一、概述

       通信用高压直流电源又称HVDC（High Voltage Direct Current），是一种新型的直流不间断供电系统，这里说的高压是相对传统的-48V直流通信电源而言。2009年12月，工信部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》。2012年中移动推出336V直流供电标准，该标准在具备240V系统的优点的同时，具有更高的转化效率，更有利于节能减排工作。

      二、工作原理

       HVDC系统主要由交流配电单元、整流模块、蓄电池、直流配电单元、电池管理单元、绝缘监测单元及监控模块组成。正常工作情况下，整流模块将交流配电源输出的380V交流转换成240V、336V高压直流，高压直流经直流配电单元给通讯设备供电，同时也给蓄电池充电。当交流输入发生故障时，直流由蓄电池给通讯设备供电。

       原理图如下：

        各构成部分如下：

        2.1 交流配电单元

        交流配电单元是将两路市电，经自动或手动切换分配到各个整流模块；并配有C、D两极防雷保护系统。

        2.2 整流模块

        整流模块是系统的核心部分，它将交流变换成直流（AC/DC），给负载供电，同时对电池充电。

       2.3 蓄电池

       蓄电池是保证不间断供电的关键，在交流停电时，由蓄电池给负载供电。

2.4 直流配电单元直流配电单元是通过直流空开或熔断器输出到列头柜，再由列头柜输出到各服务器，给服务器提供直流电源。

        2.5 监控模块

        监控模块是整个系统的“大脑”和“眼睛”，担负着各单元实时运行情况的监测和处理的重任。

       2.6 电池管理单元

       电池管理单元可实时检测每节电池的端电压、电池组内阻、电池组端电压、充放电电流和温度等参数，并上送给监控模块，保证电池组随时处在正常工作状态。

        2.7 绝缘监测单元

       绝缘监测单元可对直流母线、输出分路对大地的绝缘状况经行实时监测，保证操作人员的人身安全。

      三、与交流UPS对比的优势

       3.1 技术方面

     （1）可靠性大幅提升

       高压直流供电技术引入的主要目的就在于提升系统的安全性。UPS系统本身仅并联主机具有冗余备份，系统组件之间更多地是串联关系，其可用性是各部分组件可靠性的连乘结果，总体可靠性低于单个组件的可靠性。反观直流系统，系统的并联整流模块、蓄电池组均构成了冗余关系，不可靠性是各组件连乘结果，总体可靠性高于单个组件的可靠性。理论计算和运行实践都表明，直流系统的可靠性要远远高于UPS系统，一个例证就是大型直流系统瘫痪的事故基本没有。

      （2）效率大大提高

       目前大量使用的UPS主机均为在线双变换型，在负载率大于50%时，其转换效率与开关电源相近。但一个不容忽视的现实是，为了保证UPS系统的可靠性，UPS主机均采用n+1（n=1、2、3）方式运行，加之受后端负载输入的谐波和波峰因数的影响，UPS主机并不能满足运行，通常UPS单机的设计最大稳定运行负载率仅为35～53%。而受后端设备虚提功耗和业务发展的影响，很多UPS系统通常在寿命中后期才能达到设计负载率，甚至根本不能达到设计负载率，UPS主机单机长期运行在很低的负载率，其转换效率通常为80%多。本人现场实际测试UPS负载率在30%以上时，转换效率在90%以上，最高为93%。对于直流电源系统而言，因其采用模块化结构，可根据输出负载的大小，由监控模块、监控系统或现场值守人员灵活控制模块的开机运行数量，使整流器模块的负载率始终保持在较高的水平，从而使系统的转换效率保持在较高的水平。

     （3）输入参数大大改善

       现场测试发现，目前常用的12脉冲在线双变换型UPS主机，加装11次滤波器后，其输入功率因数通常在0.8～0.9，最大仅为0.95，输入电流谐波含量通常在7.5%左右。

       与此对应，由于PFC电路（功率因数调整）的应用，额定工况下，开关整流器模块的输入功率因数通常都在0.99以上，输入电流谐波含量通常在5%以下。

输入参数的改善的直接效果是，前端设备的容量可以大大降低，前端低压配电柜可以不再配置电抗器，从而也可以降低补偿电容的耐压要求。

     （4）带载能力大大提高

       UPS系统带载能力受两个因素的制约，一是负载的功率因数，以国内某大型UPS厂商的某型主机为例，在输出功率因数为0.5（容性）时，其最大允许负载率仅为50%；二是负载的电流峰值系数，通常UPS主机的设计波峰因数为3，如果负载的电流峰值系数大于3，则UPS主机将降容使用。

       对于直流系统而言，不存在功率因数的问题；因其并联了内阻极低的大容量蓄电池组，加之整流器模块有大量的富余（充电和备用），其负载高电流峰值系数的负荷能力很强，不需专门考虑安全富余容量。

     （5）割接改造更为方便

对于采用UPS供电的设备来说，除非其采用双电源（或四电源、六电源），或专门配置有STS设备，否则通常只能采用停电方式割接。对于重要系统来说，这是难以忍受的，更为麻烦的是，一些没有厂家支撑的老型设备，很有可能在停机不能重启的现象。

       直流电源只要做到输出电压和极性相同即可连接到一起，从而实现不停电割接，而这是非常容易做到的。

       3.2 投资建设

       电源系统投资包括UPS电源（高压直流）、前端电源（市电、油机）、机房三个部分。以成都某运营商最近完工的一个机房为例进行对比分析，该机房同层布置4套400KVA 1+1 UPS系统，采用高压直流供电，需5×4套50KW系统。

       UPS电源（高压直流）部分：采用UPS方案每套系统的投资大约为250万元，采用高压直流供电时5套直流系统投资越160万元。直流系统投资仅是UPS方案的2/3，究其原因，主要是没有UPS柜，并且其仅与交流整流输入电缆，没有旁路回路电缆。

       前端电源部分：粗略测算，采用高压直流方案，市电和油机供电系统约可减少20～25%。

       机房：采用UPS方案和高压直流供电方案，所需占用的机房面积基本相同，但是采用高压直流供电方案时，开关电源安装区域机房荷载要求大大低于UPS机房，粗略测算，机房土建成本约降低10%左右。

       对以上投资加权后，采用高压直流供电方案总投资降低约30%。需要说明的是，采用高压直流供电方案，不仅电源系统可分期建设，系统的电源模块也可根据需要分期建设，考虑投资折现率后，高压直流供电方案的投资节约率将更加明显。

       3.3 维护成本

       运维成本主要包括电费成本和维修成本，由于转换效率的提高，高压直流供电将大大节约电费成本。在维修成本方面，高压直流供电采用的整流模块化结构，现场替换非常方便，而且由于直流供电系统的可靠性远高于交流UPS系统，故维修概率也大大减小。

      四、应用前景

       由于高压直流供电系统较于交流UPS具有更大的优势，目前中国电信、中国移动、中国联通等各大移动运营商都在大力推广，总体成交额度呈50%以上的速度增长。其中，江苏电信已全面采用HVDC取代UPS。

       五、240V与336V两种供电标准的比较

       简单来说，如果说240V高压直流是改良派的话，336V高压直流就是革命派。

       兼容性方面：240V标准的高压直流系统可以与现有服务器兼容，即直接代替220V交流电源输入。而336V标准高压直流系统不能与现有服务器兼容，需对现有设备的电源模块进行改造。

       变换效率方面：336V标准高压直流系统整体应用效率可比240V系统提高8-10%，原因在于输出电压升高后，整流模块的效率可提高1%左右（此部分体现在PUE上）；将服务器前端电源模块改为直流输入后，减少了原AC—DC变换及相关控制电路的电量损失，变换效率提升显著（此部分体现在IT设备电源模块节能上）。

       目前主流服务器大多采用交流220V交流电源，随着中移动服务器数量大幅增长，定制336V高压直流电源的服务器已成为可能，336V系统具有更广阔的应用前景。

      六、IT设备配电方式改进可进一步提高能源利用效率

       当前大型数据中心IT设备在积极采用新型供电方式，进一步降低供电损耗。一种是IT设备供电由原来的双路UPS供电改为一路UPS供电另一路为市电直供方式，正常情况下二者共同为设备供电，市电故障时由UPS单独提供电源；一种是一路240V高压直流供电另一路为市电直供方式，故障时由直流供电系统供电；更为激进的工作方式是，市电正常时，UPS或高压直流仅为备用，供电效率进一步提升。但据台湾同行介绍，该方式存在一定的安全隐患，使用中曾发生UPS切换失败案例（市电质量下降，不符合IT负载要求，但又达不到UPS启动条件）。个人观点UPS、高压直流纯后备供电方式，存在负载突加特性，对设备要求很高，建议先小范围长时间试用再行有限推广。

编写人：中移动国际信息港  李智刚。

编写人声明：本文大量采用专家发表在网络上的资料，因编写时间较久没有特别指出引用原作者，请原作者见谅，并向原作者致谢！