240 V直流电源系统技术在福州电信的应用

江竞帆

（中国电信股份有限公司福州分公司网络操作维护中心，福建 福州350001）

0 引 言

随着通信网络和业务需求的不断发展，通信设备对电源安全供电要求也越来越高。长期以来，使用交流电源的通信设备均由交流UPS供电，但交流UPS电源系统存在着单点故障点的问题始终没有得到很好解决，因交流UPS电源系统而造成整局瘫痪的恶性通信事故屡屡发生，使通信网络的供电安全受到了严峻考验。与传统的48 V直流供电方式比较，在通信网络系统设备中采用交流UPS系统供电，存在可靠性低、维护扩容难度大、效率低等多方面弊端。

1 240 V直流替代交流UPS给IT设备供电的原理和优势

现时IT设备（计算机及其外设）机内电源普遍采用高频开关电源技术。在市电的入口处都有一个整流桥电路。交流电压通过整流桥，变成直流电压。也就是说，IT设备内部最终提供到元器件级的都是直流电源。图1是计算机通常采用的ATX开关电源的原理框图。

图1 计算机内ATX开关电源的原理框图

实际上，也可以直接使用直流电源的输出从原来的交流入口处接入用户设备供电，不必对原设备进行任何改动，如图2所示。

图2 电源模块中的“市电侧整流滤波”电路可以通过直流电的示意图

从电子电路原理上分析，只要在设备电源的交流输入端没有串联电容或互感式电感线圈的隔离，都可以通过直流电。由此可知，上述IT设备中绝大部分是可以采用同电压等级的直流电源替代交流电源供电进行工作的。

图3 交流UPS向计算机供电的原理电路框图

传统的交流UPS是AC－DC－AC模式，它有两个变换环节：一是整流滤波（AC－DC）环节，二是逆变（DC－AC）环节。图3中的左侧虚线框内所示的电路为传统交流UPS，它包括整流器、蓄电池和逆变器；图右侧虚线框内所示的电路，为计算机中的ATX开关电源，它包括抗干扰电路、市电侧整流滤波电路和DC／DC变换电路。图左侧的传统交流UPS电路中，市电220 V交流电压经过无任何升、降压功能的桥式整流器，整流成直流电向蓄电池进行浮充电，蓄电池上的直流电再经过逆变器逆变成220 V工频交流电压向计算机供电。图右侧的计算机ATX开关电源中，“市电侧整流滤波电路”再将220 V工频交流电压整流成直流电，而后再由ATX中的DC／DC变换器将直流电压变换成12 V，5 V和3.3 V的直流电压向计算机供电。

图4 交流UPS和高压直流的结构比较

由图4可以看出，左侧交流UPS中的整流器输出与右侧ATX中“市电侧整流滤波电路”的输出都是直流电压。这就说明逆变器将蓄电池的直流电再逆变成220 V交流电是多余的。因此可以将交流UPS中的逆变器去掉，并直接将蓄电池的直流电通过计算机中ATX的“市电侧整流滤波电路”向计算机供电，成为直流供电。采用240 V直流电源（HVDC）替代交流UPS给IT设备供电，有着明显的优势，如表1所示。

表1 HVDC与传统交流UPS的比较

2 福州电信240 V直流电源系统应用实例

2010年中国电信发布《通信用240 V直流供电系统技术节能试点技术指导意见》，2011年通信行业标准《240 V 直流电源系统》（YD／T2378－2011）发布，开启了240 V直流电源应用的大幕。福州电信迅速启动，从2011年起在省综合信息楼分批上马了9套240 V直流电源系统，为IT和IDC机房提供不间断电源，共计近千台各类通信设备，成效斐然。

图5为240 V直流电源供电系统设备安装现场实拍图。

图5 240 V直流电源供电系统设备安装现场实拍图

3 240 V直流电源供电方案的选择

240V直流电源供电方案的选择方案如下：

（1）系统主要由在一个或多个机架中的交流配电部分、高频开关整流模块、直流配电部分、监控单元以及绝缘监察、接地部分等组成。

（2）系统可分为一体化组合式系统和分立式系统，如图5所示。系统容量在300 A以下的可使用一体化组合式系统；系统容量在300 A以上或需要较好的扩充性能的应使用分立式系统。

（3）一体化组合式系统的交流分配部分、高频开关电源整流器、直流分配部分、蓄电池接入等可以安装在同一机架内，蓄电池单独安装，如图5（a）。

图6 一体化组合式系统和分立式系统

（4）分立式系统的交流分配部分、高频开关电源整流器、直流分配部分宜分别安装在不同的机架，蓄电池单独安装。监控单元可安装在某个机架内，如图5（b）。

通过充分的调研和讨论，形成以下一致意见：

（1）采用分立式系统为组网方案，系统满容量为800 A，最大输出带载量为600 A（159 kW），电池充电为20小时率。

（2）系统采用悬浮方式供电，系统交流输入应与直流输出电气隔离；系统直流输出应与地、机架、外壳电气隔离；使用时，正、负极均不得接地，采用悬浮方式供电；系统应有明显标识标明该系统直流输出不接地。

（3）系统具备绝缘监察功能。系统应具备绝缘监测功能，在直流输出总配电屏中，应对总母排的绝缘状况进行在线监测，可对每个分支路的绝缘状况进行在线或非在线监测；直流系统发生接地故障或绝缘电阻低于28 kΩ时，绝缘监察装置保护动作；绝缘监察装置应能测量出直流系统一极或二极绝缘下降和绝缘电阻数值，当低于整定值时应能发出报警信号。

（4）系统采用“直流系统总输出屏＋电源列柜”的二级配电结构，为设备机架供电如图7所示。

（5）末端设备机架配电方式：采用双极直流微断（即空开），容量为10 A或16 A，一个空开对应接入服务器的一个电源模块。

4 服务器上电策略及经验总结

服务器上电策略及经验总结：

（1）上电现场配置了一台240 V直流负载，用于测试服务器是否适用HVDC；

（2）用万用表电阻档测试L、N两端可判断服务器电源是否采用开关电源技术，接入是否会造成短路。经实际探索，服务器电源L、N两端正反各测试1次，若电阻值在10 kΩ以上，接入HVDC不会发生短路；若在1 kΩ以下，不能接入，否则会引发空开跳闸。

（3）服务器上架送电后，若遇到不能正常启动的，可以尝试将电源线L、N对调后接入空开，如能正常启动，说明该服务器开关电源采用半波整流技术；如还不能正常启动，说明该服务器电源不适用HVDC（可能原因是该电源模块判断输入频率不合格而拒绝启动电源）；此类情况我省遇到2例。

图7 “直流系统总输出屏＋电源列柜”的二级配电结构

（4）个别服务器上架送电后，电源模块供电正常，但有声光告警。这种情况基本是该服务器电源模块具备输入频率监测功能，提示频率不符合要求（HVDC没有频率），但不影响服务器正常工作。此类情况福建省遇到1例。

（5）针对少量不能适用HVDC的服务器解决方案。

a.更换服务器电源模块。此方案看似简便，但因电源模块品种规格接口不一，难以匹配到相同的电源模块，福州电信公司至今未应用。

b.采用240 V直流逆变器供电。在服务器机柜内安装240 V直流逆变器直接对服务器供电，单电源服务器配置1台逆变器，多电源服务器配置2台逆变器。

此方案有较好的针对性和通用性，福建省已采用并实施3例，效果良好。

（6）福州电信公司目前不能适用HVDC的服务器汇总表

表2 不能适用HVDC的服务器汇总表

（7）福州电信公司已在IT和IDC业务方面推广HVDC，目前上架近千台设备，适用率在99%以上。

5 240 V直流供电系统保障等级探讨

《中国电信〔2010〕851号关于印发通信用240 V直流供电系统节能试点技术指导意见（暂行）的通知》中的第8页描述“由于高压直流系统直接将蓄电池接在输出母排上，大大减少了单点故障点，因此采用单套高压直流系统、双路独立物理路由的供电模式，从原理分析和现场试验应用等多方面证明，其可靠性可以等效于完全独立的双系统、双母线（2N）的交流 UPS系统，能够满足通信网络系统设备最高等级的供电保障要求。”

在实际推广中，仍有不少IDC大客户坚持交流UPS“2N”保障等级的老思路，为此，我司适时采取了两套240 V直流系统、双母线对一个服务器的“准2N”供电模式，即物理路由上实现2N保障，容量实现1N供电。这样的1N容量的供电模式，在非常极端的情况下，如果有1套高压直流系统掉电，负载仍可由另外1套高压直流系统供电，如容量不足，蓄电池组可以放电进行支援，我们有充分时间排除故障并且有能力有手段进行抢修（这一点胜过UPS系统），确保用户设备不掉电，保障等级不降低。

6 结束语

240 V直流电源替代传统UPS为服务器供电，是通信电源的一次重大突破和技术创新。在集团公司的大力支持下，在设备集采环节中已向供应商明确要求适用HVDC。目前在电信内部（如IT等部门）推广比较顺利，但是在IDC行业推广还是遇到了较大的阻力，主要体现在：客户不了解HVDC，质疑能否替代传统UPS；客户服务器由其自行采购，服务器厂家不承诺适用HVDC；服务器厂家声称客户服务器若使用HVDC，就不提供保修服务；等等。针对这种情况，福建省政企和建设维护等多部门做了大量工作，打开了IDC业务应用的突破口，目前发展形势良好。