②设备级500V/48V直流配电

　　
　　图5中的-48V直流供电系统的效率较高,但是,当配电功率很大时,对于大型数据和电信中心而言,其应用的范围将会受到限制。因为采用这样低的电压进行特大功率供电时,供电电流很大,需要大量的铜材以加大电缆截面,以便将电缆的损耗(理论上损耗与配电电压成反比)降低到规定的等级。因此提出了500V/48VDC配电结构的方案。

如图6所示,采用550V直流供电到电源变换单元PCU,PCU输出48V直流电至机架,PCU需要隔离,因为48V是安全特低电压(SELV)。因此,此供电系统将48VDC配电限制到接近机架级,故系统效率可以提高。
　　
　　1.3 现有通信配电系统的主要问题
　　
　　(1)交流UPS供电系统
　　
　　在通信电源中的UPS主要采用双变换式UPS。从UPS输入到通信设备的整个供电系统中电力变换次数多,每次变换都有能量损耗,导致系统效率低。此外,为了提高可用度,一般采用“N+1”并联冗余或“2N”和2“N+1”双母线系统。假设N=1,理论上每个UPS的最大负荷率为:2N系统为50%,2“N+1”系统为25%。而实际负荷率:2N系统为30%～50%,2“N+1”系统为15%～25%。在如此低的负荷率下,UPS的系统效率将会从满载时的90%下降到80%或更低。此外,交流UPS系统存在单点故障,可靠性和可用性较低。
　　
　　(2)-48V直流供电系统
　　
　　-48V直流供电系统采用分散供电,一般来说从可靠性和系统效率没有太大问题,但与HVDC相比,负荷很大时,其系统效率偏低。
　　
　　为了提高供电系统的效率和可靠性,提出了可以替代这两种供电系统(特别是交流配电系统)的通信高压直流供电系统。
　　
　　2  未来的通信供电系统
　　
　　2.1  通信用高压直流供电系统的概念
　　
　　(1)高压直流供电系统是将高压直流电源供到通信设备的电源输入端的供电系统。HVDC供电系统优点是系统效率高、可靠性高、成本低、维护费用低。
　　
　　(2)实现HVDC配电的基本条件:
　　
　　①必须有专用的HVDC电源系统(电压等级符合标准要求)。
　　
　　②服务器电源单元PSU应能接受HVDC供电。
　　
　　现有交流输入服务器的PSU均可以接受一定值的直流电压,只要高压直流电压低于原交流输入电压的最大值,就可以直接加在现有服务器PSU上,简单地实现HVDC供电。但服务器电源原来是按交流供电设计的,包括整流和滤波、功率因数校正电路,这些电路在直流供电时是不需要的。故这种应用方式不合理,节能效果也受到限制,在永久性的正规工程中不宜采用。
　　
　　③实现通信用HVDC供电系统最大的挑战是:服务器、路由器等必须有HVDC输入或AC/HVDC通用输入。
　　
　　④相关的连接器、断路器、接地等应符合相关标准安全要求。
　　
　　(3)HVDC供电系统方案有:机架级HVDC和设备级HVDC两种。
　　
　　2.2  机架级HVDC配电
　　
　　机架级HVDC配电是采用交流UPS将交流供电到通信设备的电源输入端(机架)。在机架内配置隔离的AC/DC变换器(整流器),将交流电变换为48VDC或400VDC,供给服务器PSU,如图7所示。
　　
　　这种在机架内配置的隔离的AC/DC变换器可以带多个服务器负载(因此,不必象交流配电那样,一个服务器配一个AC/DC变换器),故可以提高效率,而且减少了成本。但是变换级与交流UPS供电系统结构是相同的,因此不会使系统输出效率改善太大。但是,机架内采用400VDC电压时,可以采用效率较高的非隔离AC/DC变换器,系统效率可稍微高一些。此外,这种采用集中式AC/DC变换器的直流配电产生的热量较少,有利于提高效率,并可节约空调用电。此方案适用于现有交流供电系统改造为HVDC供电系统,费用较低。
　　
　　2.3  设备级HVDC配电
　　
　　图8是设备级HVDC配电系统。采用HVDC电源设备,将HVDC(例如采用300～400VDC)电源直接供电到通信设备的电源输入端(服务器PSU)。因为电源变换级数少,供电电压高,电流小,系统效率高。图8的配电电路效率比交流配电和-48V直流配电的效率高。比设备级550V/48VDC配电的效率也高,因为不需要隔离的PCU。因为电路简单,市电故障时蓄电池可以直接为负载供电,故可靠性高。这是未来通信供电系统的首选方案。但需要一个世界范围内的标准,以便于实施。关键是供电电压等级的确定。
　　
　　2.4  各种供电系统满载效率比较
　　
　　各种供电系统的总效率定义为负载功率与供电系统的输入功率的比值(包括PDU或PCU、机架变换器、电缆损耗、服务器PSU和VR等环节),如图9所示。设备级HVDC配电(300～400VDC)可得到更高的效率，配电系统的性能更好。配电的节能还会使空调系统的能耗减少。因为配电系统产生的热量较小，因此需要冷却的电能较少。所以不同电路在满载时的设备输入功率(含冷却功率)也不同。
　　
　　2.5  HVDC配电的电源设备和服务器的PSU
　　
　　通过以上的讨论可知,设备级HVDC配电的效率最高,性能更好。要实现设备级HVDC配电,必须有商用HVDC电源和适应HVDC配电的服务器。商用HVDC电源比较好解决,国内一些厂家已研制生产了相关产品。关键是服务器的PSU,原来是按交流电源输入设计的,现应设计生产直流输入或交、直流通用输入的服务器PSU,如图10所示。

典型交流输入PSU的组成包括二极管整流桥、功率因数校正(PFC)的升压变换器元件和隔离的DC/DC变换器等。如果采用直流输入电源,二极管整流桥、功率因数校正(PFC)的升压变换器元件可以取消,因此效率可以提高。如果设计为交直流通用输入,直流输入时,应自动或手动旁路掉PFC等电路元件,消除这些电路的损耗。
　　
　　2.6  HVDC配电的相关标准
　　
　　虽然设备级HVDC配电的效率最高,但还没有象交流UPS和-48V直流配电那样在工业中得到应用。要实现HVDC设备级配电,通信电源的基础设施必须改变。
　　
　　为了便于新产品的研制,电压等级的确定是十分重要的,需要制定国际标准。
　　
　　ETSI已出版了一个标准“EN300电
　　
　　信设备输入端的电源接口”,此标准分为三部分,其中第三部分ETSIEN300132-3规定了电信设备可以由电压高达400V的AC电源、DC电源和整流电源供电。
　　
　　下面介绍ETSIEN300132-3电信设备输入端的电源接口(接口“A3”)的相关内容,讨论如何按照此标准确定HVDC供电电压等级的问题。
　　
　　3  HVDC供电系统电压等级的确定(蓄电池系统设计)
　　
　　我国通信HVDC供电系统可根据电信设备输入端的电源接口的极限电压范围(188～359V)设计。应保证在任何情况下,供电电压均在此范围内,据此设计蓄电池系统。应该特别注意的是,蓄电池电压范围必须在A3接口的正常工作电压范围内,必须考虑蓄电池的均充电压(≤359V)和蓄电池放电终止电压(≥188V)。
　　
　　可选择150只2V单体蓄电池(25只12V电池),由此可计算实际运行电压如下:
　　
　　浮充运行时电压为150×2.25=337.5VDC(低于359VDC),
　　
　　均充运行时电压为150×2.35=352.5VDC(低于359VDC),
　　
　　放电到终止电压的电压为150×1.8=270VDC,折合至交流有效值为191V(高于188V)。
　　
　　此供电系统的标称电压为150×2=300VDC。
　　
　　从以上计算数据可知,采用300VDC高压直流供电,正常供电电压为337.5VDC,电压变动范围为270～352.5VDC。由此可见,配电电路对电路元件的应力比采用交流220VAC时的应力(359V)还低。但HVDC供电系统的实现还要特别考虑接地保护和过流保护方案,采用适用于HVDC供电系统的熔断器、断路器等,因为HVDC系统要求这些电路保护器件的灭弧能力更强,否则不可能切断电路,还要有适当的连接器等。
　　
　　实际上,上述直流电压可以用于原有220V交流电源输入的服务器PSU,故可能研制生产交直流通用输入的服务器PSU。但是,在改造工程中如果服务器PSU暂不改动,为了留有更大的余地,直流电压等级可以适当降低。
　　
　　4结束语
　　
　　通过国内外的演示工程试验表明,通信HVDC供电系统的可靠性高、效率高、成本低、维护方便,是一种先进的通信供电系统。当前电信设备采用的-48V直流供电系统和数据设备采用的380/220VACUPS供电系统将来均可能采用HVDC供电系统。
　　
　　由于数据通信系统容量大,现有380/220VACUPS供电系统损耗大,节能问题突出,而且UPS供电系统存在单点故障。数据通信设备可能首先采用HVDC供电系统。电信网络设备的现有-48V直流电源系统,已采用了分散供电,在一定程度上改善了可靠性和节能性能,现有-48V直流供电电源可能会继续长期应用。
　　
　　现有数据通信系统改为采用HVDC供电系统(设备级HVDC)供电时,需采用全新的HVDC电源设备,替换原有的交流UPS。故改造成本很高,而且有一定风险。所以通信HVDC供电系统更适用于新建数据通信系统,或UPS设备急需更换的现有局站的数据通信设备供电系统的改造。
　　
　　新建的数据通信系统采用通信HVDC供电系统时,电源设备采用全新的HVDC电源设备和配电系统;服务器的PSU也应按HVDC供电而设计,不宜原封不动地采用交流输入的PSU。
　　
　　为了获得更好的节能效果,按照ETSIEN300标准,我国的通信HVDC供电系统电压等级可以采用直流300V。
　　
　　作者简介
　　
　　刘希禹,中讯邮电咨询设计院高级工程师,长期从事通信电源的研究及设计工作。

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