高压直流供电方式在通信电源中的发展与应用

高压直流供电方式在通信电源中的发展与应用

摘要

数据通信是现阶段社会应用不可缺少的内容，保证其供电的稳定性对于数据

通信的功能发挥和价值提升有着重要的意义，所以研究数据通信供电的相关内容

有着十分重要的现实价值。本文对数据通信供电的基本特点进行探讨，并就我国

数据通信供电的现状，尤其是对交流UPS供电系统的可靠性、安全性以及工程设

计等内容展开详细的分析。与此同时.，从高效节能的角度出发对直流供电系统以

及其实施进行试点跟踪，可以更好的发现问题并及时的解决，从而构建起价值功

能更加完善的高压直流供电新系统。

关键词：高压直流供电；通信电源；发展应用

1数据通信设备供电系统现状

从目前的数据通信设备供电系统现状来看，当前使用的供电系统主要有两种

方式，一种是利用直流进行供电，另一种是使用交流进行供电，下文是对两种供

电的详细分析。

1.1直流通电

在目前的数据通信设备供电当中，采用直流进行供电较为普遍。之所以要利

用主流供电系统进行供电主要是因为从一系列的研究结果来看，直流系统供电是

通信设备最可靠、最安全和经济的供电方案。之所以此种供电系统可靠，主要是

因为在长期的研究和发展中，-48V直流电源在电信行业中已经得到了规范化的

应用。此系统通过一个统一的标准接口实现了对不间断电话服务的提供，可靠性

十分的显著。再者，此系统采用的双路输入的供电方法也比较容易实现，所以其

整体应用突出了经济性。

从最近的发展来看，我国数据通信取得了比较明显的进步。在电源利用方面，

-48V电源系统虽然还存在着应用，但是其效果却己经明显的弱化。从实际调查

的结果来看，目前互联网数据中心IDC机房耗电量高达几百至几千kW的负载如

果仍然是使用-48V电压，必然会出现设备利用效率降低、馈电导线界面加粗等

1

突出的问题，所以在数据通信不断进步基础上，不少国家都在积极的进行

300Z00V高压直流供电系统的研究。

1.2采用交流供电

交流供电也是通信设备供电的一种主要方式，为/提升供电的效果，主要采

用的是UPS技术。就此技术的具体分析来看，其应用需要满足三个方面的基本条

件。

第一是要采用冗余的UPS的供电方法。就我国通信行业的标准规定而言，通

讯系统的UPS可应用度要达到99.9995%以上，以这个标准进行换算发现每年的

故障时间只允许有2.6min。根据这个标准进行分析发现使用单机的UPS不能满

足具体的需要，所以要使用冗余的UPS供电方法。

第二是在UPS使用中最好采用并联冗余UPS供电的方法。这种方法的利用分

为直接并联和并机柜并联两种方式。直接并联这种方式在利用的过程中对于扩容

有着积极的意义，所以在容量系统扩大中可以使用此方式。并机柜并联这种方式

主电路较为简单，但是扩容十分的不方便，所以在主机台数较小的容量系统中进

行运用比较合适。

第三是为了保证负载输入端的电源可靠性，需要积极的利用冗余UPS的方案。

这种方案主要指的是利用两台独立的UPS进行工作，从而保证UPS之间存在负载

母线的同步电路，这样，IPS在全部时间内的同步工作可以实现，电源稳定性明

显的提高。

2高压直流供电新系统分析

2.1整流型的AC供电

整流型AC供电是目前存在的一种高压直流供电新系统。此系统的基本技术

框架有两部分组成:第一是当存在市电的时候，在设备的输入端进行整流并直接

配给AC/DC变换器，这样在系统中就可以实现一级变换。.第二是当市电停电的

时候，利用备用电源将高压蓄电池连接到进行集中供电的AC/DC变换器，这样可

以实现对模板的供电。在具体的利用中，此系统表现出来四个方面的突出优势：

首先是在系统中因为只有一个变换级，所以效率有了极大的提升。其次是此种技

术形成的新电池充电器和目前使用的充电器相比尺寸大为减少，所以从空间占用.

2

上来讲,其优势十分的突出。再次是此种技术形成的蓄电池其价格要比传统蓄电

池的价格更低，所以经济性更加的突出。最后是利用此技术形成的供电系统和通

信设备具有比较强的兼容性，所以在模块方面不需要在进行多余的添加。简言之，

整流型AC供电系统作为一种全新的高压直流供电系统在实际应用中表现出了比

较强的优势，其在目前的数据通信供电当中具有较好的实用性，应用价值较高。

2.2小型数据局的高压直流供电系统

小型数据局的高压直流供电系统是目前应用的另一种.高压直流供电新系统,

此系统的出现和应用开始于美国。从此系统的具体分析来看，在数据的中心局当

中，传统的供电系统采用的是交流400V或者是480V进行供电，而供电给通信设

备的电源是-48V电源。基于这样的认知，安装一个具有示范性的小型数据中心

局，并在其中进行交流UPS供电设备以及直流380V高压供电设备的安装，并就

其各自介入到具有相同功率的服务器当中，这样就可以获得二者的效率，进而对

高压直流的节能数据等进行获取.在示范性的小型局交流和直流供电设备系统当

中,将交流UPS的功率恒定早75W,因为没有定型的直流率S,所以在具体利用中

将光电逆变器当整流器进行使用，其容.量也会达到75小。在此之外，使用飞轮

直流UPS并使用

3.3270V直流供电系统

270V直流供电系统也是目前使用的一种高压直流供电新系统，此系统在节

能和高效方面也有着较为显著的效果。就目前的具体分析来看，此系统具有四个

方面的突出特点：第一是从研究论证的结果来看，在使用冗余直流变换器的时候，

此系统的可靠性和-48v系统的指标具有一-致性，和采用冗余并联UPS也具有相

同性，和没有冗余的UPS相比较，其供电指标要更高。第二是此系统在人生安全

方面更加的显著。从调查来看，220v、50Hz的交流电源对人体会产生比较大的

危害，而当交流电压在小于240V的时候，其对触及的人参皮肤伤害在恒定的范

围内，超过240V,电流在不断的增加，危害也在不断的加大。因为此系统采用

的是直流供电，所以同样为50Hz所谓电流，其伤害只有交流电的40%,所以说

此系统更加的安全。第三是从经济方面进行分析发现此种系统相比交流供电系统,

成本投资增加了59%以上，所以说直流系统更具经济性，第四是和48v的直流供

电系统相比，270V直流供电系统虽然耗损高，但是电缆费用降低，综合成本投

3

入要更小。

3高压直流供电技术的优点

3.1技术方面

（1）可靠性大幅提升

高压直流供电技术引入的主要目的就在于提升系统的安全性。IPS系统本身

仅并联主机具有冗余备份，系统组件之间更多地是串联关系，其可用性是各部分

组件可靠性的连乘结果，总体可靠性低于单个组件的可靠性。反观直流系统，系

统的并联整流模块、蓄电池组均构成了冗余关系，不可靠性是各组件连乘结果，

总体可靠性高于单个组件的可靠性。理论计算和运行实践都表明，直流系统的可

靠性要远远高于LPS系统，一个例证就是大型直流系统瘫痪的事故基本没有。

（2）大大节约能耗

目前大量使用的UPS主机均为在线双变换型，在负载率大于50%时，其转换

效率与开关电源相近。但一个不容忽视的现实是，为了保证UPS系统的可弁性，

UPS主机均采用n+1（『1、2、3）方式运行，加之受后端负载输入的谐波和波峰

因数的影响，UPS主机并不能满足运行，通常UPS单机的设计最大稳定运行负载

率仅为35~53机而受后端设备虚提功耗和业务发展的影响，很多UPS系统通常

在寿命中后期才能达到设计负载率，甚至根本不能达到设计负载率，UPS主机单

机长期运行在很低的负载率，其转换效率通常为80%多，甚至更低。对于直流电

源系统而言，因其采用模块化结构，可根据输出负载的大小，由监控模块、监控

系统或现场值守人员灵活控制模块的开机运行数量，使整流器模块的负载率始终

保持在较高的水平，从而使系统的转换效率保持在较高的水平。

（3）输入参数大大改善

现场测试发现，目前营用的12脉冲在线双变换型UPS主机，加装11次滤波

器后，其输入功率因数通常在0•-0.9,最大仅为0.95,输入电流谐波含量通常

在7.5%左右。与此对应，由于PFC电路的应用，额定工况下，开关整流器模块

的输入功率因数通常都在0.99以上，输入电流谐波含量通常在5%以下。输入参

数的改善的直接效果是，前端设备的容量可以大大降低，前端低压配电柜可以不

再配置电抗器，从而也可以降低补偿电容的耐压要求。

（4）带载能力大大提高

4

UPS系统带载能力受两个因素的制约，一是负载的功率因数，以国内某大型

UPS厂商的某型主机为例，在输出功率因数为0.5（容性）时，其最大允许负载

率仅为50%；二是负载的电流峰值系数，通常UPS主机的设计波峰因数为3,如

果负载的电流峰值系数大于3,则UPS主机将降容使用。

对于直流系统而言，穴存在功率因数的问题。因其并联了内阻极低的大容量

蓄电池组，加之整流器模块有大量的富余（充电和备用），其负载高电流峰值系

数的负荷能力很强，不需专门考虑安仝富余容量。

（5）割接改造更为方便

对于采用UPS供电的设备来说，除非其采用双电源（或四电源、六电源），

或专门配置有STS设备，否则通常只能采用停电方式割接。对于重要系统来说,

这是难以忍受的，更为麻烦的是，一些没有厂家支撑的老型设备，很有可能在停

机不能重启的现象。直流电源只要做到输出电压和极性相同即可连接到一起，从

而实现不停电割接，而这是非常容易做到的。

3.2建设投资

电源系统投资包括UPS电源（高压直流）、前端电源（市电、油机）、机房三

个部分。以成都某运营商最近完工的一个机房为例进行对比分析，该机房同层布

置4套400KVA1+1LPS系统，采用高压直流供电，需5?套50KW系统。UPS电源（高

压直流）部分：采用UPS方案每套系统的投资大约为250万元，采用高压直流供

电时5套直流系统投资越160万元。直流系统投资仅是UPS方案的2/3,究其原

因，主要是没有UPS柜，并且其仅与交流整流输入电缆，没有旁路回路电缆。

前端电源部分：粗略测算，采用高压直流方案，市电和油机供电系统约可减

少20~25机机房：采用UPS方案和高压直流供电方案，所需占用的机房面积基

本相同，但是采用高压直流供电方案时，开关电源安装区域机房荷载要求大大低

于UPS机房，粗略测算，机房土建成本约降低10%左右。

对以上投资加权后，采用高压直流供电方案总投资降低约30%。需要说明的

是，采用高压直流供电方案，不仅电源系统可分期建设，系统的电源模块也可根

据需要分期建设，考虑投资折现率后，高压直流供电方案的投资节约率将更加明

显。

5

3.3运维成本

运维成本主要包括电费成本和维修成本，由于转换效率的提高，高压直流供

电将大大节约电费成本。在维修成本方面，高压直流供电采用的整流模块化结构，

现场替换非常方便，模块除厂家外，一些通信支撑企业也可维修，维修价格在一

定程度上可由市场决定。

4高压直流技术应用前景分析

虽然高压直流供电技术具有很多优点，但电源技术的大规模商用是一个系统

工程，涉及到后端用电设备、技术标准、产业链保障等方面，只有这些方面同时

具有可行性，高压直流供电技术才可能得以大规模应用。

4.1高压直流技术应用现状

目前对高压直流供电的应用，总体情况是电信运营商非常热心，热切希望大

规模高压直流供电，与电源系统厂商一起进行了大量了理论研究，国内业界已就

包括高压直流供电电压、接地方式等关键问题达成了共识，高压直流供出已在部

分本地网进行了试点。

与之形成鲜明对比的是，到目前为止，后端IT设备还没有针对高压直流供

电的电源技术标准，也没有大型IT厂商宣布支持后端设备高压直流供电。

高压直流供电有多种电压可供选择，因为缺乏后端设备厂商的响应，国内高

压直流供电的思路均是基于不对后端用电设备进行改造，供电电压的选择就必须

保证在电源系统各种运行模式下，后端设备均可正常工作，日前国内业界对高压

直流供电的标称电压已达成共识，即选用240V电压等级。

4.2制约高压直流技术大规模应用的主要因素

从目前运营商的试点情况来看，尽管采用单相UPS电源供电的后端设备绝大

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，因而对电信运营商而言存在较多的风险：

技术风险：使用UPS电源供电的后端设备种类繁多，从目前运营商的试点情

况来看，还是有部分设备无支持高压直流供电，对于具沐的设备能否支持高压直

流供电，能否在高压直流供电的额定输出电压、最低输出电压、最高输出电压下

6

正常运行，只能针对具体设备进行电路分析和实际实验。对于在高压直流供电卜.

能正常运行的后端设备，也需要用时间来检验其寿命是否会发生变化。法律风险:

改变设备的电源运行环境，实质上是改变了采购合同约定的运行条件，如后端设

备发生故障，运营商将处于较为不利的法律地位，面临着较大的风险。同时，对

于高压直流供电最大应用场合的IDC机房，运营商通常与客户签订有严格的SLA

（服务等级协议），供电电源的改变也会将运营商推向不利的地位，一旦客户托

管设备发生故障，尤其是涉及到对服务连续性极为敏感的金融、大型SP等客户

时，双方可能陷入长时间的纠纷，或以运营商的让步而告终。从现网试点情况来

看，运营商普遍的心态还是感觉“高压直流电源稳定可靠，不会出现问题”，还

没有从法律层面认真思考可能遇到的法律纠纷。

5交流UPS供电存在的问题

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的要求也越

来越高。长期以来，使用交流电源的通信设备均由交流［JPS设备供电，但交流

UPS电源系统存在着单点故障点的问题且始终没有得到很好的解决，因交流

UPS电源系统故障而引发的通信事故时有发生，给通信维护部门带来了严峻的考

验。目前交流UPS供电存在的主要问题有如下方面。

5.1交流UPS供电的缺点

因为交流电的电压方向、幅值每时每刻都在发生变化，当采用多台UPS并机

输出时，就必须保证并机的每台UPS输出的相位、频率、幅值相同。在需要切旁

路时，为了保障不间断供电，就必须保持对市电的相位、频率、幅值的跟踪和同

步。当市电发生大范围变化时，其各种参数总会在一定范围内波动，因此UPS

系统也在不断的调整输出参数。这种设计在理论上没有问题，但在实际应用中，

随着市电的不断变化，以及电子元器件的老化，尤其是采集模块的零点漂移，往

往会在切换时造成中断。这种中断在以往的案例中屡见不鲜，给数据中心的设备

运行带来了巨大的影响。

5.2交流UPS电源资源的浪费

由于并机的复杂性，尽管众多厂家声称可多台并机，有的甚至可以达到8

台。但在实际应用中,UPS弃机系统并机的台数都不会太多，一般为1+1或者2+1,

7

也就是2~3台。而为了保持系统的冗余，在一台机器出现故障时系统依然能够供

电，这就要使得每台UPS平时的负荷率保持在较低的水平,如对于一套UPS(1+1)

系统为50%,2+1系统为66%,如果再考虑到负荷的可能突变，同时减少设备的

故障率，这时系统就必须要保持一定的裕度，按系统80%的容量计算，实际上每

台UPS的负荷率只有401r55%左右。而为了提高供电可靠性采用的双总线UPS系

统，实际每台的平时最大负荷率也只有40犷50%,在有些双总线UPS系统中，为

追求更高的可靠性，最大负荷率甚至只有20%〜25%。

5.3安全供电存在单点故障瓶颈

因为UPS输出的是交流电，而作为备用蓄能的蓄电池，输出的是直流电，因

此UPS系统的蓄电池不能直接供电给负载，必须通过逆变模块变成交流电输出。

这样，供电的持续性就取决于UPS系统的稳定性，如果逆变模块损坏，即使蓄电

池有充足的电量，也不能供电给负载。

交流UPS存在诸多问独，因此对替代供电系统的研究FI益繁荣，业界内大力

推荐的高压直流供电系统也渐渐形成规模。

6我国高压直流供电技术的应用

1T设备高压直流供电取代UPS是明显的趋势。标称电压为240V、300V、336V、

350V的直流供电系统，适用于通信局站和数据机房中向交流输入电压范围为

H0~240V的通信设备供电。目前中国移动主推336V的直流供电系统，中国电信

主推240V的直流

6.1中国移动主推336V的直流供电系统

近几年世界各国的企业和实验室进行了大量的高压直流供电技术试验和技

术研究，尽管各方试验电压不尽相同，但系统效率提升和可靠性提升的结论是一

致的。中国移动2009年开始进行高压直流研究和试点，试点地点选择在深圳罗

湖邮政楼。经测试，性能指标达设计要求，运行稳，干能效果明显。2011年开

始在内蒙古、辽宁等省进入实用运行仓储式机房。仓储式机房采用336V直流供

电系统结合磷酸铁锂电池全分散供电模式，服务器采用336V/12V嵌入式电源供

电。

6.1.1磷酸铁锂电池全分散供电模式架构特点

8

采用336V直流电源；电源系统分散卜.沉到机架列间，节约电力电池室；靠

近负载，架构简洁，配置灵活，更为可靠节能；提高装机灵活性，电源与业务同

步成长。它由电池柜、电源柜、配电柜三部分组成，相比传统“1+1”UPS系统，

效率从85%提高到96%；相比“N+l”UPS系统,效率从91%提高到96乐磷酸铁

锂电池优点：大电流充放电性能好、循环寿命长、耐高温、体积小、重量轻（仅

为铅酸电池的1/4）、无记忆效应、原材料环保。它与高压直流电源配合，供电

结构简单，可靠性高，占用空间小。

6.1.2336V高压直流系统的优势

系统可靠性高：系统简单，易于避免单点故障，维护难度小。系统简单.、成

本低：能源一次转换、系统简单、谐波含量很低，系统接地要求简单；蓄电池充

放电管理好，电池寿命长。可扩展性好：系统扩容简单方便，可扩性很好；冗余

设计容量小，为N+1（备用模块）。效率高：能源转换次数降低，效率高；系统

简单，购置成本低；高效环保，大大节约运行成本。

6.1.3存在的问题

全分散式供电依赖于锂电池的成熟度，从目前来看，锂电池的安全性和寿命

还有待进一步验证，尤其是在机房的应用需要进一步的测试和研究。

6.2中国电信主推240V的直流供电系统

自2000年以来，中国电信开始在广东、上海、北京等城市进行大型数据中

心的建设，并针对交流UPS电原故障和安全事故频繁发生的情况，开始第一次探

索交流UPS电源的可用性和存在的问题。2004年中国电信发布了一个特殊的数

据中心供电问题的能力和环竞报告，反映了交流UPS电源不能满足通信电源的可

靠性要求的实际情况，引起国内通信行业的高度重视。

为了选择一个安全的，又考虑到现有的通信电源、电池、配电装置和服务器

装置适应性的电压等级，中国电信行业专家一起进行了广泛的分析、交流和讨论,

从自2000年以来，中国电信开始在广东、上海、北京等城市进行大型数据中心的

建设，并针对交流ITS电源故障和安全事故频繁发生的情况，开始第一次探索交

流UPS电源的可用性和存在的问题。2004年中国电信发布了一个特殊的数据中

心供电问题的能力和环境报告,反映了交流UPS电源不能满足通信电源的可靠性

要求的实际情况，引起国内通信行业的高度重视。为了选择-一个安全的，又考虑

9

到现有的通信电源、电池、配电装置和服务器装置适应性的电压等级，中国电信

行业专家一起进行了广泛的分析、交流和讨论,从直流380V到220V都列入了探讨

范围。通过广泛的研究和试验，衡量尺度，综合考虑，确定直流电源系统的额定

电压为240Vo

电压的选择反映了在不改变服务器电源状态的情况卜.，直接向交流服务器提

供电源的思路，无论从设备、维修人员的安全和电池、电源分配单元和服务器的

电源单元的匹配达到理想的状态，都最大限度地减少服务器对电力产业链的

影响。正由于此，中国电信决定使用240V直流，提出了240v直流电源系统的供

电体制。240V直流供电系统的优势：可靠性从63%提升到90%;模块转换效率在94%

以上，比