本期微课有幸请到候福平老师给大家讲解神秘的高压直流技术。候老师现任中国电信股份有限公司广州研究院高级技术经理、高级工程师、中国通信学会高级会员、中国通信学会电源专业委员会委员、中国电源学会高级会员。中国通信标准化协会通信电源与通信局站工作环境技术工作委员会（TC4）第二工作组（WG2）组长、工业和信息化部通信电源专业情报网专家、广东省电源行业协会监事、广东省电源行业协会电源及电力电子专业技术委员会专家、《电信技术》杂志特邀技术顾问、《通信电源技术》编委会委员。候老师今天第一次给大家上这个微课，请大家轻点拍砖。

今天只讨论240V高压直流的一些技术问题，关于高压直流技术中其他电压等级的技术，我们将在后续的微课继续讨论。

 

1.240V直流供电技术简介

 

1.  定义：

在通信行业中，大家俗称的“高压直流（HVDC）”其实并不是真正意义上的“高压”（特别是和电力部分相比较），而是相对于48V而言的高于安全工作电压的直流供电。ITU把它称之为“高达400V的直流供电”（power feeding systems of up to 400 VDC）。通信系统用240V直流电源系统本身是一种高频脉宽调制的开关电源（其基本原理就是一种整流器，将交流转换为直流）。

2. 与48V直流电源系统的区别

相同点：工作原理相同；

不同点：1）电压等级不同，240V电源系统的标称输出电压为240Vdc，是-48V直流电源的5倍。也就是说在同样的输出功率下，其工作电流就只有-48V的1/5；2）240V直流系统回路是对地“悬浮”工作，即正负极均不接地。同时，要求正负极都要有断路器、熔断器等保护器件，还要求有绝缘监察技术和功能。

3. 为什么要使用240V直流供电

在通信网络和数据中心中应用240V直流供电技术，最主要的目的是：替代交流UPS系统，给原来使用交流220V供电的IT设备提供不间断供电，以提高供电的可用性，满足通信机房及数据中心内IT系统设备高可用度等级的不间断供电保障需求。确保信息通信网络的畅通。即：提高供电保障的可用性！

换而言之，如果不需要供电高可用性的IT设备，其实并不需要使用240V供电。允许供电中断的话，甚至也不需要交流UPS供电！

直接用市电，对于数据中心而言，是效率最高的，也就是最节能的。因此，选择240V直流供电技术应用时，首先应该关注它的高可用性，其次是它的兼容性和使用的安全性。至于它的节能能力，是一种“水到渠成”的效果，不必去刻意追求。

4. 原来使用交流220V供电的IT设备为什么能够用240V直流供电？

1）首先，信息通信网络使用的IT设备，无论是否使用交流380V/220V供电，其内部的CPU、PCB板等等，其实都是使用直流供电的。

2）计算机服务器等都需要有一个开关电源模块将市电进行转换成内部所需的各种电压等级直流。这些电源模块，一般都遵从ATX标准或SSI规范。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

可以直接使用直流电源输出的直流电流从原来的交流入口处直接接入用户设备供电，不必对原设备进行任何改动

从原理上来说：原来使用交流供电的电子设备，只要满足下列条件就可以使用直流240V供电：

• 电压、电流、功率适配

• 无单向开关元器件影响（整流）

• 无串联电容影响

• 无并联电感影响

• 无对频率或非线性波形的检测要求

通常，只要遵从ATX标准或SSI规范的IT设备，都可以采用直流240V供电。

话说回来，240V不是万能的，切记不能把什么负载都往240V电源上接，特别是感性负载！如交流电动机、电风扇等等。

  

2.关于240V直流供电技术的节能效果

 

 

@人行拉萨支行王炳刚提问：现有的服务器电源直流供电后能节能吗？节能公式是啥样子的？

1、怎样才是节能

节能与否是相对的，必须要看它的参照物是什么。服务器电源直流供电后能否节能，必须要先看它的供电保障要求和供电保障方式。

有人说效率高就节能。当然，效率最高的是直接使用市电，最节能的方式莫过于使用太阳能等非化石能源供电了。

2、对效率的认识

从提高效率的角度衡量节能效果，应该考虑整个供电全程的效率，而不仅仅是某个局部的效率。与交流UPS供电比较，采用直流供电对服务器电源本身并没有很大的节能效果；但由于供电系统的简化以及供电负载率的提高，可以有较好的节能效果。特别是它的供电可用性，也比交流供电有很大的空间。与其它电压等级的直流供电系统比较：局部来看，有些局部可节能，有一些局部可以省钱。但240V直流供电技术整体效果是最协调的。

3、要正确理解“节能”与“节钱”的关系

节能并不一定节钱，有时候甚至要更花钱！要想清楚，您是想节能还是想节钱！因此，节能是有一定的底线和原则的.节能与否是相对的，必须要看它的参照物是什么。服务器电源直流供电后能否节能，必须要先看它的供电保障要求和供电保障方式。有人说效率高就节能。当然，效率最高的是直接使用市电，最节能的方式莫过于使用太阳能等非化石能源供电了。

汪老师点评：节能是相对的，如服务器直接采用交流220V供电，供电能效就是1，但系统不安全。为安全必需增设UPS系统，但UPS是一个转换再转换的过程，效率不可能等于 1，所以供电系统能效一定是小于1。

因此，是否节能是与供电可用性息息相关的！

 

3.关于240直流供电对负载的适应性

 

 

@九江银行余想提问：我们实际用发现，EMC高端存储用直流供电会有故障，加个逆变器就ok。

1、240V直流供电技术的兼容性

我们可以从必要性和充分性两方面来讨论这个问题。

1）必要性：前面已经谈过，240V直流供电技术本身就是为原使用交流220V的IT设备供电的，故兼容性能是其中系统设计的一个重要因素。否则，也就没有必要采用这种电压等级的直流供电技术了。充分性：从原理来说，240V直流供电技术的工作电压范围是在192Vdc到288Vdc完全可以涵盖在交流220V的工作电压范围内。原使用交流220V的IT设备也是可以采用240V直流供电的。因此，从原理上说，只要能够使用交流220V的IT设备，就都能够使用240V直流供电。当然，在实际应用中，能够得到IT设备厂家的支持，明确IT设备能够兼容使用交流220V和直流240V，肯定是最好的！

汪老师点评：如果在服务器上应用直流，首先应考虑服务器的安全性。我是这么理解的：现在服务器的电源适配已经是开关电源，对于交流供电必须要经过整流器把它变成直流并暂时存储在直流电容中，如直流供电能满足这个条件，服务器直流供电就能成立。实际暂时存储电压的直流电容上的电压是允许有一定范围的波动。

如果服务器是宽电压交流输入，100VAC到240VAC，多数服务器出厂名牌是这么标注的。也就是说服务器输入的直流电压可以在141～339VDC都能满足电源适配器整流器后的电容上的直流电压。就拿220VAC来说，电源输入国家标准允许波动是±10%，也就是说输入电压从198VAC到242VAC都被允许，电源适配器可以正常工作。

2）充分性：从电源系统的角度看，240V直流电源的工作电压已经超过安全工作电压（36V），故应该按照交流220V/380V电压等级的安全操作要求去使用。从工作电压的角度看，其实，240V只是一个电压的标称值（和48V直流一样）。实际上平常的工作电压是按照蓄电池组的浮充电压（2.23V/cell-2.27V/cell）来确定的，一般为267.6V；最高工作电压是根据蓄电池组的均充电压（2.35V/cell-2.40V/cell）来确定的，一般为282V。系统工作电压范围为192V-288V。可得出结论：其工作电压范围是可以涵盖在交流220V的工作电压范围内，最高也没有超过220V的上限。

2、实际应用情况

运营商从2012年开始，所有集中采购的IT设备都要求厂家承诺能够兼容使用240V直流供电。而数据中心提供商由于使用量大，用于直流供电系统的服务器设备其实也不一定是合同定制设备，但肯定也是要提供商明确能够用240V直流供电的，当然也就能够百分之百保证在直流供电系统中不会出现问题。这肯定更有利于240V直流供电技术的发展，也可以减少实际应用中出现的麻烦。实际应用中统计过，在通信网络和数据中心中，至少超过95%的设备是可以使用240V直流供电的。我本人这么多年，也只实际遇到有一款国外某品牌小型机，从外观上看是真三相380V供电的（三相三线），是真正无法确认能够用240V直流供电，原因大家都能明白。在实际使用不能直接使用240V供电的案例虽然很少但肯定会有，具体的情况需要具体分析。无外乎是不满足前面论述过的可用原理，更多的是一些“人为”的限制。

汪老师点评：云计算数据中心直流应用主要是搭建云计算，也就是耗电最大的那一块应用，一个商业应用服务器量也要在13000到15000台，所以定制服务器也是必须的。

 

4.关于直流供电系统的供电结构

 

 

@深圳华润刘济胜提问：高压直流系统2n的实现方式和必要性

所谓“2N”是指采用两套电源供电系统、完全独立的两套物理路由的“双系统双路由供电”方式，在交流UPS供电系统中常见，被公认为是目前最高等级的一种供电保障方案。其供电可用性一般可以达到所谓的6个9。

从原理上来说，直流电源系统也是可以采用“2N”的方式供电的。

但实际上，直流供电技术的供电可用性要比交流UPS供电可靠得多，并不必采用“2N”方式。这在通信行业长期使用的48V直流供电系统应用以及这几年240V直流供电系统应用的大量应用案例已经得到证明。

究其原因，可以认为是由于直流电源系统的蓄电池组是直接挂在输出母线上的，相当于是一套电子电源（整流电源）和一套化学电源（蓄电池组）并联后给负载供电，其可用性甚至高于两套电子电源。按照理论推算，只要单套电源系统、完全独立的两套物理路由（单系统双路由供电）方式，其供电可用性即可高达10个9！

因此，再采用“2N”方式供电来提高供电可用性的意义就不大了。另外，我们通信上用的-48V直流电源系统由于是一个正极接地的共地系统，如果采用“2N”方式，相当于两套直流电源并联在一起给负载供电。由于存在电压差，非常容易产生系统间的环流，导致控制紊乱及相互干扰，反而造成供电不正常。故通信网络中要求直流电源系统的双路供电为单套电源系统、完全独立的两套物理路由（单系统双路由供电）方式，不采用“2N”方式。240V直流供电系统虽然在服务器的电源模块双路供电是隔离的，如下图：

但也不能排除容易产生环流的因素和可能。综上所述，240V直流供电系统若采用“2N”方式，没有什么好处，反而会有隐患。基本上没有什么必要。

 

5.现场问答

 

  

 

问题1：某些高端EMC服务器不能使用高压直流供电，请问如何验证哪些服务器可用？

答

 

 

所说的EMC高端设备不能使用240V直流供电的问题，我初步猜测是因为有输入电源的频率检测功能。即认为输入的电源中检测不到50Hz，就认为不正常。如要确认，只要可以用“IT设备240V直流测试平台”测试一下就一清二楚了。

 

问题2：“IT设备240V直流测试平台”的作用是什么？可以测那些？

答

 

“IT设备240V直流测试平台”是专门用于确认原使用交流220V供电的设备是否可以使用直流240V供电。实际上就是在线下对IT设备使用240V直流供电的适应性测试，确保设备能在240V正常使用。其具体功能及操作方法说明可以参考《通信用240V直流供电系统》中第12章的相关内容。

建议每一批次的同类设备，或者有疑问不能肯定的设备，在上架投入使用前，最好用“IT设备240V直流测试平台”测试一下，全面了解这些设备的240V直流供电的适用性情况，做到心中有数。具体说明可以参考《通信用240V直流供电系统》中第12章的相关内容。 

所说的EMC高端设备不能使用240V直流供电的问题，我初步猜测是因为有输入电源的频率检测功能。即认为输入的电源中检测不到50Hz，就认为不正常。如要确认，只要可以用“IT设备240V直流测试平台”测试一下就一清二楚了。   

 

问题3：候老师您说采用高压直流一个原因是为了代替UPS系统，提高可用性，难道UPS系统不安全吗？

答

 

UPS不是不安全，而是供电的可用性低于直流。可用性包括可靠性及可维修性哦！

 

问题4：既然高压直流这么可靠，像银行系统的数据中心为什么会很难接受？

答

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我认为这是因为参照物不一样。银行系统少有使用直流供电的，他们对供电可用性的期望值是与市电进行比较的。只要市电停了，能供电就可以了。如果交流UPS也保不住，那就是天灾人祸了。

‍‍而通信运营商是以48V直流作为参照的。如果48V直流供电的设备没有掉电，而交流UPS供电的设备掉电了，那还是你电源的问题！

汪老师补充：银行数据中心为什么比较少用直流供电技术呢原因还有另外几个:1.银行数据中心体量较小，采用直流供电系统从前期投资和回收方面来考虑不经济；2.银行业数据中心考虑安全因素比经济因素更多，采用直流供电技术节能空间有限；3.运营商数据中心有直流供电的基础，采用直流供电技术显得更加容易。   

 

6.本微课参考文献

 

 

本文观点主要参考以下文献： 

1.《通信用240V直流供电系统》

2.《通信机房节能技术应用综述》

3.《中国电信节能技术与应用蓝皮书 第一部分：通信机房节能技术总则》

4.YD/T 2435.1-2012《通信电源和机房环境节能技术指南第1部分：总则》 

 

小编

 

       本期微课感谢候老师，感谢汪老师！让我探索了神秘的240V直流供电系统。欢迎大家拍砖。本期微课到此结束，期待下一期的知识分享！