计算机及通信设备直流供电方式

许继东

（国网吉林东丰县供电公司，吉林 辽源136300）

1 逆变电源供电方式存在的问题

在电力系统中，发电厂、变电站、换流站、开关站等厂站端普遍配置有容量较大的由蓄电池组成的220 V直流电源，直流电源主要给继电保护装置、安全自动装置和远方测控装置供电。在电网系统中，35 kV、66 kV、110 kV 变电站数量众多，在这类厂站通常配置有就地监控计算机一台、调度数据网通信设备一套以及五防计算机一台。为了保证各类实时监控系统工作的可靠性和稳定性，在新建、技改工程典型设计中，要求这些厂站有关计算机及通信设备采用由直流电源经过逆变后得到的交流电源。

为计算机及通信设备配套的逆变电源设备通常需要单独组屏，占地面积大、建设费用高。逆变电源投运后在维护方面存在工作量和费用。另外逆变电源在运行时会发出热量，从而降低了直流电源转换效率。例如某2 kVA 逆变电源，测试时将其内置的两个散热风扇插头拔下，带360 W负载运行5 h后发生热保护停机现象，机壳几处温度较高。

2 计算机及通信设备中的电源电路

与线性电源相比，开关电源由于具有效率高、体积小、重量轻、成本低等突出优势，因此目前计算机及通信设备中的电源部分都普遍采用开关电源。开关电源有多种拓扑结构，图1所示是一种隔离式、反激式、PWM（pulse-width modulation，脉宽调制）式开关电源的基本电路，这种拓扑结构在计算机及通信设备电源中应用极为普遍。图中220 V 交流输入电压Ui经过硅桥DB 整流及电容C滤波后变成直流电压Um，由于Um处于开关电源电压转换的中间环节，姑且称之为中间电压。受电源特性和负载特性的双重影响，Um是一个不稳定的直流电压。Um经过开关管TS 加到变压器TF 的两端。TS 受控于PWM 电路，工作在开关状态。PWM 电路输出高电平时TS 导通，TF 初级线圈开始充磁储能，这时次级线圈回路中的二极管D反偏截止。PWM电路输出低电平时TS 截止，D 导通，TF 中的能量传输到次级。根据不同负载需要，输出电压Uo通常会有几组不同值。由于受到环路负反馈的严格控制，因此Uo是高度稳定的。在实际电路中，Uo反馈到PWM 电路的过程中经过光电耦合器进行电气隔离。

在开关电源中，输出电压Uo=KDUm。式中K为系数，由实际电路元件参数决定。D为PWM的占空比，即TS 驱动脉冲的高电平时间与脉冲周期之比。计算机及通信设备采用逆变电源供电时，Um为300 V左右。输出电压等式表明，虽然Um是变化的，但只要通过PWM电路调节D就可以输出稳定的Uo。

3 直流电源供电方式

3.1 最简方式

在交换机、路由器、显示器等设备的铭牌上，可以发现交流输入电压标识普遍为100～240 V。图2 为一主流品牌的计算机电源，交流输入电压也是在这个范围。可见，交流输入电压100～240 V的电源正在成为计算机及通信设备的标准电源。把这个交流输入电压进行折算，得到中间电压范围为141～339 V。当厂站端直流电源电压采用220 V 标准时，在数值上这个电压就已经进入到标准电源的中间电压范围，而且还超出下限很多，这就为计算机及通信设备直流供电提供了空间。

直流供电时的最简方式，就是电源从220 V直流母线馈出，经过自动空气开关、PDU（power distribution unit，电源分配单元）后直接为计算机及通信设备供电。在实际应用中，各类厂站端配置的直流电源通常为220 V，直流电压在这种配置时，可以不对计算机及通信设备中电源部分做任何调整，计算机及通信设备可以实现即插即用，这是最简方式。在这种方式下，由于开关电源中的硅桥能够自动完成极性校正，因此在连接时无需理会电源的极性。

在最简方式下，通过实验可以发现，当220 V直流母线电压将至最低允许值时，计算机及通信设备中的开关电源仍能维持稳定输出。这种最简方式不足之处是由于开关电源中间电压不是处于最佳设计值，因此开关电源转换效率可能会有所下降。

3.2 计算机及通信设备中电源电路的优化

当厂站配置的直流电源为220 V 时，为了充分提高计算机及通信设备中开关电源的效率，宜取消开关电源初级电路中的限流、整流元件。另外，宜重新配置开关变压器初级线圈、开关管。为了消除上电时的冲击，宜取消整流元件后面的滤波用大容量电解电容。这些优化项目完成之后，开关电源体积将会减小、成本也随之降低。为了保证工作质量，这类优化项目应交由电源制造商来完成。

当厂站配置的直流电源为110 V 时，在数值上这个电压已经超出了计算机及通信设备中标准电源的中间电压范围，为了实现直流供电，必须对计算机及通信设备中电源电路进行适应性调整。这时应取消开关电源初级电路中的限流、整流元件。另外，应重新配置开关变压器初级线圈、开关管。为了消除上电时的冲击，应取消整流元件后面的滤波用大容量电解电容。同样，这些优化项目完成之后，开关电源体积将会减小、成本也随之降低。同样，为了保证工作质量，这类优化项目应交由电源制造商来完成。

3.3 实际应用情况

某66 kV 变电站，厂站端配置有220 V 直流，容量200 Ah。用于实时监控系统的计算机及通信设备主要有：就地监控计算机一台、调度数据网通信设备一套、五防计算机一台，这些负荷合计约为360 W。将逆变电源停用，将上述设备改由直流电源直接供电，一年来所有设备运行正常，监控系统工作稳定。该站控制母线电压为220 V，合闸母线电压为240 V，为了提高电源转换效率，调整时将计算机及通信设备电源取自合闸母线。

在电路结构上，打印机与计算机、通信设备不同，打印机不能采用直流电源供电。事实上，由于不存在实时性要求，打印机也不能由逆变电源供电，只能由站用交流电源供电。

4 结束语

与采用逆变电源供电方式相比，计算机及通信设备采用直流供电方式后会带来如下改变。一是电源系统减少了中间环节，计算机及通信设备工作可靠性提高。二是厂站端屏柜数量减少，逆变电源设备建设费用、维护费用、维护工作量被完全消除。三是直流电源系统能量转换效率提高。

另外，为了从源头上消除计算机及通信设备采用直流供电方式存在的问题，在设备招标、采购时应对计算机及通信设备中的电源标准提出明确要求。