江蘇電信IT關鍵設備高壓直流供電應用技術交流

1、江蘇電信IT關鍵設備高壓直流供電應用技術交流 主要內容主要內容n 一、高壓直流提出的技術背景n 二、高壓直流電壓范圍選取n 三、單管直流供電問題研究（直流供電時單管長時間運行，安全嗎？）n 四、高壓直流安全方面的技術措施n 五、已驗證的負載n 六、江蘇電信內部推進情況 提出“高壓直流供電”的技術背景n 技術背景一、UPS的問題 交流UPS供電的模式在通信系統中安全性、經濟性等方面的問題越來越凸顯，主要體現在以下幾個方面： 1、能耗高 2、可靠性低 3、維護、擴容難度大 4、建設成本大 n 技術背景二、高頻開關電源技術普及，生產成本已經低于變壓器電源n 技術背景三、轉型業(yè)務、數據通信、各種增值業(yè)

2、務平臺在電信運營商的比重日趨增大，安全要求、節(jié)能要求與電源保障提出了空前的要求 提出“高壓直流供電”的技術背景n 解決手段-為解決UPS的問題，江蘇電信鹽城分公司提出通信用240V直流供電方式（簡稱高壓直流供電方式） 高壓直流電源代替UPS電源 高壓直流電源比交流UPS電源結構簡單、建設成本低、運行可靠性高、操作維修方便，最突出的優(yōu)點是既安全又節(jié)能，在當今全球能源緊張的情況下，高壓直流電源代替UPS電源，將給通信行業(yè)以及其他大規(guī)模使用IT設備的行業(yè)產生較大的經濟效益和社會效益 技術背景IT設備電源電路分析1n 由圖1可見, 我們只要輸入一個范圍合適的直流電壓給DC/DC變換電路，就同樣能安全滿

3、足IT設備工作。因為輸入端沒有工頻變壓器，所以輸入直流不會產生短路阻抗，就沒有必要非得交流輸入，不用交流也就沒有必要用UPS，由此因UPS交流供電引起的一切不利因素也就自然而然地消失了。如果我們輸入的直流合理配上蓄電池，輔以遠程監(jiān)控，構成一個可靠的直流供電系統，就可取代UPS交流供電系統。 交 流輸入輸入濾波整流濾波DC/DC12V5V3.3V圖 1. IT設備電源模塊工作原理示意圖技術背景IT設備電源電路分析26交流供電交流供電直流供電直流供電12V5V3.3VD C / D C12V5V3.3VD C / D C 技術背景高壓直流供電的可行性1、 IT設備的開關電源前級為整流橋, 并為后級

4、提供一個波動的高壓直流2、整流橋后的高壓直流范圍為: DC250 -336v (交流輸入為: AC220V )3、對于直流輸入而言, 整流橋可視為直連結論結論: : 只要在交流輸入端使用合適范圍的高壓直流只要在交流輸入端使用合適范圍的高壓直流, IT, IT設設備的開關電源是可以正常工作的備的開關電源是可以正常工作的7 高壓直流電壓范圍選取高壓直流電壓范圍選取 n 電壓選取的基本原則電壓選取的基本原則n 通信系統可靠性比使用UPS大大提高 n 對原有設備不作任何改造 n 要適應與IT設備配套的相關設備的使用 n 要適應非電信運營企業(yè)的使用n 要兼顧整個產業(yè)鏈效應n 安全與節(jié)能兼顧 （近階段重點

5、要解決安全問題，當前和長遠戰(zhàn)略綜合思考）n 盡可能利用現有成熟技術 高壓直流電壓范圍選取 n （一）直流電壓范圍上限計算（一）直流電壓范圍上限計算（整流二極管最大反向電壓）。 通常PC機或服務器銘牌標明工作電壓范圍180240V ,由此得出電壓上限電壓為240*1.4=336V U高=336Vn （二）（二） 直流電壓范圍下限計算直流電壓范圍下限計算 經過對多種設備的現場測試，IT設備電源模塊交流工作電壓在180240V范圍均能正常工作，根據IT設備電源模塊恒功率特性和整流元件直流波形發(fā)熱特性兩方面因素，直流工作電壓最低電壓計算如下: U低=180*0.91.3 2250V單管供電問題研究 n

6、 由交流輸入供電改成直流輸入供電，IT設備的電源模塊整流橋路將變成單邊工作，原來兩只整流管同時工作的模塊，改成單管長時間工作，安全問題一直是人們擔心的。直流供電時單管長時間工作安全嗎？一、整流管工作電流是否在整流管規(guī)定的安全參數范圍？二、長期運行單管工作散熱量是否比雙管大？圖 4.1 交流輸入時整流管電流波形 t T/6 T/3 T/2 2T/3 5T/6 T t i 圖 4.2 直流輸入時整流管電流波形 0.7I n電流計算電流計算n通過測試, IT設備二次電源基本上是一個恒功率設備. n當交流220V供電時,它的等效直流電壓為200V.如果將交流220V改為直流260V供電, 相當于電壓提

7、高了30%, 也就是說,此時的輸入電流下降了30%. 設交流額定輸入時,電流為I, 則直流輸入時, 電流為0.7I。 安全問題，結論安全問題，結論1： 高壓直流供電整流管工作電流比交流供電時小！高壓直流供電整流管工作電流比交流供電時小！ 安全問題，整流管熱量計算安全問題，整流管熱量計算n 熱量計算熱量計算 根據熱量計算公式: t K：電能轉換成熱能系數； R：整流管等效電阻 t：電流通過的時間 設一個周期時間為T 則，交流輸入時，單個整流管在一個周期內平均熱量: （33）（T/6）/T 1.5（） 直流輸入時: （0.70.7）TT （0.49II） 顯然, 當整流管等效電阻當整流管等效電阻R

8、 R一定時一定時, , 整流管長期工作時整流管長期工作時, , 發(fā)熱量只有發(fā)熱量只有交流輸入狀態(tài)下的交流輸入狀態(tài)下的1/3 .1/3 .安全問題單管供電，發(fā)熱量小安全問題單管供電，發(fā)熱量小n 整流管等效電阻R也不是一個常數 ,根據二極管的伏安特性，直流輸入狀態(tài)下的R也比交流輸入狀態(tài)下R小 。結論2：交流輸入狀態(tài)下二極管發(fā)熱量比直流輸入至少大于3倍。n長時間單管直流供電安全嗎？ 工作電流小，發(fā)熱小 結論：安全！安全！使用情況使用情況200710200710月江蘇鹽城開始高壓直流供電試驗月江蘇鹽城開始高壓直流供電試驗n 2007年1月開始，中國電信鹽城分公司開始試驗高壓直流供電，從辦公PC機逐步擴

9、展到服務器、網絡設備（二層交換機、三層交換機、光纖交換機、防火墻等）、磁盤陣列、小型機、營業(yè)廳票據打印機等600600多臺，基本覆蓋了分公司全部機型。n 鹽城公司從2008年6月份起，凡新裝IT設備，全部使用高壓直流供電，目前已替換了七套UPS系統，現場裝表測量，安全性優(yōu)于安全性優(yōu)于UPS,UPS,節(jié)能節(jié)能25%25%以上。以上。解決UPS供電可靠性問題節(jié)能提升供電效率高壓直流替代UPS使用情況使用情況23套高壓直流供電系統在線運行套高壓直流供電系統在線運行公司機房名稱主要負荷名稱及容量改造前原UPS供電情況高壓直流設備（標稱電壓240V，浮充270V）鹽城 多個數據核心機房 計費系統等多個I

10、T業(yè)務平臺 能耗大,安全隱患多艾默生、中達、中恒、動力源等8套設備徐州環(huán)城路局號百機房臺席150、2層和3層交換機8臺、服務器和其他設備15臺APC SL60KH（1+1）故障頻發(fā)中達開關電源30KVA 2套銅山路局數據核心機房（MS 和SHLR）服務器7架、其他設備3架APC SL40KH （1+1）故障頻發(fā)中達開關電源20KVA 2套無錫北塘分局數據核心機房江蘇省號百平臺服務器16架等梅蘭60KVA1+1系統，艾默生60KVA1+1系統中恒開關電源40KVA 3套大浮電信支局IDC客戶托管機房客戶服務器30架電信路由器4臺愛克塞9390 80KVA2臺160KVA 1臺中恒開關電源80KV

11、A 2套常州朝陽路局綜調中心機房臺席70、2層和3層交換機6臺、服務器和其他設備5臺索克曼UPS30KVA使用10年，故障頻發(fā)，隨時出現阻斷。中恒開關電源20KVA 1套文化宮路局數據機房網絡視訊服務器6架梅蘭日蘭UPS2+1并機，3臺200KVA UPS使用10年中恒開關電源30KVA 1套揚州東大樓網管網管APCUPS中恒開關電源90A1套南京漢中門局小靈通及網管設備APC40KVA,超齡使用故障頻發(fā)伊頓（愛克賽）1套連云港解放路168機房168平臺20KVAUPS故障頻發(fā)中恒開關電源40A 2套使用情況節(jié)能效果好、安全性高使用情況節(jié)能效果好、安全性高n 采用標稱電壓為240V的高壓直流電

12、源替代交流UPS向IT設備供電，不需要對IT設備內部改造，不需要對IT設備輸入接口改造，在保障通信安全、降低運行能耗、節(jié)約建設成本、操作維護簡單等方面比UPS供電系統具有很大優(yōu)勢。該項目通過現場試驗，每套系統均節(jié)能2030%。 使用情況：解決了哪些問題使用情況：解決了哪些問題n適應性強，240V直流供電系統能夠支持IT設備的主要電源標準（ATX、SSI標準）個案：CRT顯示器變色、激光打印機（熱量不夠，墨烤不干）n供電系統可靠性大大提高，240V系統最長使用2年，目前所有系統運行穩(wěn)定，解決了UPS系統故障頻發(fā)、系統阻斷問題分散供電模式蓄電池直接向負荷供電擴容方便，可維護性強n不存在“零地”電壓

13、差問題n節(jié)能效果明顯徐州節(jié)電27%，無錫節(jié)電30%n節(jié)省投資40%以上，減少超前投資50%以上n全部采用國產電源設備IT設備高壓直流供電取代UPS是明顯的趨勢實驗結論實操注意事項和存在問題實操注意事項和存在問題 供電系統全程采用雙級保護，即正極和負極均需要安裝空開或熔絲等保護器件。 綜合集裝架內一律取消插座。 取消保護接地就近接地的習慣，直流供電系統范圍內全部采用三芯線。 IT設備供電電源“通、斷”避免使用設備上的鈕子開關，應采用綜合集裝架分配單元上的空開控制。 少量IT、IP設備電源輸入正負極需要現場調整。高壓直流安全方面的技術措施高壓直流安全方面的技術措施 n 1.1.高壓直流系統及配電設

14、計高壓直流系統及配電設計1）前后級配置，采用熔斷器和空開組合方式； 整流器蓄電池直流屏或頭柜IT機柜圖一、前后級配置示意圖高壓直流安全方面的技術措施n 末端控制采用雙級空開與單級空開組合方式；總空開采用雙級直流空開，單級空開可以采用交流空開或直流空開；見圖二、KzK1K2KnK3圖二、末端控制方式示意圖IT設備電源插頭綜合集裝架高壓直流配電單元 n 各種情況下應不用插座連接，每個IT設備的電源模塊均需要對應一個單級空開控制，一臺IT設備有多個模塊時，必須采用多路空開控制，同時多路空開中盡可能來自不同的電源系統或來自不同的末端分配單元；見圖三、KzK1 K2KnK3KzK1K2KnK3圖三、多電

15、源IT設備供電示意圖模塊一模塊三模塊二模塊四電源1（或分路1）電源2（或分路2）高壓直流安全方面的技術措施高壓直流安全方面的技術措施n 各種情況下不應采用空開串聯方式接入系統，避免降低供電可靠性；n IT設備電源模塊帶有開關時，保持開關在ON狀態(tài)，見圖四 圖四 IT設備接入單極控制方式示意圖(1) IT設備電源插頭 （2）IT設備電源控制開關 （3） 電源頭柜空開(3)ONOFF(1)(2)IT設備電源頭柜 高壓直流系統安裝割接注意事項n 準備工作：現場測試，系統總電流和各機架總電流，估算高壓直流系統的放電能力，配置適合的熔斷器、空開；n 制作臨時分配單元、輸入和輸出正負極性對調的臨時線，準備

16、好不同物理形狀插頭的電源線。（目前在網運行的至少有3種，大量的是梯形的，大功率的IT設備是矩形的，部分小型機采用梯形帶凹槽）n 采用一路空開控制多路插座插入多個IT電源模塊的，考慮割接后采用一路空開控制一個電源模塊的配電方式；n 高頻開關電源交流輸入盡可能均分成兩路輸入。不提倡采用雙電源切換裝置，避免增加維護難度 ；n 對小功率設備割接時，因為內部沒有軟啟動電路，應把供電系統浮充電壓調到260V，防止設備開機時產生故障，待全部設備割接完成后，浮充電壓再調回到正常值270V左右；n 對于雙電源輸入的IT設備，割接前要檢查電源模塊是否雙配置，如果是只配置了一個模塊，應按照單電源IT設備處理，先人工

17、關機，再割接電源。n 系統割接完成后，應做一下放電試驗，重點檢查從浮充轉放電時的電壓下降幅度，正常情況下，瞬間電壓下降幅度應不大于20V。 負載加載測試準備內容n 凡是服務器一類設備不需要靜態(tài)測試，只需要通電測試，觀察是否支持高壓直流供電；n 凡是2008年以后出廠的各種設備不需要靜態(tài)測試；n 對配套IT設備使用的小型設備，通電前用模擬萬用表電阻檔測量電源輸入端電阻，阻值在幾十到幾百歐之間，表明該設備不能使用高壓直流，阻值在幾十千歐以上可以通入高壓直流開機；n 設備送電操作順序，系統部份由前向后依次送電，開關電源蓄電池直流屏（或頭柜）綜合集裝架總空開；IT設備末端控制由后向前依次送電，IT設備

18、插頭連接IT設備開關ON（部分設備沒有開關）末端分配單元分路空開；已被驗證的負載已被驗證的負載n 見采用高壓直流供電的設備清單n 其中普通PC機有30多種品牌和筆記本有10多個品牌未統計，因為普通PC機不論何種型號，均采用ATX標準制造，凡采用ATX標準的設備全部支持高壓直流，換句話說，PC機全部支持高壓直流，筆記本有功率大小之分，無論何種筆記本都支持高壓直流，特小的筆記本有可能采用半波整流，可能會出現正負極性對調問題。另外，液晶電視、非變壓器的手機充電器、掌上電腦充電器、MP3充電器、機頂盒電源、VCD、功放等也支持高壓直流。n 現代通信大量使用的EPON和GPON設備，不論哪個廠家的產品、不論哪個品牌的產品，全部支持高壓直流?？傊捎诟哳l開關電源技術的廣泛使用和便于工業(yè)化生產以及開關電源成本低于變壓器電源等因素，使得高壓直流直接應用于原本需要交流220V供電的場景更多、設備類型更多、范圍更廣。 通信用240V直流供電系統技術要求已經頒發(fā)n 09年12月1日，由TC4、中國電信提出的通信用240V直流供電系統技術要求YDB 0372009 通過工信部審查，12月10日頒發(fā)。26n 已引起通信電源行業(yè)的廣泛關注，產業(yè)鏈支持不存在問題高頻開關電源眾多廠家有電力操作電源產品系列；產品技術要求規(guī)范、明確現場試驗包括：中達電通、