IDC機房高壓直流供電系統

的開展和應用技術(國內〕

主講人：杜秋12024/1/19目錄一、國內高壓直流供電系統的技術研究和應用情況；二、國內高壓直流供電的準標準的解析2024/1/1922024/1/193一、國內高壓直流供電系統的技術研究和應用情況1、國內IDC機房用高壓直流供電方案〔技術〕研究由于高壓直流供電系統具有供電可靠、能有效節約能源等優點已經被多數通信電源專業人士接受；國內對高壓直流供電系統的研究和設備研制等工作始自07年，且快速進展，在不久的將來，高壓直流供電方案將首先在我國IDC機房供電系統中得到應用；根據高壓直流供電系統的特點，在平安性、可靠性和可擴展性等方面的優勢和在通信系統中的應用具有廣闊前景；2024/1/194近年來，IDC數據中心機房業務開展迅猛，效勞器托管需求激增，而且由于IDC設備電路集成度的增加，其單位功率密度較常規通信設備的高出很多，甚至高出普通通信機房的8~10倍；目前，IDC機房進行供電的主要是交流UPS電源和低壓-48V直流電源，其中交流UPS電源是主要的供電系統。與之相比，高壓直流供電系統具有擴容方便、可靠性高、效率高等突出特點，特別對不斷增加的高功耗負載，高壓直流供電系統將是一個有開展前途的電源系統結構。2024/1/1951、國內IDC機房用高壓直流供電方案〔技術〕研究2、國內高壓直流供電方案的開展2.1、概述計算機、效勞器和路由器等大都采用220V交流不間斷供電，需安裝AC-UPS電源或逆變器電源對其供電；但無論什么信息技術設備，其最終電路板芯片都是低壓直流供電，如12V、5V、3V和1.1V等，只有用戶的話機由局的-48V供給〔目前所占比例將愈來愈小〕；移動通信局等-48V電源只起到過渡電壓作用，將來使用交流電壓供電的通信設備將愈來愈多；對交流來說，不管是采用DC/AC逆變器或交流UPS設備，都要經過市電整流和逆變器二級換流；2024/1/1962、國內高壓直流供電方案的開展2.2、對通信和信息、數據設備供電的兩種觀點：統一到-48V直流供電：INTELEC1998年發表?一種新生的技術—-48V計算機設備供電拓撲?：-48V供電是最可靠、最平安的方案；主張統一到rAC220V高壓直流供電：對電信和數據通信融合的新供電應統一到將市電220V整流后的高壓直流供電，稱為TENOR供電【當市電為230V(+10%~-20%[√2峰值系數])時，直最高電壓為358V，最低電壓為260V】；2024/1/1973、高壓直流供電的組成2024/1/198日本NTT公司的由交流200V整流變換為直流270V的系統AC200VDC270VDC270V4、高壓直流供電方案的開展的特點及優勢4.1、可靠性：高壓直流可靠性遠高于目前UPS；4.2、效率和節能：n+1的UPS系統考慮諧波的綜合因素其負載率不高于60%、效率在50%-90%之間；而高壓直流系統在40%的負載率下效率即可達90%以上；4.3、影響效率的因素分析：設備內部的DC/DC變換器的內部功率損耗和配電電纜的功率損耗〔DC/DC變換器工作時，MOSFET的功率損耗，包括MOSFET導通電阻〔Ron〕壓降損耗和輸出電容〔Cout〕充放電的損耗，導通電阻上的損耗正比于MOSFET管的導通電流，電容上的損耗正比于電源電壓和開關頻率；2024/1/1994、高壓直流供電方案的開展特點及優勢4.4、-48V和高壓直流的效率比較：負載較小時，高壓直流系統的效率比-48V系統低。主要是因為高壓直流系統DC/DC變換器MOSFET管輸出電容充放電損耗大；負載較大時，-48V系統的效率比高壓直流系統低。主要是因為-48V系統的DC/DC變換器中MOSFET導通電阻上的損耗和配電電纜上的損耗較大；所以，高壓直流供電系統用于負載功率較大的場合比較有利〔如，IDC)。2024/1/19104、高壓直流供電方案的開展特點及優勢4.5、系統效率的提高：電源設備本身效率的提高；通信設備內部的電源模塊效率的提高；降低配電線路的功率損耗；從而減少機房空調制冷量的需求，減少電能需求，最終到達節能的目的。4.6、高壓直流供電系統的可靠性高、效率高的優點負載功率越大越突出；4.7、面臨的困難：實現這個供電系統——負載設備的濾波器、熔絲、連接器和通信設備內部的板上DC/DC變換器都需要相應地改變，實現起來比較困難；4.8、前景：這種電源系統結構能否采用，取決于未來負載機柜的功率要求是否較大。從目前的電信和數據通信的開展情況看，這些負載設備的功耗正在不斷增加。因此，高壓直流供電系統還是一個有開展前途的電源系統結構。2024/1/1911評價名稱評價標準直流供電結論可靠性系統簡單、單點故障少，系統可靠性>99.99%直流系統簡單、無單點故障，設備可靠性高，超過該標準。滿足效率效率大于90％（滿載）能源僅一次轉換，模塊效率>90％滿足諧波干擾諧波不宜過大，<20%有PFC電路，諧波<4％滿足輸出波形失真度單諧波小于3％，總諧波小于5％直流輸出，無諧波滿足擁有成本投資成本和運行成本不宜過高，要求小于UPS投資與運行成本目前同容量開關電源價格為UPS價格的三分之二，直流系統運行成本低于UPS系統運行成本。滿足2024/1/19124.9、IDC用直流供電與標準符合性的評價5、UPS交流、高壓直流供電的比較2024/1/1913整流器整流器逆變器靜態開關市電輸入整流器PFC變換器服務器主板服務器電源電池整流器整流器逆變器靜態開關市電輸入整流器PFC變換器服務器主板服務器電源電池交流UPS供電系統原理框圖高壓直流供電系統原理框圖變、轉換環節的減少，促使效率的提高！逆變、整流器件的減少，促使故障率的降低！6、不同電壓等級的高壓直流比較6.1、380V高壓直流供電結構圖：整流器輸出高壓380V左右直流電，使用高壓直流效勞器，整流器和效勞器電源均只有一次變化，轉換效率高；采用高壓配電，同功率下電流小，配電損耗小；但380V的直流供電系統，目前尚無應用案例，電源設備、直流供電系統和效勞器電源均需要專門設計和制造；2024/1/1914整流器整流器逆變器靜態開關市電輸入整流器PFC變換器服務器主板服務器電源電池整流器整流器逆變器靜態開關市電輸入整流器PFC變換器服務器主板服務器電源電池電壓：380V6、不同電壓等級的高壓直流比較2024/1/19156.2、220V次高壓直流供電結構圖：整流器輸出電壓220V～240V左右，使用普通交流效勞器，通用性非常強；配電電壓較高，同功率下電流較小，配電損耗較小；效勞器電源有二次轉換，整體效率略低于高壓配電；220V的直流供電系統，目前沒有應用案例，開關電源和直流供電系統也需要專門設計和制造，另外，交流效勞器電源直接使用同電壓直流電有待驗證。6、不同電壓等級的高壓直流比較2024/1/19166.3、低壓直流供電〔－48V〕：直接采用通信行業使用最多的－48V通信電源，該技術非常成熟；整流器輸出48V直流電，整流器和效勞器均只有一次電源轉換，轉換損耗小；使用低壓直流電源效勞器，目前已經有現成的－48V效勞器電源；由于采用低壓配電，相同功率下電流大，線路壓降和損耗較大。整流器整流器逆變器靜態開關市電輸入整流器PFC變換器服務器主板服務器電源電池整流器整流器逆變器靜態開關市電輸入整流器PFC變換器服務器主板服務器電源電池電壓：48V6、不同電壓等級的高壓直流比較評價名稱高壓直流供電次高壓直流供電低壓直流供電可靠性★★★★★★★★★★★★★★★開關電源效率★★★★★★★★★★★★★★★配電壓降★★★★★★★★★★★經濟性★★★★★★★★★★★服務器通用性★★★★★配電標準化★★★★★★★綜合分數2120232024/1/19176.4、不同電壓等級的高壓直流綜合評比7.1、通信機房采用不同的交流或直流電壓等級，其初始投資也有所不同，關鍵在銅材的耗量上；7.2、交流供電一般采用三相四線制，直流供電采用單相兩線制。在相同的電纜截面下，對相同的電纜數〔4根〕，相同電流下，輸送的功率比方下式〔cosφ為功率因數，可取0.9〕：

2024/1/19187、直流供電電壓等級與初始投資由上式，當直流供電電壓高于296.2V，電纜耗銅量比交流380V供電少；IDC機房假設采用高于296.2V供電電壓等級的直流供電系統〔綜合了轉換器的功耗〕，就能到達降低初始投資本錢，提高經濟效益和節能的目的。輸送相同的功率，直流電壓值越高那么耗銅量越少，初始投資費用越低!8、直流供電電壓等級與運營本錢采用不同電壓等級的直流供電，其長期運行的線路損耗不同；從長期運行角度比較交流與直流運行的經濟性，選擇恰當的直流電壓等級，現分析交、直流電輸送功率的通用公式進行分析如下〔cos值取0.9〕：2024/1/1919直流電壓為242.5V是交直流線損的平衡點，線損與電壓的平方成反比！〔綜合相關轉換器效率，常把296.2V作為平衡點〕9、IDC機房高壓直流供電的商業運營模式設想在IDC機房中，高壓直流供電比交流UPS供電更具可靠性和經濟性優勢，當直流供電電壓高于296.2V時，直流的初始投資和運行本錢將明顯低于交流供電系統。因此，高壓直流供電均是IDC機房的最正確供電方案。經測試，目前大局部效勞器可直接輸入高于296.2V的高壓直流電，但仍有小局部效勞器不能直接輸入高壓直流；由于IDC機房的效勞器為各客戶的托管設備，無法強制性規定效勞器輸入電源的電壓標準；建議參照IDC機房等級評定方法，調整IDC機房的商業運營模式，對高壓直流供電的機房進行等級劃分與傾斜，為推進高壓直流的技術開展奠定根底；2024/1/19202024/1/1921二、國內高壓直流供電的準標準解析1.1、2021年，工業和信息化部電信研究院、中國電信集團聯合國內知名的通信電源廠商的國內知名專家起草了?通信用240V直流供電系統技術要求?的征求意見標準稿；1.2、該技術報告由中國通信標準化協會提出并歸口；1.3、該技術報告參與起草單位：中達電通股份、廣州珠江電信設備制造、艾默生網絡能源、北京動力源科技股份、中國移動通信集團公司、易達威銳電源系統、華為技術、上海郵電設計院、中國普天信息產業股份；2024/1/19221、準標準的起草背景：2、準標準的術語和定義2.1、恢復時間〔Recoverytime〕：恢復時間〔T〕是指直流輸出電壓〔Uo〕與直流輸出整定值〔Uz〕之差的絕對值超出穩壓精度〔μ，如要求μ≦1V〕范圍處開始，恢復至小于等于并不再超過穩壓精度處的這段時間。2.2、絕緣監察〔Insulationmonitoring〕：對直流輸出與地的絕緣度進行檢測，判斷是否發生接地故障或絕緣度降低。2024/1/19233.1、產品型號：系統的型號依據YD/T638.3的規定命名。3.2、產品組成：通信用240V高頻開關電源系統包括——①交流配電局部、②高頻開關整流模塊、③直流配電局部、④監控單元組成的柜式直流電源系統。3.3、產品系列：A、系統的直流輸出電壓標稱值為(V)：240。B、模塊額定輸出電流〔A〕：5、10、15、20、30、40、50、100；【對應功率分別為〔kw〕：1.2、2.4、3.6、4.8、7.2、9.6、12、24】2024/1/19243、產品的組成和分類4.1、環境的要求A、溫度：工作溫度范圍：-5℃～＋40℃；儲運溫度范圍：-40℃～+70℃。B、濕度：工作相對濕度范圍：≤90％〔40℃±2℃〕；儲運相對濕度范圍：≤95％〔40℃±2℃〕。C、海拔：海拔高度應不超過1000m；超過1000m時按GB/T3859.2的規定降容使用。D、振動：系統應能承受頻率為〔10～55〕Hz、振幅為0.35mm的正弦波振動。2024/1/19254、相關要求：4.2、交流輸入的要求：A、交流輸入電壓變動范圍三相380V：允許變動范圍為〔323～418〕V【-15%、+10%】；單相220V：允許變動范圍為〔187～242〕V【-15%、+10%】；注：交流輸入電壓超出上述范圍，但不超過額定值的±25%時，系統可降額使用。B、輸入頻率變動范圍：50Hz±2.5Hz〔±5%〕；C、輸入電壓波形失真度：交流輸入電壓總諧波含量不大于5%時〔THDU≦5%〕，系統應能正常工作；2024/1/19264、相關要求：4.3、系統配置的要求A、根本要求：系統供電宜采用分散供電方式；單個系統容量最大不宜超過600A；B、系統電壓：系統標稱電壓為240V。設備運行時，浮充、均充電壓由蓄電池技術參數確定，系統輸出電壓在一定范圍內可調，可調范圍216V～288V【-10%、+20%】。系統在其輸出可調范圍內，應能輸出額定電流；系統的直流輸出電壓值在其可調范圍內應能手動或自動連續可調。系統在穩壓工作的根底上，應能與蓄電池并聯以浮充工作方式或均充工作方式向通信設備供電；2024/1/19274、相關要求：4.3、系統配置的要求：C、蓄電池配置：蓄電池型號選擇：宜選用鉛酸蓄電池。蓄電池單體電壓和組數確定：根據系統容量大小，蓄電池單體電壓可選2V、6V、12V，每個系統蓄電池組數不得少于2組，最多不宜超過4組。2024/1/1928單體電壓（V）2612蓄電池個數(只)1204020D、整流模塊配置：整流模塊選擇：單體模塊功率應根據系統設計容量大小合理選擇，模塊數量不宜多于20個。整流模塊數量配置按負載電流+0.1C10的充電電流計算,采用N+1配置，其中N個主用，N≤10時，1個備用；N>10個時，每10只備用一個。高頻開關電源系統宜具備模塊休眠功能。4、相關要求：4.4、系統采用懸浮方式供電：A、系統輸出應與地、機架、外殼隔離；B、使用時，正、負極不得接地；C、系統應有明顯標識標明該系統輸出不能接地。4.5、配電要求A、配電設備應符合YD/T585的相關技術要求，除了本技術要求所具體規定的外，其余要求均可參照YD/T585中相關條款。B、直流電流額定值等級配電設備的直流電流額定值在以下數值中選取：50A、100A、200A、400A、600A、800A。注：當用戶提出要求并與制造廠協商后，可以生產上列數值以外的產品，但不允許超出GB/T762-2002規定的范圍。2024/1/19294、相關要求：4.5、配電要求C、配電結構：圖1、單系統雙回路2024/1/1930根據負載重要程度，可采用單系統單回路或雙回路供電〔圖1〕，必要時也可采用雙系統雙路供電〔圖2〕。4、相關要求：圖2、雙系統雙回路圖2024/1/19314.6、過流保護方式：A、告警位置：重要的斷路器、熔斷器〔如蓄電池〕等，應能發出聲光告警；B、交流輸入：系統總輸入過流采用交流斷路器保護；每一個整流模塊輸入應有獨立的斷路器；C、直流輸出：輸出全程正負極各級都應安裝過流保護器件進行保護；直流輸出各級配電〔末級除外〕應采用熔斷器或直流斷路器保護；直流輸出末級開關〔即設備輸入開關〕應采用斷路器保護；所采用的斷路器或熔斷器都應與系統的直流電壓相適應；D、直流輸出電纜顏色標志：——正極母線：棕色；——負極母線：藍色2024/1/19324、相關要求：4.6、過流保護方式：E、通信設備電源接線標準〔如圖〕：直流輸出“正〞極，對應于設備輸入電源線的“N〞端，正——N；直流輸出“負〞極，對應于設備輸入電源線的“L〞端，負——L；通信設備輸入電源線的“地〞端與系統保護地可靠連接，地——PE；F、直流配電局部電壓降直流配電局部電壓降不超過500mV(環境20℃)；全程壓降不超過額定電壓5%；蓄電池單體連接條壓降不超過10mV。2024/1/19334、相關要求：2024/1/19344、相關要求：4.7、整流模塊A、輸入COS、THDI的要求：當輸入額定電壓、輸出滿載時，模塊的輸入功率因數〔cos〕、輸入電流諧波成份〔THDI〕應符合右表要求：項目技術要求I類II類THDI≤10%≤28%COS≥0.99≥0.92穩壓精度：穩壓精度應優于±1%；紋波電壓：整流模塊直流輸出端在0MHz～20MHz頻帶內的峰—峰值電壓應不大于輸出電壓標稱值的0.5%；負載效應〔負載調整率〕：不同負載情況下，直流輸出電壓與輸出電壓整定值的差值應不超過輸出電壓整定值的±0.5%；2024/1/19354、相關要求：4.7、整流模塊負載效應恢復時間(動態響應)：由于負載的階躍變化〔突變〕引起的直流輸出電壓變化后的恢復時間應不大于200μs，其超調量應不超過輸出電壓整定值的±5％；開關機過沖幅度：由于開關機引起直流輸出電壓變化的最大峰值應不超過直流輸出電壓整定值的±5％；啟動沖擊電流(浪涌電流)：由于啟動引起的輸入沖擊電流應不大于額定輸入電壓條件下最大穩態輸入電流峰值的150％；軟啟動時間：軟啟動時間〔從啟動至直流輸出電壓爬升到標稱值所用的時間〕可根據用戶要求確定，一般3s～10s；2024/1/19364、相關要求：4.8、電池的管理功能系統應具有能接入至少兩組蓄電池的裝置；系統應具備對蓄電池均充及浮充充電狀態進行手動或自動轉換的功能；系統在對蓄電池進行充電時，應具有限流充電功能；系統應能根據蓄電池環境溫度，對系統的浮充電壓進行溫度補償；在蓄電池充放電時，系統宜具備對蓄電池剩余容量進行估算的功能〔可選〕；系統宜具備蓄電池單體電壓管理功能〔可選〕；2024/1/19374、相關要求：4.9、并聯工作性能：系統中整流模塊應能并聯工作；能按比例均分負載(50%～100%額定輸出電流時)；在監控模塊正常工作時，其不平衡度應不大于輸出額定電流的±5%；當監控模塊異常時，系統輸出不會中斷，其不平衡度應在額定輸出電流的±10%以內；當單個整流模塊異常時，不影響系統的正常工作；在系統不停止工作的狀態下，在線更換故障模塊；2024/1/19384、相關要求：4.10、系統效率：單個整流模塊額定輸出功率≥7.5KW時，效率≥90%；單個整流模塊額定輸出功率<7.5kw時，效率≥85%；4.11、系統音響噪聲：系統正常工作時，音響噪聲應不大于65dB〔A〕；2024/1/19394、相關要求：4.11、保護功能：絕緣監測及保護：顯示接地極性、發出告警、具備通信接口；交流輸入過、欠電壓保護：三相交流輸入缺相保護；直流輸出過、欠電壓保護；直流輸出電流限制〔其標稱值的20%～110%之間調整〕或輸出功率限制功能；直流輸出過流及短路保護；保護接地要求：明顯的保護地標志，接地銅螺母≥M8〕，接地線大于10mm2，接地電阻應不大于0.1Ω；過溫保護：自動降額或恢復；2024/1/19404、相關要求：4.12、告警性能：保護發生的同時，自動發送相應的聲光告警信號，并通過通信接口將告警信號傳送到監控設備上；各種告警記錄的查詢功能和刷新功能；告警信息失電不喪失；4.13、防雷性能：交流輸入端應裝有浪涌保護裝置；至少能承受電壓脈沖〔10/700μs、5kV〕；至少能承受電流脈沖〔8/20μs、20kA〕的沖擊；2024/1/19414、相關要求：4.13、平安要求：電氣間隙與爬電距離見下表：額定絕緣電壓Ui，額定工作電壓交流均方根值或直流V額定電流≤

（mm）額定電流≥（mm）電氣間隙爬電距離電氣間隙爬電距離≤60353560<Ui≤3005668300<Ui≤6008121012B、絕緣電阻與介質強度：各獨立電路與地〔即金屬框架〕之間、無電氣聯系的各電路之間的絕緣電阻不小于10MΩ，且應進行介質強度試驗；C、系統接觸電流：不大于3.5mA；注：大于3.5mA時，接觸電流不應超過每相輸入電流的5%，如果負載不平衡，那么應采用三個相電流的最大值來進行計算。在大接觸電流通路上，內部保護接地導線的截面積不應小于1.0mm2。在靠近設備的一次電源連接端處，應設置標有警告語或類似詞語的標牌，即“大接觸電流，在接通電源之前必須先接地〞2024/1/19424、相關要求：4.13、平安要求：D、材料阻燃性能：PCB的阻燃等級應到達GB4943中規定的V-0要求；塑膠導線的阻燃等級應到達GB/T18380.1-2001中規定的要求；其他絕緣材料的阻燃等級應到達GB4943中規定的V-1要求。E、產品的防護等級：系統機柜的外殼防護等級應不低于GB4208-1999中的IP20的規定；F、直接觸電的防護：系統內交流或直流裸露帶電部件，應設置適當的外殼、防護擋板、防護門、增加絕緣包裹等措施，防止在維護和操作過程中意外觸及；用外殼作防護時，防護等級也應到達IP20；2024/1/19434、相關要求：4.15、系統電磁兼容性：傳導騷擾限值應符合YD/T983-1998中第5.1條的要求；輻射騷擾限值應符合YD/T983-1998中第5.2條要求；靜電放電抗擾性：系統機柜應能保護產品抵御靜電的破壞，其保護能力應符合YD/T983-1998第7.3條表9中“靜電放電〞的要求，應能承受不低于8kV靜電電壓的沖擊；4.16、系統可靠性：MTBF≥5×104h；注：通過模塊并聯冗余方式來提高系統可靠性，即〔n+k〕方式2024/1/19444、相關要求：4.17、監控性能：A、主要功能：實時監視系統工作狀態；采集和存儲系統運行參數；設置參數的掉電存儲功能；接受局端命令對被控設備進行控制，通信協議應符合YD/T1363.3的要求；B、交流配電局部：遙測：輸入電壓、電流〔可選〕、頻率〔可選〕；遙信：輸入過/欠壓、缺相、過流〔可選〕、過頻〔可選〕、斷路器狀態〔可選〕；C、整流模塊：遙測：整流模塊輸出電壓，每個整流模塊輸出電流；遙信：每個整流模塊工作狀態〔開/關機，限流/不限流〕，故障/正常；遙控：開/關機，均/浮充/測試。D、直流配電局部：遙測：輸出電壓，總負載電流，主要分路電流〔可選〕，蓄電池充、放電電流；遙信：輸出電壓過壓/欠壓，蓄電池熔絲狀態，均/浮充/測試，主要分路熔絲/開關狀態〔可選〕，蓄電池二次下電〔可選〕；2024/1/19455、有關定義的計算公式和方法V0——直流輸出電壓整定值；Vmax