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240V高压直流电源在航天通信系统中的应用探讨航天通信中心的研究人员刘栋梁，在2017年第12期《电气技术》杂志上撰文指出，航天通信系统对电源的安全性、可靠性提出了极高的要求。近年来240V高压直流供电系统以其安全性、可靠性以及投资和节能方面的巨大优势，已经在国内IT设备供电方面得到广泛推广应用。 本文结合航天通信系统电源的现状，对高压直流供电技术的可行性和应用技术要点进行了分析，并提出了在航天通信系统中推广应用的建议。 航天事业担负着特殊的国家使命。由于航天通信系统的专用性和保密性特点，特别是较高的时效性要求，通信电源的可靠性是航天通信部门首要考虑的问题，是通信系统安全运行的重要保证。 当前，航天系统各通信局（站）普遍采用UPS系统作为IT设备的主用电源，它克服了因市电中断而导致的系统中断。但是，UPS自身、甚至并机冗余系统的故障导致网络通信事故也时有发生，已产生较大的社会影响和相当的经济损失（见参考文献①）。 240V高压直流供电系统（HVDC）作为一项简单、可靠的技术，其减少了电力转换环节，供电可靠性和效率大大提高，受到了业界的广泛关注。航天通信部门应积极跟踪电源科技的发展变化，关注应用实践中的探索成果，将新技术转换为新应用，提升航天通信系统的可靠性水平。 1 UPS系统的不足 UPS是IT设备电源保障的主流设备。有些通信局（站）利用-48V蓄电池组资源与逆变器组合，来提升IT设备的供电保障等级，为非主流用法，产品较少。 图1为UPS的构成图。在线式UPS运行的工作过程为整流（AC/DC）—浮充—逆变（DC/AC）—输出；市电中断时360V蓄电池组经逆变电路保障IT设备的电能供给；UPS故障时，将维修开关转入市电旁路维持供电。 图1 UPS的构成 图2为逆变电源的构成图。相对于UPS来说，其特点是利用传统通信局站已有的-48V蓄电池组和整流设备，配置逆变器即可。该系统适用于小容量不间断交流供电，为减少整流设备的负荷，采取旁路运行模式。 图2 某航天通信局逆变电源的构成 如图1、图2所示，二者从输入端到输出端都经历整流—浮充—逆变—输出的过程，转换环节较多。系统均存在如下问题：①存在单点故障的可能，系统可靠性不高；②并联运行时（并机冗余系统）负载率低；③维护难度大，对厂家的依赖度较高；④转换效率低。 2 240V高压直流供电系统的优势 240V高压直流供电系统有着技术成熟、可靠性高、维护操作简易、转换效率高、在线扩容简单等优点，通信业界一直在探讨采用高压直流系统来代替UPS系统。240V高压直流供电系统具有明显技术优势和价格优势，且能在沿用现有的IT设备的前提下推广使用，因此得到了各级部门的广泛重视和支持。 2.1 系统构成简单 图3为240V高压直流供电系统构成图。由图中可以看出，原理、架构与传统通信局（站）的-48V直流供电系统完全相同，而后者的可用性及可靠性均得到数十年运行的检验。因此，该系统易于维护，对厂商的依赖度降低；负载率高且易于扩容；运行效率高；直流母排是电池组、整流器、负载的共同汇结点，系统可靠性高。 图3 240V高压直流供电系统的构成 2.2 供电配电简便 图4为240V高压直流供电系统图（通信行业标准YD/T 2378-2011图A.1）。由图中可以看出，电池组经熔断器与整流模块输出端在总输出屏构成输出母排，系统两路输出（A路和B路），通过列头柜配电，来满足双电源服务器的需求，而单电源服务器仅使用A路或B路。 图4 240V高压直流供电系统 系统采用2根电缆（＋、－极）、以悬浮方式由电源端向设备端供电；全系统机架外壳与楼层等电位体进行电气连接。 2.3 系统投资减少 根据中国电信江苏盐城分公司统计数据，相对于新建UPS系统，采用240V高压直流供电系统可平均节省投资超过40％，整个生命周期内平均节省电力20%～30%（见参考文献③）。 3 HVDC应用的可行性分析 随着电源技术的进步，IT设备的电源模块早已采用高频开关电源。这样，240V高压直流系统供电成为可能。 3.1 240V高压直流的可用性 图5为IT设备电源模块交流电入口处的等效图。由图中可以看出，在传统的工作环境下，AB间Ui为标称的220V交流电；全桥整流后CD间Uo将获得198～308V的直流电（视负载率大小和有无PFC－功率因数校正电路）。 市电电压波动将引起整流电压的波动。根据GB/T 12325-2003《电能质量供电电压允许偏差》的规定，电压偏差为标称电压的�?10%、+7%，即198～235.4V，对应的整流电压Uo为178.2～329.6V。可见，IT设备CD间工作电压的范围是较宽的。 当IT设备直接采用直流供电，如A端＋、B端－，Ui为DC270V（浮充电压）时，将使得二极管2、4长期导通，另两只1、3长期截止。二极管2、4等效为导体，CD间Uo约为270V的直流电。结论是：IT设备在AC220V或DC270V条件下完全等效工作。 图5 IT设备交流电入口处等效图 3.2 HVDC各种状态下的输出电压分析 YD/T 2378-2011《通信用240V直流供电系统》要求，系统应采用铅酸蓄电池组、并且应具有电池管理能力。铅酸蓄电池的特性决定了电池组的电压范围，而是否在IT设备的承受范围内是可用性研究的关键因素。现以国内某品牌电池为例，分析各种状态下的输出电压。 1）浮充状态。YD/T 2378-2011《通信用240V直流供电系统》要求，240V高压直流电源的输出电压范围是204～288V，全程允许最大压降为12V，即IT设备的电压承受范围是192～288V。常态下，该品牌240V蓄电池组的浮充电压为270V，满足IT设备的电压要求。 2）放电状态。当遭遇长时间停电而又无后备手段时，蓄电池组放电的终止（保护）电压为222V，高于IT设备工作电压下限（204V）的要求。当然，现代通信局（站）应（都）具有后备电源和快速接续的能力。 3）均充状态。该品牌240V蓄电池组的均充电压为282V，低于IT设备工作电压上限（288V）的要求。 由以上的参数分析可以得出结论：240V高压直流供电系统各种状态下的输出电压均可满足IT设备的工作需要，且有一定的安全裕度。 3.3 建立了完善的标准体系 我国相继发布了YDB 037-2009《通信用240V直流供电系统技术要求》、YD/T 2378-2011《通信用240V直流供电系统》、YD/T 2555-2013《通信用240V直流供电系统配电设备》、YD/T 2556-2013《通信用240V直流供电系统应用维护技术要求》、YD 5210-2014《240V直流供电系统工程技术规范》等系统性标准，为推广240V高压直流供电系统应用、逐步替代UPS电源系统奠定了扎实的基础。 4 HVDC在航天通信系统中应用设想 近年来，业界对240V系统进行了广泛的研究，三大运营商和多家著名IT企业已在多地建设了试验性系统，通信设备制造商已有配套产品。更为重要的是，如上文所述，我国率先编制了相关的系统性技术标准。 航天通信各部门应积极借鉴通信行业HVDC的实践经验，高度重视系统建设或改造各环节的技术要点。秉承“严谨务实”的传统精神和“稳中求进”的工作作风，航天通信电源系统的技术进步将指日可待。 4.1 IT设备适应性的核查 如前所述，HVDC系统的应用是基于IT设备的电源变换采用了开关电源技术。对于旧有系统的供电改造，要高度重视IT设备适应性的核查环节。 核查至少包括以下项目：①IT设备电源回路不得有船型开关或纽子开关；②IT设备电源回路无并联的感性元器件和串联的容性元器件；③IT设备上不得有变压器、交流电动机，如交流风扇等；④IT设备能够在192～288V直流电压范围内正常工作。 240V高压直流供电系统能满足采用SSI和ATX规范电源模块的IT设备。 4.2 系统建设中应关注的技术要点 IT设备采用直流电供电，颠覆了人们的一贯思维。随着技术进步和建设实践，系统已经相当成熟。但由于直流电的特性，系统建设中应关注以下技术要点。 1）系统容量的选择。根据YD/T 2378-2011《通信用240V直流供电系统》的要求，系统供电宜采用分散供电方式，单个系统容量不宜超过600A。 2）配置绝缘监察装置。高压直流电源系统属于不接地系统, 如果系统自身或输电线路出现绝缘降低问题,绝缘监察将发挥极为重要的作用（绝缘告警整定值15～30kΩ）。 3）系统对地悬浮。YD/T 2378-2011《通信用240V直流供电系统》规定，通信用高压直流供电系统正、负极均不得接地，应采用对地悬浮供电方式；系统的交流输入应与直流输出电气隔离，系统输出应与地、机架、外壳电气隔离。 4）熔断器与断路器的配合。直流配电第一级的正负极分别设置熔断器，发生故障时，确保两个熔断器同时分断，以此来保障电源系统安全性。而在列头柜等小电流支路，可以选择双极直流型断路器。熔断器与断路器的串联使用，能够实现整个系统的安全性和操作的便利性。 5）直流PDU和插头连接。直流电难以消弧，不应直接使用插座式PDU分断电源；而端子式PDU又接线复杂。通过二者结合使用，可以提高系统的安全性和操作的便利性。 直流输出的正极，对应设备插头的N端；直流的负极，对应L端；设备插头的地端与系统保护地连接。 5 结论 通信电源技术的重大发展方向是高压直流供电，IT设备高压直流供电已经成为行业热点。高压直流供电系统从根本上克服了UPS存在的单点故障问题，且维护操作方法简便，系统的安全性、可靠性大大提高。几年来已有数以十万计的IT设备运行在240V高压直流环境下，表现出很好的可靠性和节能效果（见参考文献⑤）。 240V高压直流供电系统的成熟期已经到来，航天通信系统采用先进的通信电源技术势在必行。 |
