标准先行<br/>——引领和推动绿色安全的HVDC技术应用

标准先行
——引领和推动绿色安全的HVDC技术应用

2021-05-07余斌于海滨杨世忠王超

信息通信技术与政策 2021年4期

余斌于海滨杨世忠王超

(1.中国信息通信研究院泰尔认证研究所，北京 100088；2.中国信息通信研究院泰尔系统实验室，北京 100191；3.中国通信学会通信电源委员会，北京 100846；4.中国通信标准化协会，北京 100191)

0 引言

随着信息通信业的高速发展，特别是“新基建”概念的提出，大型数据中心、通信机房建设规模快速上升，对供电系统的要求也越来越高，传统的UPS电源设备很难兼顾绿色环保、高可靠、易维护等多方面的需求。在实际应用中，高压直流供电系统在上述方面具有明显优势，已经逐渐得到了业内的广泛认可。

高压直流供电技术从最初应用于三大通信服务运营商，发展至今已经逐步扩展到互联网、教育、金融、政府机关等不同领域的大型机房或数据中心，成为信息通信网络电源解决方案的优选，也使得供电安全、节能成效不断提升。回顾HVDC技术应用的发展历史，每一步都切合着相关标准的引领和规范。HVDC技术发展之初，中国通信标准化协会通信电源与通信局站工作环境技术委员会(CCSA TC4)根据相关产品试点应用和技术发展情况及时制定了YD/T 2378-2011《通信用240 V直流供电系统》[1]通信行业标准，随后不断完善并形成系列标准，引领和规范技术发展的系统要求、使用的关键部件及技术设备升级，针对实际应用需要制定了维护标准、通信设备电源输入接口标准和运行后评估标准，不断引领我国HVDC技术高质量发展，保障了数据中心、通信机房、局站的供电安全与可靠，持续助力我国信息通信产业的快速发展。

1 HVDC相关通信行业标准化推进历程

HVDC技术标准化发展进程，初步划分为技术路线确立、应用关键技术控制与规范、运行维护评估3个部分，并伴随着技术发展和应用场景变化不断修订完善(见图1)。

1.1 发展之初，标准推动技术路线确立

1.1.1 240 V直流供电系统标准首次制定

2000年左右，大量服务器、路由器等大功率的网络及IT设备进入通信机房和数据中心，这些大功率设备采用交流电源供电，并使用传统交流UPS电源作为供电保障。在不断扩大的应用中，传统交流UPS的各种缺陷逐步暴露，例如，通信行业使用大量UPS设备，因UPS设备本身故障导致系统宕机掉电的恶性事故屡见不鲜，甚至发生了大容量电解电容爆炸起火的火灾事故，严重影响了通信机房和数据中心的运营安全。且传统UPS电源设备具有可靠性低的固有缺陷，通信用UPS系统普遍采用多机冗余并机的方式，单台UPS电源设备的载荷率不到一半，极易造成投资资源的浪费。

图1 高压直流相关标准发布时间线

针对以上问题，2008年左右我国创新性地提出了240 V直流供电技术。2009年7月，高压直流相关案例已经开始批量应用，相较于传统UPS供电，240 V直流供电技术能效更高、可靠性更好，且不用改变现有IT设备电源产业链，是通信供电体制的一次重大变革，是未来通信机房、数据中心供电技术发展方向之一，具有很高的推广价值。CCSA TC4通过对该技术的研究分析，提出行业标准立项并获得批准。标准编制中关键技术指标制定思路如下。

(1)定义：通信局站和数据机房中向通信设备供电，标称电压为240 V的直流供电系统[1]。在行业标准中明确了240 V直流供电系统的定义，为后续HVDC系列标准的制定以及相关产品和技术的发展奠定了基础。

(2)系统组成与配电结构确立：标准中明确规定了240 V直流供电系统主要由整流模块、交流配电部分、直流配电部分、蓄电池组、监控单元以及绝缘监察装置等组成[1]。

不同于UPS供电系统，240 V直流供电系统的蓄电池组直接挂在输出母线排上，这样的设计架构极大地降低单点故障发生率，采取的单套240 V直流系统、双路物理路由的供电架构无论从原理分析还是现场试验验证，都满足通信行业最高等级的供电保障要求。其二级配电结构如图2所示。

(3)系统电压等级(标称电压)：综合考虑通信机房、数据中心选用的铅酸蓄电池组，电压等级通常采用12的倍数，为利于今后推广使用，同时兼顾工程施工便利性及电池架结构合理性，最后选择了电池节数为20只的240 V电压等级。综合IT设备电压等级兼容性、节能效果、电气安全及电池匹配性等原因，最终确定240 V电压等级为最佳选择。

(4)240 V直流供电系统采用系统悬浮供电，系统输出禁止接地，以避免接触人体产生持续电流而触电，同时要求系统的交流输入与直流输出应电气隔离。

(5)240 V直流供电系统应配置绝缘监察保护装置，实时监测直流输出端对地绝缘情况，以保证供电安全，及时发现不接地系统中由于某条供电线路出现绝缘降低或接地故障，避免发生人身伤亡事故。当监测到系统对地绝缘电阻低于绝缘告警监察值时，系统能够自动发出声光告警信号，并给出绝缘异常的位置，便于运营维护人员查找和处理故障，保障通信设备的运行正常和人员的操作安全。

(6)系统采用高效240 V直流电源模块，指标满足直流输出电压高、额定电流大、功率密度高等要求。

(7)240 V直流供电系统可用度可达到10个9。

2011年12月20日，YD/T 2378-2011《通信用240 V直流供电系统》[1]通信行业标准发布。2012年，中国自主创新的240 V直流供电技术被写入ITU-T L.1200-2012《Direct Current Power Feeding Interface Up To 400 V At The Input To Telecommunication And ICT Equipment》国际标准。

图2 高压直流供电系统架构示意图[2]

1.1.2 336 V直流供电系统行业标准立项原因与关键技术指标的确定过程

YD/T 3088-2016《通信用336 V整流器》[3]、YD/T 3089-2016《通信用336 V直流供电系统》[4]体现了国际标准ITU-T L.1200-2012的核心内容。标准中关键技术指标与ITU-T L.1200规定的电源接口标准和电压范围等核心内容保持统一。 336 V直流供电系统具有能耗更低的优势，可提高供电可靠性、提高可维护性、减少设备占地面积，有着广泛的发展前景。系统中关键设备336 V整流器是保证输出电压的稳定和可靠、实现336 V直流供电关键环节指标的核心变换设备。336 V直流供电系统在安全可靠、节省运行成本、绿色环保等诸多方面有着重大意义，但由于所需器件及配套设备耐压等级较高，均需要定制化产品，应用中受到一定的限制，对整个产业链的规模化发展提出更高要求。

(1)系统组成：除电压等级为标称值336 V外，与上述的供电系统总体架构基本相同，系统可分为一体化组合式电源系统和分立式电源系统[4]。

(2)系统输出电压变化范围如表1所示。

(3)蓄电池配置如表2所示。

表1 系统输出电压变化范围

表2 系统中蓄电池配置

(4)系统采用悬浮供电方式，即采用不接地系统，必须对系统安装绝缘监察装置。

(5)采用高效整流模块，更加节能高效。

1.2 标准引领HVDC应用关键技术的规范发展

1.2.1 240 V直流供电系统配电设备行业标准的编制

基于运营商已在网运行的240 V直流供电系统，其中配电设备是系统重要组成部分，在对其进行技术研究和测试评估基础上，制定了YD/T 2555-2013《通信用240 V直流供电系统配电设备》[5]通信行业标准，主要起到为240 V直流供电系统使用单位提供完整的配电设备技术规范的目的，内容涉及直流总配电屏、机房配电屏、直流电源列柜和直流网络机柜等，此标准与HVDC其他标准一起组成为系列标准。

(1)确定240 V直流供电系统配电设备组成，如图3所示。

图3 通信用240 V直流供电系统配电设备组成示意图[5]

(2)明确直流配电设备的电压标称值为240 V，IT设备输入端直流电压范围192 V～288 V[5]。

(3)明确规定直流总配电屏输入(总)额定电流、机房直流配电屏单路输入(总)额定电流与直流网络机柜额定电流的规格要求，分别确定各部分的总体要求、接地性能、输出电压电流监测、电压降、监控与告警、绝缘监察等，明确系统的安全要求。

1.2.2 240 V/336 V直流供电的通信设备电源输入接口通信行业标准立项

系统设备整体的运行可靠与各设备输入接口紧密相关，基于国际标准ITU-T L.1200-2012的核心内容，YD/T 2656-2013《基于240 V/336 V直流供电的通信设备电源输入接口技术要求与试验方法》[6]针对在行业中的应用，规定了基于240 V/336 V直流供电的通信设备电源输入接口技术要求、明确了具体的测试方法，为接口器件生产企业和使用单位提供可依据标准。在HVDC使用中除对主设备制定标准要求的同时提出了与系统配套的相关设备、接口要求，让240 V/336 V直流系统应用全面、规范、安全、高效推进。

1.2.3 通信用240 V/336 V输入的直流-直流电源模块标准立项原因

嵌入在信息通信设备内部的240 V/336 V输入的直流-直流电源模块是信息通信设备的核心部件，其作用是把直流输入电压(240 V/336 V)转换为低电压的转换单元，YD/T 3319-2018《通信用240 V/336 V输入直流-直流电源模块》[7]标准的制定主要针对各生产企业在产品效率、电压范围、功率、防护等级、环境温度等标准的不统一问题，为实现各企业标准化设计，推进产品规范化发展，满足系统安全可靠、方便维护和高效节能的需要而编制完成。

1.2.4 通信240 V/336 V供电系统用直流断路器标准立项目的

直流供电系统中核心保护器件之一是直流断路器，其分断能力与体积等关键指标是保证开关高可靠运行的关键，但因为没有适用于240 V和336 V直流电压等级的相关直流断路器标准规范，使得高压直流供电系统实际应用中存在不少问题。CCSA TC4针对240 V/336 V直流供电系统关键保护器件直流断路器在应用中存在的问题进行调研和分析，提出在240 V/336 V直流供电技术中应用直流断路器的特性要求，用于对设计、制造的指导和规范。标准的主要内容包括定义、总体要求、断路器技术要求、验证方法等[8]。

1.3 维护、运行评估标准的建立使HVDC技术可持续高质量发展

1.3.1 通信用240 V直流供电系统维护技术要求的行标立项原因

240 V直流供电系统作为我国自主创新技术，在实际运行应用中没有针对性的维护标准来指导，YD/T 2556-2013《通信用240 V直流供电系统维护技术要求》就是为240 V直流供电系统的维护提供统一、完善的标准，它详细规定了240 V直流供电系统的使用条件、维护项目、周期、指标要求和检测方法[9]。以此标准来指导240 V直流供电系统运行维护并统一检测方法，确保系统的在网安全运行，提高通信系统的供电安全的可靠性。

1.3.2 240 V/336 V直流供电系统运行后评估要求与方法的行标立项起因

随着240 V/336 V直流供电系统的快速应用，如何评价评判成为急需解决的问题，YD/T 3091-2016《通信用240 V/336 V直流供电系统运行后评估要求与方法》[10]为在网应用通信用240 V/336 V直流供电系统的运营单位提供在线评估的方法，主要评估其技术指标、各项功能、安全性(含存在的安全隐患)、节能性以及可靠性。

2 HVDC技术在我国的发展成果

2.1 HVDC技术应用情况

完善的标准体系推动了240 V/336 V直流供电系统的快速应用，也催生了产业不断发展，240 V/336 V直流供电系统已逐步在三大通信服务运营商、腾讯、阿里、百度、美团、京东等企业的大型通信机房、数据中心中得到了应用。

图4、图5数据来源于某企业收集的各行业订单梳理和模型预测。 2012年及以前，总装机量为30万A， 2014—2015年全国各行业应用有所突破，新增装机容量迅猛增加，2014年、2015年新增装机年增长率分别达到126.7%和132.4%，2016年以后每年新增的HVDC设备装机容量不断上升，2018年HVDC设备新装机容量与上一年相比年增长率达到了53.8%，当年新增装机容量为400万A，2020年更是达到新的高点，新增装机容量为830万A。

截至2018年年底，HVDC应用容量分布情况如图6所示，互联网数据中心容量占比为57%，电信企业容量占比为35%，其他占8%[11]。

2.2 促进配套产业发展

随着HVDC系统设备的应用不断扩大，其核心保护器件直流断路器的产量和质量也同期攀升，促进产业链的良性发展，以某知名生产企业用于HVDC设备应用的直流断路器近几年销售情况为例(见图7)，销售量不断增加，推动配套企业不断壮大和发展。

图4 2012年以来每年新增HVDC设备装机容量

图5 2014年以来HVDC设备新装机容量的年增长率

图6 HVDC系统容量在全国分布情况

2.3 系统运行维护成本低

表3为某应用HVDC技术的企业2018年度维护费用概况(2N UPS与HVDC比较)[12]。整机式交流UPS维保费用包含：部分设备更换电容，深度维护保养检查。HVDC维保费用含单元模块损坏维修及代维支出。

2N UPS一年维护费用为1.448万元×20 000=2.896亿元，而1万套直流系统维护费用为0.085万元×10000=850万元，比较结果显示HVDC系统维护成本更低，企业可以获得良好的效益。

3 结束语

从2009年7月高压直流相关案例小批量应用开始，到第一个高压直流行业标准在2011年正式发布,确立HVDC技术路线、把控应用关键技术与核心部件与设备发展、制定运行维护评估重点和关键方法，10年的进程见证了高压直流系列标准引领产业发展和应用实践，有力推动了数据中心和通信机房绿色、安全、节能发展。新技术的发展和新版YD/T 2378-2020《通信用240 V直流供电系统》发布实施，将为ICT基础设施绿色、安全推进提供更加有力的保证。