浮供电”，即系统输出与机架、工作地、保护地隔离（正极、负极均不允许接地），走线时与交流电缆和低压直流电缆分开。由于高压直流系统严禁带电插拔直流电源输入（会导致直流拉弧），所以在虬江路客服机房3F，8F的设备电源引入处进行了警示。

3 虬江路客服机房高压直流系统的测试情况

为保证虬江路客服机房的高压直流系统能顺利的投入运行，先对虬江路3F计费机房准备使用的IT服务器（工控机1台，HP服务器DL380 G6 1台）进行了测试，具体测试项目、数据和结果如下。

3.1 测试设备

工控机1台、HP服务器DL380 G6 1台。

3.2 测试仪器

高压直流电源1套、万用表FLUK1871台、接插件、电缆若干。

3.3 测试环境

常温，23度。

3.4 测试方法

先将负载设备用220V交流电上机测试，观测设备是否正常工作运行。再将负载设备用240V直流电上机测试，观测设备是否与交流供电时工作状态一致，如果是一致，则判断用240V直流电能正常使用，不一致则判断用240 V直流电不能正常使用。

3.5 测试过程

工控机1台，内部二次电源是磐石355。用交流220 V供电和直流240 V供电工控机工作状态一致，直流电测试范围是200 V—290 V。

HP服务器DL380 G6 1台，内部二次电源是台达HSTN－PD14。用交流220 V供电和直流240 V供电工控机工作状态一致，直流电测试范围是200 V～290 V。

3.6 测试结果

根据测试过程的现象和数据判断，工控机和HP服务器DL380 G6用DC240 V供电都能正常工作。

4 高压直流系统的优势和应用前景

4.1 高压直流系统的优势

优化了整个供电系统的配置，在供电系统结构上与直流－48V开关电源系统相同，系统合理，稳定性高，输入谐波电流下降，输入功率因数提高，减少了谐波电流对系统和电网的污染。

蓄电池组与负载之间消除了UPS系统中的逆变器，直接并联在直流馈电侧，电池供电不需要经过DC／AC转换，电池能量利用率提高，提供给负载真正无后顾之忧的后备电源。

整流模块冗余，整流模块方便的N＋1备份模式。直流系统扩容灵活，建设初期投资合理，随系统负荷同步扩展。

系统可靠性高，由于不存在交流电源振幅、频率、相位等要求，直流电源的系统控制较UPS系统简单，系统设备和元器件减少，减小了系统的故障概率；系统的核心部位为整流模块，便于维护；系统中没有自动静态旁路开关，不存在单点瓶颈故障隐患；也不存在环流问题和三相电流不平衡的问题。

4.2 高压直流系统的应用前景

根据后端服务器类型的不同，目前国内高压直流技术的应用有两个标准，一是针对目前的交流服务器，直接采用直流供电。采用此技术标准的标称电压为240 V，电池组为120节2 V电池串联。服务器采用交流服务器不做改动。由于大部分交流服务器为不控整流和PFC整流方案，采用240 V标称电压，输出电压变化范围在210 V到290 V之间，在此范围之内，交流服务器电源可以正常工作。由于服务器部分不用做大的更改，因此采用240 V标称电压的系统即将进入广泛应用阶段。

另一种技术标准的标称电压为336 V，电池组采用168节2 V电池串联的方式。因336 V标准的工作电压大于240V标准，所以相比240 V标准，它具有系统效率高，电池利用率高，工作电流可进一步降低，同时可以进一步降低配电开关容量和配电设备容量以及有色金属消耗等优点，因此采用336 V标称电压的系统即将进入逐步应用阶段。此外，大部份的电子零件﹙Caps，MOSFET等﹚耐压450～500 Vdc，此耐压范围的元器件技术成熟且价格低廉。考虑故障排除和启动时的电压脉冲峰值，高压直流供电系统最高工作电压不宜超过400 V。

不是所有IT设备都能使用高压直流电源，在使用高压直流电源前必须进行测试。IT设备电源输入部分有交流变压器的不能采用高压直流供电（老式的传统电源、CRT显示器、部分音响设备）；有输入频率检测启动的IT设备不能直接采用高压直流供电；部分IT设备电源内部为半波整流，输入电源的正负极要连接正确，不能接反；部分IT设备的电源具有启动过压保护功能，需要降压启动。另外，服务器是否可用高压直流供电，主要取决于服务器内部的电源模块，与服务器本身并无必要关系，同一型号的两台服务器，采用不同型号的电源模块，可能出现一台可以用高压直流供电，另一台不能用高压直流供电的情况。

相对于UPS电源系统和48 V电源系统，高压直流配电对灭弧要求很高，必须采用具有直流灭弧装置的保护电器（高压直流熔丝或高压直流断路器）。从系统可靠性、经济性和维护便利性三重性考虑，高压直流一次配电宜采用熔丝，直流二次配电采用断路器。高压直流熔丝和高压直流断路器串级使用时，应根据熔丝和断路器的安－秒特性曲线来确定上下级之间的级差，使其满足动作选择性的要求。因高压直流输出具有对地悬浮的特性，所以除了在高压直流一次配电侧外，在高压直流二级屏内的断路器的正负极均应具有过流，绝缘保护等功能。另外，在网络机架内每一个分路空气开关控制通信设备电源输入端的一台电源模块。一台通信设备内部配置多个电源模块时，必须对应多个分路开关控制，禁止一个分路空气开关通过多用插座接入多个电源模块。