HVDC和UPS在通信中的应用
摘要： 文章通过对传统ups( uninterruptible power supply，不间断电源) 供电模式与hvdc( high-voltage direct current，高压直流) 模式的对比分析，指出采用hvdc 供电可以有效地改善机房供电质量，并以低投资、高可靠性、低运营成本等优势逐步成为运营商机房一种新的供电模式。
随着通信机房ups 供电系统的安全运行越来越受到业内人士的重视，同时也是维护人员最为担心的重要环节。通信行业数据机房一般采用ups 电源系统供电。部分通信运营商开始探索和分析通信设备采用hvdc 供电的可行性，并取得阶段性成果。hvdc 供电系统以低投资、高可靠性、低运营成本等优势逐步成为通信运营商机房一种新的供电模式。本文就通信运营商机房采用hvdc 供电系统做了一些探讨分析。
1 ups 供电系统和-48 vdc 系统存在的缺陷
1. 1 ups 供电结构逆变器可靠性低
ups 供电系统如图1 所示，其可靠性模型见图2。
众所周知，dc /ac 是ups 中成本最高、可靠性最低的环节。根据当前设备可靠性水平，电池的可靠性rb =0. 99，而ups 中dc /ac 的可靠性ri = 0. 90，静态开关sts 的可靠性rs = 0. 99，根据图2 可计算出ups 备用能源的供电可靠性：
r = rbrirs = 0. 99 × 0. 90 × 0. 99 = 0. 88
可见，ups 备用能源在系统中的可靠性比电池本来具备的可靠性降低了很多。
图1 ups 供电系统图
图2 ups 备用能源可靠性模型
1. 2 ups 系统整体利用率低
ups 冗余系统的每一路输入配电都有可能是主用，其中任何一台ups 都必须能够带起全部负荷。双机冗余ups 系统负荷率< 35 %。ups 输出三相不平衡，直接导致ups 降容使用，存在单机利用率低的缺点。
ups 输入配电除主路外，其它输入配电处于空载待用，使用效率很低，机房前期建设投入大和负荷规划浪费，而且后期系统扩容难度大。
ups 带来供电系统谐波分量增加，导致变压器利用率下降、柴油发电机支撑能力削弱，影响到整个供电系统的安全性、利用率。
并联ups 之间不可能消除环流问题，还增加了ups 的无功损耗，降低了系统的可靠性。
1. 3 ups 应急保障和可维护性差
ups 在线维修复杂、在线扩容困难、割接难度大，不同设备型号、不同系统间无法实现互为冗余，逆变、滤波电容等关键器件更换困难。
若ups 逆变器发生故障，系统将转向旁路供电，但对于某些通信负载，低质量的市电可能对设备的安全运行带来严重故障隐患，而且后备蓄电池组被隔离开，起不到保护作用。
1. 4 -48 vdc 系统无法满足大功耗通信机房要求
近年来由于数据通信的发展非常迅速，机房耗电量越来越大，目前单机架功耗增加很快，某通信机房实测单机架功耗达9 ～ 12 kw/架，有些单机架高达31kw 左右! 如果仍然采用- 48 vdc，由于供电电压低，与高压240 vdc( 中国通信标准化协会《通信用240 v直流供电系统技术要求》将240 v 确定为通信行业高压直流供电系统的标称电压值) 相比，根据p = iu，同样的功率，其电流是240 vdc 的240 /48 = 5 倍。
对于同样功率大小，电压低时，电流增大。而对于电缆损耗p = i2r，同样的电缆( 电缆线阻一样) ，线损与电流的平方成正比。为了达到同样的损耗水平，则需要大幅度增粗电缆线径。例如，100 kw 的功耗，当用48 vdc 时，电流i1 = 100 kw/48 = 2 083 a，当采用240 vdc 时，电流则为：
i2 = 100 kw/240 = 416. 6 a
粗电缆，成本增加; 大电流，意味着发热量大，发热量大意味着需要更多的空调来制冷。
2 hvdc 替代ups 的可行性分析
2. 1 hvdc 取代传统ups 的优势
传统ups 供电原理图如图3 所示。hvdc 供电原理图如图4 所示，比传统的ups 少一个dc /ac 逆变器及服务器机架内部的ac /dc 整流器，这样大大提高了供电系统的效率，从而降低供电系统的发热损耗，发热损耗的降低也减少了空调的配置。通过hvdc 供电方式的应用可以比采用ups 供电节约电能10 % ～20 %。
图3 传统ups 供电原理图
图4 hvdc 供电原理图
2. 2 投资建设成本分析
由表1 可见，投资建设100 kw 系统： 应用hvdc电源系统比传统型ups 低66 %。
表1 传统ups 和hvdc 电源建设投资成本分析对比
2. 3 占用机房面积分析
由表2 可见，100 kw 电源系统占用机房面积：hvdc 电源比传统ups 少24. 22 %。
表2 传统型ups 和hvdc 电源占用机房面积对比
2. 4 运营成本分析
由表3 可见， 100 kw 系统运营成本： hvdc 电源系统比传统ups 低16. 22 %，年节省26. 91 万元。
表3 传统型ups 和hvdc 电源运营成本分析对比
2. 5 节能分析
当前，节能减排的观念已经深入人心。而因为高压直流供电系统所具有的高效率，其在节能方面也会得到普遍认可。以一个10 kw 的数据设备为例，可以通过以下两组数据说明这一点。
( 1) 传统ups 供电系统
数据设备功耗： 10 kw;
数据设备整流损耗( 75 %效率) : 3. 33 kw;
ups 损耗( 85 %效率) : 2. 35 kw;
ups 输入功耗即为15. 69 kw;
若空调功耗取ups 输入功耗的0. 4，其空调功耗为6. 27 kw;
合计功耗： 21. 96 kw;
每年能耗： 192376 kwh。
按0. 8 元/度计算电费，每年需153 901 元人民币的电费。
( 2) hvdc 供电系统
数据设备功耗： 10 kw;
数据设备变换损耗( 88 %效率) : 1. 36 kw;
高压开关整流设备损耗( 93 %效率) : 0. 86 kw;
高压直流供电系统输入功耗： 12. 22 kw;
若空调功耗取高压直流供电系统输入功耗的0. 4，
其空调功耗为4. 89 kw;
合计功耗： 17. 11 kw;
每年能耗： 149853 kwh。
按0. 8 元/度计算电费，每年需119 882 元人民币的电费。
从以上数据可以看出，每10 kw 的数据设备采用高压直流供电系统每年节约的电费约34 018 元人民币。
所以说，hvdc 供电系统是值得期待的一种节能供电方式。
3 hvdc 与传统ups 供电方案优缺点比较
hvdc 与传统ups 供电方案的优缺点比较见表4。
表4 hvdc 与传统ups 优劣比较
4 结束语
hvdc 供电方式将逐步成为通信运营商机房一种新的供电模式，有理由相信，hvdc 供电系统必将为我国通信网络技术的发展发挥其应有的作用。
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1 ups 供电系统和-48 vdc 系统存在的缺陷
1. 1 ups 供电结构逆变器可靠性低
ups 供电系统如图1 所示，其可靠性模型见图2。
众所周知，dc /ac 是ups 中成本最高、可靠性最低的环节。根据当前设备可靠性水平，电池的可靠性rb =0. 99，而ups 中dc /ac 的可靠性ri = 0. 90，静态开关sts 的可靠性rs = 0. 99，根据图2 可计算出ups 备用能源的供电可靠性：
r = rbrirs = 0. 99 × 0. 90 × 0. 99 = 0. 88
可见，ups 备用能源在系统中的可靠性比电池本来具备的可靠性降低了很多。
图1 ups 供电系统图
图2 ups 备用能源可靠性模型
1. 2 ups 系统整体利用率低
ups 冗余系统的每一路输入配电都有可能是主用，其中任何一台ups 都必须能够带起全部负荷。双机冗余ups 系统负荷率< 35 %。ups 输出三相不平衡，直接导致ups 降容使用，存在单机利用率低的缺点。
ups 输入配电除主路外，其它输入配电处于空载待用，使用效率很低，机房前期建设投入大和负荷规划浪费，而且后期系统扩容难度大。
ups 带来供电系统谐波分量增加，导致变压器利用率下降、柴油发电机支撑能力削弱，影响到整个供电系统的安全性、利用率。
并联ups 之间不可能消除环流问题，还增加了ups 的无功损耗，降低了系统的可靠性。
1. 3 ups 应急保障和可维护性差
ups 在线维修复杂、在线扩容困难、割接难度大，不同设备型号、不同系统间无法实现互为冗余，逆变、滤波电容等关键器件更换困难。
若ups 逆变器发生故障，系统将转向旁路供电，但对于某些通信负载，低质量的市电可能对设备的安全运行带来严重故障隐患，而且后备蓄电池组被隔离开，起不到保护作用。
1. 4 -48 vdc 系统无法满足大功耗通信机房要求
近年来由于数据通信的发展非常迅速，机房耗电量越来越大，目前单机架功耗增加很快，某通信机房实测单机架功耗达9 ～ 12 kw/架，有些单机架高达31kw 左右! 如果仍然采用- 48 vdc，由于供电电压低，与高压240 vdc( 中国通信标准化协会《通信用240 v直流供电系统技术要求》将240 v 确定为通信行业高压直流供电系统的标称电压值) 相比，根据p = iu，同样的功率，其电流是240 vdc 的240 /48 = 5 倍。
对于同样功率大小，电压低时，电流增大。而对于电缆损耗p = i2r，同样的电缆( 电缆线阻一样) ，线损与电流的平方成正比。为了达到同样的损耗水平，则需要大幅度增粗电缆线径。例如，100 kw 的功耗，当用48 vdc 时，电流i1 = 100 kw/48 = 2 083 a，当采用240 vdc 时，电流则为：
i2 = 100 kw/240 = 416. 6 a
粗电缆，成本增加; 大电流，意味着发热量大，发热量大意味着需要更多的空调来制冷。
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传统ups 供电原理图如图3 所示。hvdc 供电原理图如图4 所示，比传统的ups 少一个dc /ac 逆变器及服务器机架内部的ac /dc 整流器，这样大大提高了供电系统的效率，从而降低供电系统的发热损耗，发热损耗的降低也减少了空调的配置。通过hvdc 供电方式的应用可以比采用ups 供电节约电能10 % ～20 %。
图3 传统ups 供电原理图
图4 hvdc 供电原理图
2. 2 投资建设成本分析
由表1 可见，投资建设100 kw 系统： 应用hvdc电源系统比传统型ups 低66 %。
表1 传统ups 和hvdc 电源建设投资成本分析对比
2. 3 占用机房面积分析
由表2 可见，100 kw 电源系统占用机房面积：hvdc 电源比传统ups 少24. 22 %。
表2 传统型ups 和hvdc 电源占用机房面积对比
2. 4 运营成本分析
由表3 可见， 100 kw 系统运营成本： hvdc 电源系统比传统ups 低16. 22 %，年节省26. 91 万元。
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2. 5 节能分析
当前，节能减排的观念已经深入人心。而因为高压直流供电系统所具有的高效率，其在节能方面也会得到普遍认可。以一个10 kw 的数据设备为例，可以通过以下两组数据说明这一点。
( 1) 传统ups 供电系统
数据设备功耗： 10 kw;
数据设备整流损耗( 75 %效率) : 3. 33 kw;
ups 损耗( 85 %效率) : 2. 35 kw;
ups 输入功耗即为15. 69 kw;
若空调功耗取ups 输入功耗的0. 4，其空调功耗为6. 27 kw;
合计功耗： 21. 96 kw;
每年能耗： 192376 kwh。
按0. 8 元/度计算电费，每年需153 901 元人民币的电费。
( 2) hvdc 供电系统
数据设备功耗： 10 kw;
数据设备变换损耗( 88 %效率) : 1. 36 kw;
高压开关整流设备损耗( 93 %效率) : 0. 86 kw;
高压直流供电系统输入功耗： 12. 22 kw;
若空调功耗取高压直流供电系统输入功耗的0. 4，
其空调功耗为4. 89 kw;
合计功耗： 17. 11 kw;
每年能耗： 149853 kwh。
按0. 8 元/度计算电费，每年需119 882 元人民币的电费。
从以上数据可以看出，每10 kw 的数据设备采用高压直流供电系统每年节约的电费约34 018 元人民币。
所以说，hvdc 供电系统是值得期待的一种节能供电方式。
3 hvdc 与传统ups 供电方案优缺点比较
hvdc 与传统ups 供电方案的优缺点比较见表4。
表4 hvdc 与传统ups 优劣比较
4 结束语
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