通信机房采用高压直流设备供电探讨

通信机房采用高压直流设备供电探讨 中国移动通信集团云南有限公司昆明分公司 高世琦 关键词：交流 UPS 供电系统 直流供电系统 高压直流供电系统 节能降耗 1．概述 随着我国通信行业的高速发展，数据业务的快速增加。市场需求与先进技术 共同发挥作用，各大电信运营商都将其作为业务收入的增长点。各 IT 厂商也看 到其美好的市场前景，不断完善和改进 IT 信息设备。 通信电源是通信网络的基础，特别是核心网络设备的电源供电系统，必须是 安全、稳定、可靠，而且必须满足对通信设备不间断供电的技术要求。从目前电 信网 IDC（BOSS）机房的供电模式看是采用交、直流混合供电的模式，特别是 移动公司的（BOSS）机房，大量采用交流 UPS 电源系统供电，数量越装越多， 容量越装越大（200KVA）以上。从维护和管理的角度看是不满足安全、稳定、 可靠的供电要求。 目前在通信大楼内电力机房有 3 种电源设备：-48V 直流电源系统；交流 220V(UPS)电源系统；直流 220V 电源系统(市电中压柜 10KV 配电保护和断路器 合闸操作电源在使用)，该电源是国家电力行业长期使用的直流电源。通信行业目 前没有采用。 安全、稳定、可靠、不间断的向通信设备供电是通信电源专业维护人员的职 责；责任和风险是通信电源专业维护人员承担的。通信大楼内电力机房 3 种电源 设备各有什么特点，通信设备应该用哪种电源设备供电最安全、稳定、可靠，笔 者通过本文提出观点，原与业界同仁交流 经验 班主任工作经验交流宣传工作经验交流材料优秀班主任经验交流小学课改经验典型材料房地产总经理管理经验 共同探讨。 2．交流 220V(UPS)电源系统 随着数据业务的快速发展，通信行业大量采用 UPS 电源系统，解决了交流通 信设备的用电需求。作为通信电源的基础电源，UPS 电源已成为网络核心设备（主 要指非通信专用商业机器）安全的关注点。 在通信大楼内 UPS 供电系统有以下几种：单机系统，1+1 双机主备系统，1+1 双机并联冗余系统，N+1 多机并联冗余系统，还有最近普遍推广的 N+N 双母线 冗余分散系统和 N+N 双母线冗余分散系统加（STS）。无论采用哪种组成形式， UPS 供电系统对负载供电的方式都是一样的。 图 1-1 UPS 供电系统主电路图 图 1-2 商业机器内部供电图 从图中可以看到，电子器件得到的低电压直流电源是经过 UPS 供电系统整 流、逆变二次变换，再经过自带电源模块整流、直流变换，又二次变换共四次变 换得到的。如此复杂的 AC\DC、DC\DC 变换势必造成 UPS 供电系统供电效率降 低。现网运行的 UPS 供电系统供货厂商要求不能超过 80%的负载才能保证可靠 供电，而商业机器自带整流器第二次整流效率会更低。 可以说，UPS 供电系统是通信机房和数据中心电源供电系统的核心，为了保 证整个 UPS 供电系统的可靠性，通信电源专业要花很多人力、物力、财力维护这 些 UPS 供电系统。UPS 供电系统要做到每个环节可靠，任何一个节点，任何一 个设备出现故障，都不影响系统对通信设备正常供电是非常难的。从安全供电说， UPS 供电系统比直流电源系统安全系数要低的多，不是同一个数量级的。UPS 供 电系统虽然就单个设备而言，可通过冗余技术使 UPS 设备本身的可靠性大幅提 高，但从整个 UPS 供电系统来讲，还是有很多不可备份的系统单点故障点，如逆 变器、同步并机板、静态开关、输出开关等，只要 1 个单点故障都有可能导致整 个通信系统掉电瘫痪。造成通信事故。1 个 UPS 供电系统出故障就必须停机退出 供电检修，而此时冗余系统就承担通信设备的全部供电，通信设备就是单系统供 电，修复故障的时间不是维护人员能控制的，停机退出操作还要特别小心，如再 发生不可控制的情况，冗余系统又故障，供电只能中断，造成通信事故。 最近普遍推广的 N+N 双母线冗余分散系统和 N+N 双母线冗余分散系统加 （STS），是最可靠的 UPS 供电模式。通信电源维护人员要用增加一倍的人力、 物力和时间维护两套独立的 UPS 供电系统。对单电源的通信设备（主要指非通信 专用商业机器）使用双母线供电有何用处？这又引出加装（STS）解决单电源通 信设备用双母线供电的模式，（STS）本身又成为 1 个单节点，为了解决单点故障， 整流器 逆变器 静态旁路 蓄电池组 输 出开 关 交流配 电 柜 整流器 直流变换器电 子器件 手动旁路 又得在双母线上各加装 1 个（STS）互为备份。（STS）大容量的要装在 IDC（BOSS） 机房电源列头柜内，发生故障只能停电更换，小容量的（STS）装在什么地方合 适目前没有规定，如果装在通信设备机柜内维修检测又是电源专业负责，电源专 业就根本控制不了外部原因和（STS）本身造成的故障。 2．1 三相负载平衡问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 虽然 UPS 供电设备对三相负载不平衡能力是 100%，由于通信设备用的都是 单相电（220V），输出配电柜和机房列头柜的原因，电源专业很难控制三相负载 平衡，造成零线电流过大，有的UPS主机零线与地线不分接在一起（爱克赛 9315）， 零线电流会通过大楼地线排入地，引起通信大楼地线排电流过大。另外严重的三 相负载不平衡会导致 UPS 供电系统，在不明原因转到旁路由市电直接供电时，引 起输入开关跳闸，造成供电中断。 2．2 IT 信息设备 由于 IT 信息设备在同一个机房是与管理操作维护终端设备是共用一套大容 量的 UPS 电源设备，UPS 电源插座又无明显标识，加上不懂电源，座席上的 UPS 插座，就会插上装设备用的电动工具（电钻）、办公设备（复印机、碎纸机）、家 用电器（热水机），电源专业很难监管，又不可能单独建一套 UPS 电源设备为操 作终端分开供电，一旦插上 UPS 电源就有可能供电中断，通信设备掉电，后果严 重。如用直流电源供电上述问题就不可能发生。 2．3 发热量 通信大楼 IDC（BOSS）机房交流设备机柜的发热量要比直流设备机柜大， 因为单电源通信设备大量采用 UPS 电源系统供电，自带电源模块就要进行二次变 换，发热量肯定比直流设备机柜要大。空调机制冷功率也相应要加大，空调机上 送风机房交流设备机柜还会出现机柜内部过热。风扇燥音也大。电源机房 UPS 电源系统供电，也是二次变换比直流设备多一次变换，发热量肯定比直流设备要 大，空调机制冷功率也比直流设备相应要加大，风扇燥音也比直流设备大，电费 成本也要增加。 2．4 电池维护 交流 UPS 电源系统蓄电池目前大量采用单体 12V 的，比直流系统单体 2V 的 寿命短，由于串联、并联只数太多，有坏电池就必须全部更换，在线测试非常危 险，离线测试手段有限，给维护管理带来很大的麻烦，一般寿命 5 年，也增加运 行维护成本。 电池组维护的再好它与负载是被逆变器隔开的，一旦逆变器故障，电池组能 放出电也没用。这就是交流 UPS 电源系统与直流电源系统最大的不同。电池组的 可靠性就低。直流电源系统电池组与负载是并接在一起的，市电停电电池组无条 件放电，电池组可靠性要高。 还有一个需要讨论的问题，是由于交流 UPS 电源系统特点所决定的，交流 UPS 电源主机就没有均衡充电功能，没有定时均充功能，只有浮充功能，主机功 率一定，整流器功率也就定死，电池组容量加大会造成电池充电不足。电池组大 电流放电以后，同样也会造成充电不足，这是不是影响电池使用寿命的原因之一。 3． -48V 直流电源系统 采用单一的直流电源供电是可行的，-48V 直流电源是通信行业长期使用的 基础电源。各通信设备专业制造厂商都知道采用-48V 直流电源。 -48V 直流电源系统供电 通信设备内部供电 图 2 -48V 直流电源系统供电图 从图中可以看到：-48V 直流电源系统供电，电源设备只进行一次 AC/DC 变 换，通信设备内部也只进行一次 DC/DC 变换。总共 2 次变换比交流 UPS 电源系 统供电效率高，能量损失小，节约能源。 -48V 直流电源系统供电，在线不停电增减设备，对通信设备无任何影响， 实践已证明是可行的。不停电在原位置更新或异地位置重装 1 套-48V 直流电源 系统更换旧设备是可行的，通信电源专业维护人员已多次做过，实践已证明是可 行的。交流 UPS 电源系统就不可能做。 通信大楼 IDC 机房直流设备机柜比交流设备机柜的发热量要小，因为通信设 备大量采用 UPS 电源系统供电，自带电源模块就要进行二次变换，发热量肯定比 直流设备机柜要大。而直流设备机柜自带直流 DC/DC 变换器只是一次变换，发 热量肯定要小，空调机制冷功率也相应要小。风扇燥音也小。电源机房 UPS 电源 系统供电，也是二次变换比直流设备多一次变换，发热量肯定比直流供电设备要 大，空调机制冷功率也比直流设备相应要加大，风扇燥音也比直流设备大。直流 开关电源供电设备只是进行一次 AC/DC 变换，效率高，发热量肯定要小，风扇 燥音也小。 直流开关电源设备的交流屏、直流屏、直流列头柜是按 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 系列生产的，能 满足整套设备的最大供电要求，以后扩容非常方便。直流电源设备不需要考虑柴 油发电机功率配比问题，按标准配置就行，建设成本不会加大。 直流电源系统开关电源：根据公式：P=I×V I↑增大 V↓减小，在 P 功 率相等的情况下，供电线线损压降要大。这就是反对采用直流电源系统供电的重 要原因之一，这只是看到要比交流 UPS 电源系统供电多购买几根电源线，机房走 线架多放几根电源线。这只是看到直流供电比交流供电一个小分项目多投资，算 帐要算总帐，要算同等功率交流 UPS 电源系统供电与直流电源系统开关电源供电 总投资是多少？不要只看到一个小分项目多投资。这些供电用的电源线在通信大 楼可以使用 20 年以上。长期运行节约的钱该如何计算？使用安全、稳定、可靠 的直流电源设备为通信设备供电，保证广大用户使用通信工具，对企业所产生的 效益该如何计算？通信正常无用户投诉没有造成社会影响这个账该如何计算？ 整流器 直流屏 电池组 直流列头柜 直流变换器 电 子器件 综上所述，通信网 IDC（BOSS）核心机房设备全部使用直流电源是最安全、 最可靠的供电解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。经向提供 IT 设备厂商了解到计算机服务器、路由器内 部电路和芯片都是使用±12V、±9V、±6V、±4V 的低直流电源，无论外面输 入的是交流电还是直流电，最后都要变换成这些低压电源去驱动 CPU 芯片和各 种电子元件。为了适应各种不同的供电环境，IT 设备制造厂商都可以提供交流式 或直流式电源模块的 IT 设备，只是通常标配或首选的往往是交流电源模块，直 流模块作为选件配，在用户专门提出时才配上。因需求量较少，也不为大家所熟 悉，产品售价直流设备与交流设备相差不大。只要适当规范、统一标准和技术要 求，电信网 IDC（BOSS）核心机房的所有设备均使用直流电源在技术上和商务 上是可行的。 4．直流 220V 电源系统 全称：PowerMaster 智能高频开关电力操作电源系统。 表 1 直流 220V 电源系统技术参数 类别 名称 220V 系列 输入参数 输入方式 三相四线制 输入电压 380Vac±15% 频率 45～55Hz 输出参数 直流馈出回路 实际情况确定 浮充电压 198～260Vdc 均充电压 220～286Vdc 纹波系数 ≤±0.5%(典型值 0.5%) 稳压精度 ≤±0.5%(典型值 0.1%) 稳流精度 ≤±0.5% 充电模块间电流不平衡度 ≤±5% 保护参数 输入过压切换点 470±5Vac 输入欠压切换点 324±4Vac 充电模块输出欠压告警 198V 绝缘特性 输出对地 2KVac，漏电流≤30mA，时 间 min，无飞弧 输入对地 输入对输出 系统输出额定电压 220V 系统输出额定电流 0～500A ABB REF 542plus 馈电保护 交流配 电 充 电 模块 配 电 输 出 电池组 220V 直流变换 电 子器件 220V 直流电源设备 内部供电图 图 3 直流 220V 电源系统供电图 从图 3 中可以看到：220V 直流电源设备与-48V 直流电源系统一样，电源设 备只进行一次 AC/DC 变换，ABB REF 542plus 馈电保护设备内部也只进行一次 DC/DC 变换。总共 2 次变换比交流 UPS 电源系统供电效率高，能量损失小，节 约能源。 220V 直流电源设备是保证电网安全，保证用户 10KV 中压配电柜安全运 行，保证断路器合闸操作的独立电源，不受其它电源影响，具有安全、稳定、可 靠的优势。国家电力行业长期使用也是看到直流电源的优势。 带载能力强，整流器模块是按 N＋1 配置，整流模块是并联输出，可以 100% 带载供电，坏 1 个整流模块对系统供电没有任何影响，就是监控模块坏也不影响 整流模块供电。 电池组可靠，电池组与负载并接在一起，市电停电电池组不间断对负载放电， 没有阻隔。电池组只数采用 12V 只需 18 只电池，采用 2V 只需 108 只，比-48V 直流电源系统多，比交流 UPS 电源 2V 电池系统要省 90 只电池。比交流 UPS 电 源 12V 电池系统要省 15 只电池。使用寿命长，电池维护成本比交流 UPS 电源系 统要省。检测方便，因 220V 直流电源设备专门带有电池监护仪，维护人员可以 独立做，在线供电做可靠，离线做供电不受影响，仪器仪表方便准确。结果可靠。 电池容量设计按昆明供电局要求配置，能满足供电局 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 停电检修设备所需要的 时间。 供电线线损压降小，是国家电力行业长期使用的原因之一，就是直流电压高、 电流小，线损小，效率高。根据公式： P = I×V V↑增大 I↓减小，在 P 功 率相等的情况下，供电线线损压降要小。这就是采用高压直流电源系统供电的重 要原因之一。减小导线平方数同时也减小导线的发热量。非常好的直流电源设备。 4．9 直流 220V 电源设备的优势正好解决了-48V 直流电源系统带来的不足，供 电电压（220V）符合国家电压等级标准。电流小、线损小填补了通信行业采用-48V 直流电源供电带来的线损压降问题。把 220V 直流电源设备引入到通信行业使用， 与-48V 直流电源系统共同成为通信行业的基础电源，针对不同的通信设备提供 不同电压等级的直流电源供电，是通信设备（主要指非通信专用商业机器）最佳 的电源解决方案。 5．总结 通信大楼内电力机房 3 种电源设备各有各的特点，通信设备应该选用哪种电 源设备供电最安全、稳定、可靠，根据自己多年的维护经验做出如下参考对照表。 与通信电源专业同行交流经验共同探讨。 序 号 内容 交流 220V UPS 电源系统 －48V 直流 电源系统 220V 直流 电源系统 1 电源设备变换次数 2 次 1 次 1 次 2 效率 低 高 高 3 通信设备内部电源变 2 次 1 次 1 次 换次数 4 带载能力 80%以下 99% 99% 5 三相负载平衡问题 有 无 无 6 谐波治理 有 无 无 7 电池只数 12V(32－36)只 2V(194－198)只 12V 4 只 2V 24 只 12V 18 只 2V 108 只 8 电池寿命 5 年 8 年 8 年 9 电池供电时间 1h 以下 2h 以上 2h 以上 10 电池检测手段 困难、危险 方便、安全 方便、安全 11 空调机制冷功率 加大 标配 标配 12 输入、输出配电柜 非标 标准制式 标准制式 13 通信机房电源列头柜 非标 标准制式 标准制式 14 通信设备机柜内部配 电 混乱 标准制式 标准制式 15 供电线线损压降 小 大 小 16 交流发电机功率配比 1.3－1.5：1 标配 标配 17 投资建设成本 加大 节省 节省 18 长期运行维护成本 加大 节省 节省 19 供货厂商技术服务 必须要工程师现 场服务 标准服务 标准服务 20 故障检修 供货厂商工程师 必须到机房 维护人员可以 及时修理 维护人员可以 及时修理 21 备品备件 不可控 规格、品种齐全 规格、品种齐全 22 故障修理时间 不可控 可控 可控 23 故障修理是否停电 必须停电退出设 备 不停电 不停电 24 日常维护检测 供货厂商工程师 必须到机房 维护人员可以 独立完成 维护人员可以 独立完成 25 负载供电等级 只供非重要负载 供重要负载 供重要负载 26 主机报废年限 10 年 12 年 12 年 27 不停电在线扩容电源 设备 非常难做 可以做 可以做 28 不停电割接、更换电源 设备 非常难做 可以做 可以做 以通信负载 100KW 耗电量为列，看下面购买主机的数量是多少？（不含配电） 电源设备 数量 合计主机台数（KW） 1 －48V 直流开关电源设备 100A 整流模块 20 个 监控模块 1 个 2 个整流机柜 100A 整流模块 20 个 监控模块 1 个 2 个整流机柜 2 UPS电源按 1＋1冗余系统配置 100KW 主机 1 台 100KW 主机 1 台 2 台 100KW 主机 3 UPS 电源按 N＋1 冗余系统配 置 50KW 主机 1 台 50KW 主机 1 台 3 台 50KW 主机 50KW 主机 1 台 4 UPS 电源按 N＋N 双母线冗余 系统配置 100KW 主机 1 台 100KW 主机 1 台 100KW 主机 1 台 100KW 主机 1 台 4 台 100KW 主机 通过对比可以看出交流 UPS 电源系统冗余主机要多买多少（KW）作备份冗余。 以上图表内容对比可以看出 3 种电源设备各自优势在那里，得出如下结论： z 直流开关电源设备安全、稳定、可靠，效率高，节能，通信设备就应该采用 直流电源供电。直流开关电源设备满足对通信设备不间断供电的技术要求。 z 根据－48V 直流开关电源的特点，把直流 220V 电源引入到通信行业使用， 和－48V 直流开关电源共同组成通信行业的基础直流电源。 z 依据通信设备的容量大小、耗电量多少，提供不同电压（－48V、220V）等 级的直流电源供电。对容量大、耗电量大的采用 220V 高电压的直流电源供 电，解决－48V 电源低电压线损压降过大的问题。对容量小、耗电量小的建 议继续采用－48V 直流电源供电。 随着时间的推移，交流 UPS 电源设备越装越多，容量越装越大，到报废年限 的 UPS 电源设备在数量上越来越多，特别是前几年装的交流 UPS 电源设备。交 流 UPS 电源设备故障引起通信设备掉电的事会越来越多，只是影响面有多大。交 流 UPS 电源设备不可靠是通信电源机房现场维护人员非常头疼的、非常难办的 事。 要保证电源设备安全、稳定、可靠供电是第一位的，然后再计算成本是多少， 既要算投资建设成本，也要算长期运行维护成本。既要算分项目的投资建设成本， 也要算总项目的投资建设成本，网络维护部门要多投入成本用钱，保证电源设备 正常供电。 总之交流 UPS 电源系统供电不可靠，不间断电源≠高可靠电源。直流电源系 统供电最可靠，高压直流电源系统供电也可靠，效率高、节能，降供电线线损。 宁可要 10 套直流开关电源设备，不要 1 套交流 UPS 电源设备。宁愿维护 10 套直 流开关电源设备，不愿维护 1 套交流 UPS 电源设备。交流 UPS 电源设备要限制 使用，容量和数量要减少。非重要通信设备和普通民用设备，才能采用交流 UPS 电源设备供电。