HVDC和UPS在通信中的應(yīng)用 - 全文

　　摘要：文章通過對傳統(tǒng)UPS( Uninterruptible Power Supply，不間斷電源) 供電模式與HVDC( high-voltage direct current，高壓直流) 模式的對比分析，指出采用HVDC 供電可以有效地改善機(jī)房供電質(zhì)量，并以低投資、高可靠性、低運(yùn)營成本等優(yōu)勢逐步成為運(yùn)營商機(jī)房一種新的供電模式。

　　隨著通信機(jī)房UPS 供電系統(tǒng)的安全運(yùn)行越來越受到業(yè)內(nèi)人士的重視，同時(shí)也是維護(hù)人員最為擔(dān)心的重要環(huán)節(jié)。通信行業(yè)數(shù)據(jù)機(jī)房一般采用UPS 電源系統(tǒng)供電。部分通信運(yùn)營商開始探索和分析通信設(shè)備采用HVDC 供電的可行性，并取得階段性成果。HVDC 供電系統(tǒng)以低投資、高可靠性、低運(yùn)營成本等優(yōu)勢逐步成為通信運(yùn)營商機(jī)房一種新的供電模式。本文就通信運(yùn)營商機(jī)房采用HVDC 供電系統(tǒng)做了一些探討分析。

　　1 UPS 供電系統(tǒng)和-48 Vdc 系統(tǒng)存在的缺陷

　　1. 1 UPS 供電結(jié)構(gòu)逆變器可靠性低

　　UPS 供電系統(tǒng)如圖1 所示，其可靠性模型見圖2。

　　眾所周知，DC /AC 是UPS 中成本最高、可靠性最低的環(huán)節(jié)。根據(jù)當(dāng)前設(shè)備可靠性水平，電池的可靠性Rb =0. 99，而UPS 中DC /AC 的可靠性Ri = 0. 90，靜態(tài)開關(guān)STS 的可靠性Rs = 0. 99，根據(jù)圖2 可計(jì)算出UPS 備用能源的供電可靠性：

　　R = RbRiRs = 0. 99 × 0. 90 × 0. 99 = 0. 88

　　可見，UPS 備用能源在系統(tǒng)中的可靠性比電池本來具備的可靠性降低了很多。

　　圖1 UPS 供電系統(tǒng)圖

　　圖2 UPS 備用能源可靠性模型

　　1. 2 UPS 系統(tǒng)整體利用率低

　　UPS 冗余系統(tǒng)的每一路輸入配電都有可能是主用，其中任何一臺(tái)UPS 都必須能夠帶起全部負(fù)荷。雙機(jī)冗余UPS 系統(tǒng)負(fù)荷率< 35 %。UPS 輸出三相不平衡，直接導(dǎo)致UPS 降容使用，存在單機(jī)利用率低的缺點(diǎn)。

　　UPS 輸入配電除主路外，其它輸入配電處于空載待用，使用效率很低，機(jī)房前期建設(shè)投入大和負(fù)荷規(guī)劃浪費(fèi)，而且后期系統(tǒng)擴(kuò)容難度大。

　　UPS 帶來供電系統(tǒng)諧波分量增加，導(dǎo)致變壓器利用率下降、柴油發(fā)電機(jī)支撐能力削弱，影響到整個(gè)供電系統(tǒng)的安全性、利用率。

　　并聯(lián)UPS 之間不可能消除環(huán)流問題，還增加了UPS 的無功損耗，降低了系統(tǒng)的可靠性。

　　1. 3 UPS 應(yīng)急保障和可維護(hù)性差

　　UPS 在線維修復(fù)雜、在線擴(kuò)容困難、割接難度大，不同設(shè)備型號(hào)、不同系統(tǒng)間無法實(shí)現(xiàn)互為冗余，逆變、濾波電容等關(guān)鍵器件更換困難。

　　若UPS 逆變器發(fā)生故障，系統(tǒng)將轉(zhuǎn)向旁路供電，但對于某些通信負(fù)載，低質(zhì)量的市電可能對設(shè)備的安全運(yùn)行帶來嚴(yán)重故障隱患，而且后備蓄電池組被隔離開，起不到保護(hù)作用。

　　1. 4 -48 Vdc 系統(tǒng)無法滿足大功耗通信機(jī)房要求

　　近年來由于數(shù)據(jù)通信的發(fā)展非常迅速，機(jī)房耗電量越來越大，目前單機(jī)架功耗增加很快，某通信機(jī)房實(shí)測單機(jī)架功耗達(dá)9 ～ 12 kW/架，有些單機(jī)架高達(dá)31kW 左右! 如果仍然采用- 48 Vdc，由于供電電壓低，與高壓240 Vdc( 中國通信標(biāo)準(zhǔn)化協(xié)會(huì)《通信用240 V直流供電系統(tǒng)技術(shù)要求》將240 V 確定為通信行業(yè)高壓直流供電系統(tǒng)的標(biāo)稱電壓值) 相比，根據(jù)P = IU，同樣的功率，其電流是240 Vdc 的240 /48 = 5 倍。

　　對于同樣功率大小，電壓低時(shí)，電流增大。而對于電纜損耗P = I2R，同樣的電纜( 電纜線阻一樣) ，線損與電流的平方成正比。為了達(dá)到同樣的損耗水平，則需要大幅度增粗電纜線徑。例如，100 kW 的功耗，當(dāng)用48 Vdc 時(shí)，電流I1 = 100 kW/48 = 2 083 A，當(dāng)采用240 Vdc 時(shí)，電流則為：

　　I2 = 100 kW/240 = 416. 6 A

　　粗電纜，成本增加; 大電流，意味著發(fā)熱量大，發(fā)熱量大意味著需要更多的空調(diào)來制冷。

　　2 HVDC 替代UPS 的可行性分析

　　2. 1 HVDC 取代傳統(tǒng)UPS 的優(yōu)勢

　　傳統(tǒng)UPS 供電原理圖如圖3 所示。HVDC 供電原理圖如圖4 所示，比傳統(tǒng)的UPS 少一個(gè)DC /AC 逆變器及服務(wù)器機(jī)架內(nèi)部的AC /DC 整流器，這樣大大提高了供電系統(tǒng)的效率，從而降低供電系統(tǒng)的發(fā)熱損耗，發(fā)熱損耗的降低也減少了空調(diào)的配置。通過HVDC 供電方式的應(yīng)用可以比采用UPS 供電節(jié)約電能10 % ～20 %。

　　圖3 傳統(tǒng)UPS 供電原理圖

　　圖4 HVDC 供電原理圖

　　2. 2 投資建設(shè)成本分析

　　由表1 可見，投資建設(shè)100 kW 系統(tǒng)：應(yīng)用HVDC電源系統(tǒng)比傳統(tǒng)型UPS 低66 %。

　　表1 傳統(tǒng)UPS 和HVDC 電源建設(shè)投資成本分析對比

　　2. 3 占用機(jī)房面積分析

　　由表2 可見，100 kW 電源系統(tǒng)占用機(jī)房面積：HVDC 電源比傳統(tǒng)UPS 少24. 22 %。

　　表2 傳統(tǒng)型UPS 和HVDC 電源占用機(jī)房面積對比

　　2. 4 運(yùn)營成本分析

　　由表3 可見， 100 kW 系統(tǒng)運(yùn)營成本： HVDC 電源系統(tǒng)比傳統(tǒng)UPS 低16. 22 %，年節(jié)省26. 91 萬元。

　　表3 傳統(tǒng)型UPS 和HVDC 電源運(yùn)營成本分析對比

　　2. 5 節(jié)能分析

　　當(dāng)前，節(jié)能減排的觀念已經(jīng)深入人心。而因?yàn)楦邏褐绷鞴╇娤到y(tǒng)所具有的高效率，其在節(jié)能方面也會(huì)得到普遍認(rèn)可。以一個(gè)10 kW 的數(shù)據(jù)設(shè)備為例，可以通過以下兩組數(shù)據(jù)說明這一點(diǎn)。

　　( 1) 傳統(tǒng)UPS 供電系統(tǒng)

　　數(shù)據(jù)設(shè)備功耗： 10 kW;

　　數(shù)據(jù)設(shè)備整流損耗( 75 %效率) : 3. 33 kW;

　　UPS 損耗( 85 %效率) : 2. 35 kW;

　　UPS 輸入功耗即為15. 69 kW;

　　若空調(diào)功耗取UPS 輸入功耗的0. 4，其空調(diào)功耗為6. 27 kW;

　　合計(jì)功耗： 21. 96 kW;

　　每年能耗： 192376 kWh。

　　按0. 8 元/度計(jì)算電費(fèi)，每年需153 901 元人民幣的電費(fèi)。

　　( 2) HVDC 供電系統(tǒng)

　　數(shù)據(jù)設(shè)備功耗： 10 kW;

　　數(shù)據(jù)設(shè)備變換損耗( 88 %效率) : 1. 36 kW;