240V直流供电系统试验项目

　 项目名称：240V 直流供电系统试验项目

　摘 要

　 通信机房是整个公司业务运营的核心部位，随着通信网络和业务需求的不断发展，对能源的需求也日益扩大，导致公司用电成本也在不断的逐年增加，对于整个中海油的现状，节能减排和降本增效已成为重中之重，本试验项目以验证２４０Ｖ直流供电系统实际可行性和节能效果为目的，探索机房节能措施。

　目前，绝大多数ＩＴ设备、通讯设备都采用了开关电源技术。而开关电源的特点是对交流输入电源直接整流，然后在通过ＤＣ／ＤＣ变换，得到内部的各组直流工作电压。而直流电源供电和直接整流得到的直流没有本质区别。和程控交换系统－４８Ｖ蓄电池模式一样，正常情况下，整流器将380V或220V交流电源变换成240V或以上直流电源，再通过２４０Ｖ直流配电设备供给通信设备，同时给蓄电充电，因此，可以省去UPS逆变环节，减少损耗。

　 目 录

　 一、项目概述 ............................................. 5 二、240V 直流供电系统背景 ................................ 6 三、240V 直流供电系统介绍 ................................ 7 (一)240V 直流供电的可行性分析 ........................... 8 (二)现有几种 240V 直流供电系统方案 ...................... 9 (三)现有交流设备直接用 240V 直流供电的注意事项 ......... 10 四、240V 直流供电系统技术优势 ........................... 11 (一)240V 直流供电与 UPS 工作原理对比 .................... 11 (二)240V 直流供电相比 UPS 的优势 ........................ 12 (三)240 直流供电与 UPS 对比图 ........................... 13 (四)240V 直流供电与 UPS 投资回报对比 .................... 13 五、240V 直流供电系统试验方案 ........................... 14

　(一)240V 直流供电系统试验方案说明 ...................... 14

　六、240V 直流供电深化设计方案和机房设备布置图 .......... 21

　(一)系统原理图 ......................................... 21

　(二)电池低压保护方案 ................................... 22 七、240V 直流供电系统发展趋势 ........................... 24

　通信用 240V 直流供电系统试验项目

　一、项目概述 目前，我国大型数据中心的电源系统需要已达100000KW的电源，预计将来会增加到200000KW；服务器作为大型数据中心的一种主要设备，其在寿命期内的能耗超过设备本身的购买价。国内外普遍认为，高效率电源方案是采用较高电源的直流电源方案，即高压直流（HVDC）方案，这个方案在世界范围内已经讨论了10年之久，目前仍处于试验阶段。

　绝大多数ＩＴ设备、通讯设备都采用了开关电源技术。而开关电源的特点是对交流输入电源直接整流，然后再通过ＤＣ／ＤＣ变换，得到内部的各组直流工作电压。而直流电源供电和直接整流得到的直流没有本质区别。和程控交换系统－４８Ｖ蓄电池模式一样，正常情况下，整流器将380V或220V交流电源变换成240V或以上直流电源，再通过２４０Ｖ直流配电设备供给通信设备，同时给蓄电池充电，因此，可以省去UPS逆变环节，减少损耗。

　通信机房是整个公司业务运营的核心部位，随着通信网络和业务需求的不断发展，对能源的需求也日益扩大，导致公司用电成本也在不断的逐年增加，对于整个中海油的现状，节能减排和降本增效已成为重中之重。

　本试验项目以验证２４０Ｖ直流供电系统实际可行性和节能效果为目的，探索机房节能措施。

　二、240V 直流供电系统技术背景 说到240V直流供电系统就不得不提一个通信行业更熟悉的系统——UPS，UPS产生于上个世纪60年代，1972年2月21日尼克松总统访华，带给我国的礼物之一就是UPS，从此中国开始了UPS的研究，UPS的出现，是由于一些重要设备，如航天控制、医疗仪器、金融系统、计算机、数据管理系统等，不能断电而产生的，她的诞生，为信息革命产生了十分重大的影响，也是电力电子领域划时代的突破。我国UPS技术经过近40年的发展，在上述领域已经应用的非常普遍和成熟，UPS有着众多的优点，但是它也有自己无法克服的缺点：能源消耗大，整体效率不高，大功率系统设备复杂，故障率高，设备检修难度大等等；2007年左右我国的科技工作者，为了克服这些缺点，在仔细研究调研的基础上，提出了240V直流供电系统，直流供电系统的工作原理与UPS类似，但是它们有个本质性的不同，240V直流供电系统不需要把市电变成的直流电再逆变回交流电输送给设备，而是直接把市电变成240V额定的直流后，直接输送用电设备。这样就大大简化了系统构成，降低了逆变器逆变过程中的电能损耗，从而提高了供电系统的整体效率。

　作为国内首个“吃螃蟹”的用户，中国电信在该技术上的应用步伐可谓迈得飞快。中国电信集团数据则显示，截止2012年6月底，中

　国电信全网用直流电源（240V）系统数已达到450个，直流总容量超过24万安培，功率为70000KW，相当于交流UPS容量85000KVA的供电能力。使用直流电源（240V）的IT设备已超过80000台，应用范围分布于20多个省（区、市）74个地区。据相关部门不完全统计，截至目前，全国已经有近10万台设备运行在直流供电环境下。特别在2011年和2012年出现了大规模增长的迹象。

　目前，这个增长势头更为迅速。不管是运营商还是互联网公司都非常看好高压直流供电的未来方向，因此在2016年我们将会看到更多更大规模的应用。

　三、240V 直流供电系统介绍 （一）240V 直流供电的可行性分析

　服务器电源原理图

　 高压直流供电原理图

　对比上述两图，我们发现IT设备目前虽然采用交流供电，但是内部电源是一个可靠性很高的独立模块。核心部分是DC/DC变换电路，我们输入一个范围合适的直流电压给DC/DC变换电路，就同样能安全满足IT设备工作 。只要输入端没有工频变压器，输入直流不会产生短路阻抗，就没有必要非得交流输入，不用交流也就没有必要用UPS，由此因UPS交流供电引起的一切不利因素也就自然而然地消失。如果我们输入的直流合理配上蓄电池，辅以远程监控，构成一个可靠的直流供电系统，就可取代UPS交流供电系统。

　UPS交流电压的供电范围是176-264VAC（220V±20%），对应的整流后的最低直流电压Uab=1.25*176V=220V,最高直流电压Uab=1.4*264V=369.6V，工作效率最高的电压点是220VAC，对应的直

　流电压Uab=1.25*220=275V，显然如果我们直接将直流电接到计算机服务器也是完全可以工作的，只要直流电压在220V-369V之间，选取2V一节120节电池，其均充电压是2.35*120=282VDC，浮充电压是2.25*120=270VDC（单节标称电压为2V，单节蓄电池的浮充充电电压值一般为2.25V，均衡充电电压一般为2.35V）。

　如果是加有APFC的服务器电源对UPS的交流输出可以做到更宽，一般可以到110-270Vac，其对应的直流范围是137V-378V。

　综上所述，240V直流供电系统可以直接兼容220V交流服务器。

　（二）现有几种 240V 直流供电系统方案 1、240V直流供电

　240V直流供电图

　如图所示，针对单电源服务器，采用240V直流单系统单回路供电，针对双电源服务器，采用240V直流双系统双回路供电。

　主要应用客户：中国电信、中国铁通、阿里巴巴、腾讯等

　2、240V直流+220V交流一主一备同时供电

　240V直流+220V交流一主一备同时供电图

　如图所示，针对双电源服务器，可以采用主电源由240V直流供电，备用电源由220V交流供电。

　 主要应用客户：腾讯

　 （三）现有交流设备直接用 240V 高压直流供电的注意事项 1、把船型开关或者纽子开关固定在ON位置无法动作，防止大电流情况下出现波动导致拉弧。

　2、采用万用表欧姆档测量设备输入L、N两极的电阻，检查是否存在短路或者是电源内部存在绕组变压器。当测量值大于100KΩ等时，可以进行直流加电。

　 3、通常IT设备交流电源的输入范围都很宽，大大超过高压直流设备的供电电压范围，但为了避免出现极少量的过欠压保护等异常，建议分别做高、低电压启动等。

　4、大功率电源设备避免直接带电热插拔，比如新增单个电源功率达2500W以上设备，最好能软件关机后再下电，应急时候可以先分断断路器再操作。

　5、对极少数功率很小的通信设备，内部电源模块有可能采用的是半波整流，如输入直流电源后不能开机，可能是设备制造厂安装时将设备内部“L”和“N”接反，可将测试的直流电源正、负极对调，再尝试启动，如能正常启动，说明该设备采用的是半波整流方式。对于此种设备，可将该设备电源线正、负极或对应插座正、负极对调，并作不同颜色的明显标识。

　四、240V 直流供电系统技术优势 （一）240V 直流供电与 UPS 工作原理对比 （UPS 供电）

　（240V 直流供电）

　传统的交流 UPS 是 AC-DC-AC 模式，它有两个变换环节：一是整流滤波(AC-DC)环节，二是逆变(DC-AC)环节，并且蓄电池不能直接给

　负载供电，而 240V 直流供电系统是 AC-DC 模式，它减少了逆变的环节，且蓄电池是直接给负载供电。

　（二）240V 直流供电相比 UPS 的优势 ２４０Ｖ直流供电系统由多个并联冗余整流器和蓄电池组成。当交流输入电源故障时，由蓄电池放电为通信设备提供可靠的直流电源。其系统与-48V通信电源一样可分为交直流配电部分、整流模块、监控模块、蓄电池组等部分。与传统的UPS输出交流技术相比起来，主要的优点表现在下面几点：

　1) 取消UPS设备，减少了逆变环节损耗。采用功率MOS高频软开关技术的240V高压直流可高达96%以上效率，比采用晶闸管的传统UPS效率更高，理论综合节能效果在20%以上，且体积更小。

　2) 电池直接挂在输出母线上，当停电时确保供电的不间断，可靠性更高，拓扑简单，且可在线扩容、不掉电割接等; 3) 模块化设计，按需配置、边成长边投资; 4) 模块热插拔维护，带电更换故障模块，运维可以不用依赖于厂家的服务; 5) 节能休眠技术可以大大提升轻载下的系统效率，减少机房初期的运行能耗; 6) 高压直流的输入功率因数高、谐波小，且输出负载率可以比UPS高，可降低柴发容量等;

　7) 因为是直流输入没有零线，因此，也就不存在“零地”电压，

　无需再费时费力的去解决“零地”电压的问题。

　8) 高压直流比传统UPS要更安全，因为输出浮地，即便误碰到单极母排电压，触电电压也只有135V，比交流要低近1倍，且交流220Vac的正弦波峰值电压高达314V，也高于高压直流270V的电压; 9) 相比较目前的高频模块化UPS技术，240V高压直流的技术成熟度、模块可靠性及并机简单、热插拔维护等方面也有很大的优势; 10) 240V高压直流可以直接使用在绝大多数的标准交流设备上，IT设备不用定制电源及设备改造，更容易推广，也更为容易被接受。

　（三）240V 直流供电与 UPS 对比图 性能指标 UPS HVDC 可靠性 低 高 可维护性 差 好 投资成本 高 低 60% 能耗 大 低 20% 占地面的 大 小 50% （四）240V 直流供电系统与 UPS 投资回报对比 试验项目 单位 240V 直流供电 UPS 数据设备功耗 KW 10 10

　数据设备整流功耗 KW 1.36 3.33 电源功耗 KW 0.86 2.35 整体输入功耗 KW 12．22 15.68 空调功耗 KW 4.89 6.27 合计功耗 KW 17.11 21.95 试验天数 天 365 365 每年耗电量 度 149883 192282 电价 元/度 0.7 0.7 电费 元 104919 134597 电费节省 元 29679

　电源设备购置初始成本 万元 7 10 折现率 % 8

　成本回收期 年 2.72

　 五、240V 直流供电系统试验方案 （一）240V 直流供电系统试验方案说明 设计要求：组合式电源需求：单套负载容量为 24kW，共 1 套容量为 160A 电源系统（含交流输入、防雷装置、直流配电分路、40A整流模块 4 台），8 台柜顶安装的直流分配单元，一组蓄电池组成。

　该方案采用 240V 高频开关电源，蓄电池采用阀控式密封铅酸蓄电池组。直流电源系统按在线充电方式以全浮充制（默认浮充电压270V）运行设计。电源整流模块采用 N+1 方式备份，根据行业标准《YD/T2378-2011 通信用 240V 直流供电系统》，蓄电池组容量配置

　满足后备时间 0.5 小时的要求。

　根据负载和模块确定电源系统规格：

　下面将针对系统容量进行计算描述。

　1、 系统容量计算 负载情况：建议每 8 架网络机柜（3.0kW/单柜）用 1 套电源来供电，每架网络机柜 3.0KW，3.0K×8=24kW，折合电流为 24kW÷240V =100A。

　（1）蓄电池容量计算 根据行业标准《YD/T5040-2005》蓄电池计算公式：

　其中：

　Q—蓄电池容量（Ah）; K—安全系数。取 1.25； I—负荷电流（A）; T—放电时间（h）; η—放电实际容量系数；（见下表）

　t

　—实际电池所在地最低环境温度值。数据机房，按 25℃考虑。

　α—电池温度系数（1/℃），当放电小时率≥10 时，取α=0.006；当10>放电小时率≥1 时，取α=0.008；当放电小时率 1 时，取α=0.01 根据标准要求，在蓄电池放电终止电源为 1.7V，0.5 小时放电时间下η=0.92 则：

　100A 负载时：

　93 . 6792 . 062.5)] 25 5 2 ( * 06 0 . 0 1 [ * 92 . 00.5 * 100 * 25 . 1   Q 因为没 67.93AH 电池，建议配置 200AH 电池一组。

　（2）开关电源计算 直流负载总容量为 24KW，电流 100A，蓄电池为 100AH 一组，充电电流按照 0.1C 算，为 10A。电源系统总共需要输出 100A 电流。

　240V电源每个整流模块输出额定电流为 40A。

　110÷40≈3 个+1 备份=4 个 需要配置 3 台整流模块，我们建议每 3 个模块考虑 1 个冗余备份，共需配置 4 台整流模块。

　配置 240/160A 开关电源一套，现配置 4 台模块，容量为 160A。

　2、 高压直流电源系统性能和特点 （1）概述 高压直流供电系统是根据目前数据机房供电需求进行设计的，系统输出为额定电压240V直流，采用此种方式供电可以比传统的UPS更加可靠，效率也会相应提高。

　产品符合《YD/T2378-2011通信用240V直流供电系统》标准要求。

　（2）系统特点 高压直流电源组件具有以下特点：

　  高频整流模块及组件具有多种容量可供选择，根据容量需求实现高性价比的配置；   高频整流模块采用当今最流行的边缘谐振软开关技术，可带电插拔，模块具有一体化的接口；   具有输出电压和电流平滑调节功能；   高频整流模块硬件低差自主均流，保证系统的可靠运行；   高频整流模块有风冷冷却方式，配置选择性更强；   高频整流模块输出内部隔离，提高系统安全性的同时大大减小了组屏工时；   分散多级监控系统，实现监控系统的简单可靠；   模块化结构，组屏简单，配置十分灵活；   监控模块系统具有 RS232/485 智能化数据通信接口，有四种国家标准通信协议可供选择。

　（3）系统组成形式 高压直流电源系统由交流配电单元、整流单元和直流配电单元组成。其中各组件的基本功能如下：

　  交流配电单元 将三相交流输入电源分配到整流单元和用户其他负载单元。

　  高频整流单元 通过高频整流模块完成 AC/DC 变换，实现系统的最基本功能。

　  直流配电单元 将整流单元输出的直流电分配到每一路直流输出。

　  监控单元 通过监控装置，把交流和直流模拟量、开关量及绝缘侦测信号采集并分析处理。

　进行整个系统的管理，人机对话的实现窗口。主要进行电池充电管理，系统后台远程控制。

　（4）系统规格配置 高压直流电源采用分立系统，标准配置由一面交流配电屏、三面整流屏和一面直流输出屏组成。标准配置情况下，每面整流屏含有6 个整流模块（模块输出电流均为 20A）构成的系统最大容量为240V/100A。

　系统规格配置如下：

　型号 说明 外形尺寸 W×D×H（mm）

　 综合屏 最大容量;200A, 含交流输入配电、直流输出配电 8006002100

　3、 整流模块 （1）主要特点  采用先进的移相谐振高频软开关、有源 PFC 技术，具有高功密度、功率

　 因数和效率，谐波失真小等特点。

　 采用简洁的 LED 面板显示，及时、浅显易懂地让客户了解模块的工作状态。

　 完善的保护及告警功能，包括输入过/欠压、输出过压、过温、限流、限功

　 率等。

　 温控风冷方式，风扇采用温控线性调速，噪音小、可靠性高、寿命长。

　 内置防反接保护，具备失效自动隔离功能，支持带电热拔插。

　（2）技术指标 模块技术指标如表 3-1 所示：

　表 3-1 模块技术指标表 型 号 项 目 参 数 指 标 备

　注 输入额定电压 3ɸ 380VAC（-15％～+25%）

　三相交流

　频率 45~65Hz

　输入电流 ≤32A 相电流 输出额定值

　270Vdc/40A

　输出电压调节范围 204～290Vdc

　输出限流范围 10%～105%额定电流 105%最大限流点 稳压精度 ≤0.5%

　稳流精度 ≤0.5%

　纹波系数 ≤0.1%

　功率因数（PF）

　≥0.99 100%额定负载 ≥0.98 50%额定负载 谐波（Amp_THD）

　≤5% 100%额定负载 ≤10% 50%额定负载 效率 ≥95%

　100%额定负载 均流 ≤5%

　输出短路回缩 回缩电流≤50%额定电流，可恢复

　输出过压告警 ≥模块直流过压设定点 可由模块或监控系统设置 输出过压保护 模块硬件过压保护点 需手动恢复 输出欠压告警 ≤模块直流欠压设定点 由监控设置 交流输入欠压 ≤260VAC

　回差大于 15V

　保护 能重新启动并恢复正常工作 交流输入过压保护 ≥530VAC 过温保护 ≥65℃±5℃（恢复温度：60℃±5℃）

　降温后自动恢复 冷却方式 温控风冷

　外形尺寸 83mm×407mm×226mm（宽×高×深）

　模块净重 9Kg

　 六、240V 直流电源深化设计方案和机房设备布置图 （一）系统原理图

　组合式电源系统（整流屏兼直流屏）系统智能监控20A/3P模块1# 240V/20A20A/3P模块2# 240V/20A20A/3P模块3# 240V/20A20A/3P模块4# 240V/20A20A/3P模块5# 240V/20A20A/3P模块6# 240V/20A20A/3P模块10# 240V/20APE2QFImax=20kA32A/3P100A/3PZA-YJV(R)-1kV 4x35+1x16直流智能监控 直流智能监控BAT1 250A/2PQF0163A/2PZA-YJV(R)-1kV 2x168.8KW （至三层加电测试区机柜）+_QF0263A/2PZA-YJV(R)-1kV 2x168.8KW （至三层加电测试区机柜）+_QF0363A/2PZA-YJV(R)-1kV 2x168.8KW （至三层加电测试区机柜）+_QF0463A/2PZA-YJV(R)-1kV 2x168.8KW （至三层加电测试区机柜）+_QF0563A/2P预留测试备用分路+_QF0663A/2P+_QF0763A/2P+_预留测试备用分路预留测试备用分路+ -+_蓄电池预留Imax=10kA 图综合屏原理图 （二）电池低压保护方案 1. 方案一：手动方案 只产生告警提醒，由人工进行分及合的操作。

　方案特点：

　整流模块停止工作，蓄电池在放电至设定的低压值时，系统监控单元通过近远端发出电池放电低压告警，提醒值班人员手动切断蓄电池组的放电回路；待整流模块恢复工作，系统电压恢复到指定的恢复值后系统监控单元通过近远端发出系统供电恢复信息，提醒值班人员手动闭合蓄电池组的供电回路。

　2. 方案二：半自动方案 采用直流断路器+配套脱扣器方案实现自动分离，但需人工合闸动作。此类器件在配电行业产品成熟，应用广泛。

　方案特点：

　整流模块停止工作，蓄电池在放电至设定的低压值时，由配套脱扣器（欠压脱扣器）自行判断或有系统监控控制配套脱扣器（分闸线圈）执行直流断路器分动作，自动切断蓄电池组的放电回路；待整流模块恢复工作，系统电压恢复到指定的恢复值后系统监控单元通过近远端发出系统供电恢复信息，提醒值班人员手动闭合蓄电池组的供电回路。

　3. 方案三：全自动方案 采用直流断路器+电动操作机构（电操）方案实现自动分合动作。据全自动及手动两种控制模式。此类器件在电力配电行业产品成熟，应用广泛。

　电操控制示意图如下：

　RLY6RLY7电源 控制电路M电动操作机构P1 P2 S1 S2 S4RLY5合 分B+ B- 动作（断开或闭合）时，采用控制命令+控制供电双控制方式，动作完成状态保持时断开供电采用纯机械维持，排除一切可能误动作可能。

　整流模块停止工作，蓄电池在放电至设定的低压值时，命令 RLY5及 RLY7 先后闭合，电操执行分动作，自动切断蓄电池组的放电回路，然后，命令 RLY5 及 RLY7 断开，直流断路器及电操完全由机械保持在断开状态；待整流模块恢复工作，系统电压恢复到指定的恢复值后命令 RLY5 及 RLY6 先后闭合，电操执行合动作，自动闭合蓄电池组的供电回路，然后，命令 RLY5 及 RLY6 断开，直流断路器及电操状态完全由机械保持在闭合状态。

　低压切离值及恢复值在合理范围内可自由设定。

　七、240V 直流供电系统发展趋势 通过网上数据表明， 由于 UPS 自身供电系统损耗大、节能问题突出、供电系统存在单点故障、维护操作方法复杂等问题正在逐步被

　240V 直流供电系统所取代，240V 直流供电系统的可靠性、效率、成本、结构、生产技术都已超越了 UPS、从根本上解决了 UPS 所带来的各种问题，使通信系统安全性能大大提高，维护操作方法更为便捷、节能成效显著，是现阶段最为先进的通讯供电系统，而且特别适用于负载重的机房，适合通信机房的新建及改造。240V 直流供电系统属于小系统，其部署将更加灵活，供电体制既可集中供电，又可分散供电。

　对于通信 240V 直流电源的应用，早在 2009 年 12 月，工信部就推出了通信标准类技术报告《通信用 240V 直流供电系统技术要求》，证明了 240V 直流供电系统技术的成熟性， 我相信，240V 直流供电系统在我信科内取得满意的成绩后，必将会得到更大规模的市场，由海油新科应用延伸至整个中海油，为国家节能减排做出更大的贡献。