240V高壓直流電源在航天通信系統(tǒng)中的應用探討

2018-04-03 16:34:39 電氣技術　點擊量：評論 (0)

航天通信中心的研究人員劉棟梁，在2017年第12期《電氣技術》雜志上撰文指出，航天通信系統(tǒng)對電源的安全性、可靠性提出了極高的要求。近年來

航天通信中心的研究人員劉棟梁，在2017年第12期《電氣技術》雜志上撰文指出，航天通信系統(tǒng)對電源的安全性、可靠性提出了極高的要求。近年來240V高壓直流供電系統(tǒng)以其安全性、可靠性以及投資和節(jié)能方面的巨大優(yōu)勢，已經在國內IT設備供電方面得到廣泛推廣應用。

本文結合航天通信系統(tǒng)電源的現狀，對高壓直流供電技術的可行性和應用技術要點進行了分析，并提出了在航天通信系統(tǒng)中推廣應用的建議。

航天事業(yè)擔負著特殊的國家使命。由于航天通信系統(tǒng)的專用性和保密性特點，特別是較高的時效性要求，通信電源的可靠性是航天通信部門首要考慮的問題，是通信系統(tǒng)安全運行的重要保證。

當前，航天系統(tǒng)各通信局（站）普遍采用UPS系統(tǒng)作為IT設備的主用電源，它克服了因市電中斷而導致的系統(tǒng)中斷。但是，UPS自身、甚至并機冗余系統(tǒng)的故障導致網絡通信事故也時有發(fā)生，已產生較大的社會影響和相當的經濟損失（見參考文獻①）。

240V高壓直流供電系統(tǒng)（HVDC）作為一項簡單、可靠的技術，其減少了電力轉換環(huán)節(jié)，供電可靠性和效率大大提高，受到了業(yè)界的廣泛關注。航天通信部門應積極跟蹤電源科技的發(fā)展變化，關注應用實踐中的探索成果，將新技術轉換為新應用，提升航天通信系統(tǒng)的可靠性水平。

1 UPS系統(tǒng)的不足

UPS是IT設備電源保障的主流設備。有些通信局（站）利用-48V蓄電池組資源與逆變器組合，來提升IT設備的供電保障等級，為非主流用法，產品較少。

圖1為UPS的構成圖。在線式UPS運行的工作過程為整流（AC/DC）—浮充—逆變（DC/AC）—輸出；市電中斷時360V蓄電池組經逆變電路保障IT設備的電能供給；UPS故障時，將維修開關轉入市電旁路維持供電。

圖1 UPS的構成

圖2為逆變電源的構成圖。相對于UPS來說，其特點是利用傳統(tǒng)通信局站已有的-48V蓄電池組和整流設備，配置逆變器即可。該系統(tǒng)適用于小容量不間斷交流供電，為減少整流設備的負荷，采取旁路運行模式。

圖2 某航天通信局逆變電源的構成

如圖1、圖2所示，二者從輸入端到輸出端都經歷整流—浮充—逆變—輸出的過程，轉換環(huán)節(jié)較多。系統(tǒng)均存在如下問題：①存在單點故障的可能，系統(tǒng)可靠性不高；②并聯(lián)運行時（并機冗余系統(tǒng)）負載率低；③維護難度大，對廠家的依賴度較高；④轉換效率低。

2 240V高壓直流供電系統(tǒng)的優(yōu)勢

240V高壓直流供電系統(tǒng)有著技術成熟、可靠性高、維護操作簡易、轉換效率高、在線擴容簡單等優(yōu)點，通信業(yè)界一直在探討采用高壓直流系統(tǒng)來代替UPS系統(tǒng)。240V高壓直流供電系統(tǒng)具有明顯技術優(yōu)勢和價格優(yōu)勢，且能在沿用現有的IT設備的前提下推廣使用，因此得到了各級部門的廣泛重視和支持。

2.1 系統(tǒng)構成簡單

圖3為240V高壓直流供電系統(tǒng)構成圖。由圖中可以看出，原理、架構與傳統(tǒng)通信局（站）的-48V直流供電系統(tǒng)完全相同，而后者的可用性及可靠性均得到數十年運行的檢驗。因此，該系統(tǒng)易于維護，對廠商的依賴度降低；負載率高且易于擴容；運行效率高；直流母排是電池組、整流器、負載的共同匯結點，系統(tǒng)可靠性高。

圖3 240V高壓直流供電系統(tǒng)的構成

2.2 供電配電簡便

圖4為240V高壓直流供電系統(tǒng)圖（通信行業(yè)標準YD/T 2378-2011圖A.1）。由圖中可以看出，電池組經熔斷器與整流模塊輸出端在總輸出屏構成輸出母排，系統(tǒng)兩路輸出（A路和B路），通過列頭柜配電，來滿足雙電源服務器的需求，而單電源服務器僅使用A路或B路。

圖4 240V高壓直流供電系統(tǒng)

系統(tǒng)采用2根電纜（＋、－極）、以懸浮方式由電源端向設備端供電；全系統(tǒng)機架外殼與樓層等電位體進行電氣連接。

2.3 系統(tǒng)投資減少

根據中國電信江蘇鹽城分公司統(tǒng)計數據，相對于新建UPS系統(tǒng)，采用240V高壓直流供電系統(tǒng)可平均節(jié)省投資超過40％，整個生命周期內平均節(jié)省電力20%～30%（見參考文獻③）。

3 HVDC應用的可行性分析

隨著電源技術的進步，IT設備的電源模塊早已采用高頻開關電源。這樣，240V高壓直流系統(tǒng)供電成為可能。

3.1 240V高壓直流的可用性

圖5為IT設備電源模塊交流電入口處的等效圖。由圖中可以看出，在傳統(tǒng)的工作環(huán)境下，AB間Ui為標稱的220V交流電；全橋整流后CD間Uo將獲得198～308V的直流電（視負載率大小和有無PFC－功率因數校正電路）。

市電電壓波動將引起整流電壓的波動。根據GB/T 12325-2003《電能質量供電電壓允許偏差》的規(guī)定，電壓偏差為標稱電壓的﹣10%、+7%，即198～235.4V，對應的整流電壓Uo為178.2～329.6V。可見，IT設備CD間工作電壓的范圍是較寬的。

當IT設備直接采用直流供電，如A端＋、B端－，Ui為DC270V（浮充電壓）時，將使得二極管2、4長期導通，另兩只1、3長期截止。二極管2、4等效為導體，CD間Uo約為270V的直流電。結論是：IT設備在AC220V或DC270V條件下完全等效工作。

圖5 IT設備交流電入口處等效圖

3.2 HVDC各種狀態(tài)下的輸出電壓分析

YD/T 2378-2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》要求，系統(tǒng)應采用鉛酸蓄電池組、并且應具有電池管理能力。鉛酸蓄電池的特性決定了電池組的電壓范圍，而是否在IT設備的承受范圍內是可用性研究的關鍵因素。現以國內某品牌電池為例，分析各種狀態(tài)下的輸出電壓。

1）浮充狀態(tài)。YD/T 2378-2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》要求，240V高壓直流電源的輸出電壓范圍是204～288V，全程允許最大壓降為12V，即IT設備的電壓承受范圍是192～288V。常態(tài)下，該品牌240V蓄電池組的浮充電壓為270V，滿足IT設備的電壓要求。

2）放電狀態(tài)。當遭遇長時間停電而又無后備手段時，蓄電池組放電的終止（保護）電壓為222V，高于IT設備工作電壓下限（204V）的要求。當然，現代通信局（站）應（都）具有后備電源和快速接續(xù)的能力。

3）均充狀態(tài)。該品牌240V蓄電池組的均充電壓為282V，低于IT設備工作電壓上限（288V）的要求。

由以上的參數分析可以得出結論：240V高壓直流供電系統(tǒng)各種狀態(tài)下的輸出電壓均可滿足IT設備的工作需要，且有一定的安全裕度。

3.3 建立了完善的標準體系

我國相繼發(fā)布了YDB 037-2009《通信用240V直流供電系統(tǒng)技術要求》、YD/T 2378-2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》、YD/T 2555-2013《通信用240V直流供電系統(tǒng)配電設備》、YD/T 2556-2013《通信用240V直流供電系統(tǒng)應用維護技術要求》、YD 5210-2014《240V直流供電系統(tǒng)工程技術規(guī)范》等系統(tǒng)性標準，為推廣240V高壓直流供電系統(tǒng)應用、逐步替代UPS電源系統(tǒng)奠定了扎實的基礎。

4 HVDC在航天通信系統(tǒng)中應用設想

近年來，業(yè)界對240V系統(tǒng)進行了廣泛的研究，三大運營商和多家著名IT企業(yè)已在多地建設了試驗性系統(tǒng)，通信設備制造商已有配套產品。更為重要的是，如上文所述，我國率先編制了相關的系統(tǒng)性技術標準。

航天通信各部門應積極借鑒通信行業(yè)HVDC的實踐經驗，高度重視系統(tǒng)建設或改造各環(huán)節(jié)的技術要點。秉承“嚴謹務實”的傳統(tǒng)精神和“穩(wěn)中求進”的工作作風，航天通信電源系統(tǒng)的技術進步將指日可待。

4.1 IT設備適應性的核查

如前所述，HVDC系統(tǒng)的應用是基于IT設備的電源變換采用了開關電源技術。對于舊有系統(tǒng)的供電改造，要高度重視IT設備適應性的核查環(huán)節(jié)。

核查至少包括以下項目：①IT設備電源回路不得有船型開關或紐子開關；②IT設備電源回路無并聯(lián)的感性元器件和串聯(lián)的容性元器件；③IT設備上不得有變壓器、交流電動機，如交流風扇等；④IT設備能夠在192～288V直流電壓范圍內正常工作。

240V高壓直流供電系統(tǒng)能滿足采用SSI和ATX規(guī)范電源模塊的IT設備。

4.2 系統(tǒng)建設中應關注的技術要點

IT設備采用直流電供電，顛覆了人們的一貫思維。隨著技術進步和建設實踐，系統(tǒng)已經相當成熟。但由于直流電的特性，系統(tǒng)建設中應關注以下技術要點。

1）系統(tǒng)容量的選擇。根據YD/T 2378-2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》的要求，系統(tǒng)供電宜采用分散供電方式，單個系統(tǒng)容量不宜超過600A。

2）配置絕緣監(jiān)察裝置。高壓直流電源系統(tǒng)屬于不接地系統(tǒng), 如果系統(tǒng)自身或輸電線路出現絕緣降低問題,絕緣監(jiān)察將發(fā)揮極為重要的作用（絕緣告警整定值15～30kΩ）。

3）系統(tǒng)對地懸浮。YD/T 2378-2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》規(guī)定，通信用高壓直流供電系統(tǒng)正、負極均不得接地，應采用對地懸浮供電方式；系統(tǒng)的交流輸入應與直流輸出電氣隔離，系統(tǒng)輸出應與地、機架、外殼電氣隔離。