5G網(wǎng)絡(luò)云機(jī)房高壓直流供電技術(shù)分析

盧良生

（中國移動通信集團(tuán)廣東有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510335）

0 引 言

5G網(wǎng)絡(luò)云機(jī)房底層硬件包括可彈性的計算、存儲、網(wǎng)絡(luò)以及安全設(shè)備，即硬件資源池。上層軟件采用NFV技術(shù)生成虛擬機(jī)（VM），安裝虛擬網(wǎng)絡(luò)功能（VNF）部署5G核心網(wǎng)。虛擬機(jī)技術(shù)相較于物理服務(wù)器更簡單高效，但對供電系統(tǒng)提出了更高要求。高壓直流供電系統(tǒng)作為一種新型供電方式，系統(tǒng)簡易且可擴(kuò)容性高，可為網(wǎng)絡(luò)云機(jī)房提供穩(wěn)定持續(xù)的電力，能滿足網(wǎng)絡(luò)云機(jī)房的使用需求。

1 高壓直流供電系統(tǒng)原理

1.1 供電原理

高壓直流供電系統(tǒng)與48 V供電系統(tǒng)較為相似，同樣由蓄電池組和并聯(lián)整流器組成，如圖1所示。運(yùn)行過程中，借助整流器將市電交流電轉(zhuǎn)化為260 V直流電，以滿足設(shè)備供電需求，為蓄電池充電。市電停電時，設(shè)備可借助蓄電池持續(xù)運(yùn)行，不會受到影響。長時間停電情況下，備用發(fā)電機(jī)組繼續(xù)供電，能夠?yàn)闄C(jī)房提供輸入電[1]。實(shí)際應(yīng)用中，5G核心網(wǎng)云計算中心一般為一類市電供電，且5G核心網(wǎng)業(yè)務(wù)采用云化部署和分區(qū)部署，所以正常情況下單區(qū)斷電甚至單硬件資源池斷電不影響5G業(yè)務(wù)感知。因此，高壓直流后備蓄電池組供電時長需在可靠性和經(jīng)濟(jì)性中取得平衡。運(yùn)營商正式商用的網(wǎng)絡(luò)云機(jī)房中，高壓直流供電系統(tǒng)的后備蓄電池組供電時長一般為0.5 h甚至0.25 h，以便有效節(jié)約蓄電池的投資和機(jī)房的空間資源。

圖1 高壓直流供電系統(tǒng)

1.2 網(wǎng)絡(luò)云機(jī)房供電可行性

電源技術(shù)發(fā)展背景下，高壓直流供電因拓?fù)浔憬莺蛿U(kuò)容簡單獲得了人們的廣泛歡迎。

高壓直流供電具有如下諸多優(yōu)點(diǎn)。

（1）可靠性高。整流模塊輸出蓄電池和負(fù)載端并聯(lián)，停電后為負(fù)載直接供電，可保證供電的連續(xù)性。此外，直流輸出難以被諧波干擾。

（2）高效低能。運(yùn)行過程中，UPS系統(tǒng)為設(shè)備供電需逆變，直流供電則無需如此。直流供電減少5%的耗損且沒有諧波耗損，提高了電源效率，節(jié)能10%～15%[2]。直流電源以模塊設(shè)計為主，將每一個模塊以并聯(lián)模式連接，提高了80%的利用率。

（3）不存在“零地”電壓干擾。直流輸入無零線，自然沒有“零地”電壓，避免了系統(tǒng)出現(xiàn)不明故障。

（4）擴(kuò)容便捷。直流供電為模塊化結(jié)構(gòu)，僅需添加相應(yīng)模塊即可實(shí)現(xiàn)單機(jī)擴(kuò)容，且直流輸出無頻率和相位情況，多機(jī)并聯(lián)更簡便，可實(shí)現(xiàn)電源并機(jī)。

負(fù)載設(shè)備內(nèi)部電源為獨(dú)立電源模塊，盡管設(shè)備以交流電輸入，但輸出以直流電為主。通過DC/DC的核心變換模式，變換位置輸入直流電壓即可使設(shè)備工作正常。

2 高壓直流供電技術(shù)的應(yīng)用

高壓直流供電技術(shù)優(yōu)點(diǎn)較多，可將其應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)云機(jī)房中建設(shè)綠色節(jié)能機(jī)房。

2.1 后端設(shè)備適配性

目前，國內(nèi)的高壓直流供電系統(tǒng)主要有240 V和336 V兩種。240 V高壓直流系統(tǒng)基本上能兼容后端設(shè)備220 V交流電源模塊。因此，240 V高壓直流供電系統(tǒng)具有后端設(shè)備適配性，更易于實(shí)際的應(yīng)用和推廣。筆者負(fù)責(zé)建設(shè)的網(wǎng)絡(luò)云機(jī)房采用240 V高壓直流和市電混合直供的方式供電，即后端設(shè)備的主路由市電直接供電，備路由240 V高壓直流供電系統(tǒng)供電，在理論上和工程實(shí)踐上驗(yàn)證了240 V高壓直流和220 V交流電源模塊的適配性。

在網(wǎng)絡(luò)云機(jī)房中應(yīng)用高壓直流供電技術(shù)需分析后端設(shè)備，必要時需適當(dāng)改造。前后端設(shè)備通常為獨(dú)立電源開關(guān)，包含直流變換器、整流器以及功率補(bǔ)償器等，能夠?yàn)樵朴嬎阒行暮屯鈬O(shè)備等提供供電服務(wù)[3]。電源工作中，以AC/DC為核心，前端輸入用200 V交流或200～400 V直流供電，均可保證電源正常工作。

依據(jù)供電需求和設(shè)備內(nèi)部構(gòu)造間的差異，下面分析在不同設(shè)備中如何應(yīng)用高壓直流供電系統(tǒng)。

（1）全波整流設(shè)備。后端設(shè)備電源220 V交流供電內(nèi)部是全波整流設(shè)備，通過電力二極管進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷，將交流電轉(zhuǎn)換為直流電。以高壓直流電接入，無論正負(fù)極均能實(shí)現(xiàn)導(dǎo)通。因此，當(dāng)設(shè)備內(nèi)部為全波整流構(gòu)造時，可直接進(jìn)行高壓直流供電，無需進(jìn)一步改造。

（2）半波整流設(shè)備。機(jī)房中部分電源屬于半波整流后端設(shè)備，交流供電中工作人員僅需加強(qiáng)對正半波電路導(dǎo)通的關(guān)注即可。此類設(shè)備在直流供電時，需注意正負(fù)極接入是否正常。

（3）擁有啟動過保護(hù)功能設(shè)備。設(shè)備擁有啟動過保護(hù)功能，需在直流供電時接入降壓變電器，預(yù)先降低電壓值，保證符合設(shè)備啟動要求，正常運(yùn)行后方可斷開變壓器。

（4）擁有輸入頻率檢測啟動設(shè)備。部分設(shè)備啟動時需檢測頻率，頻率波動穩(wěn)定于55 Hz左右，可采用直流供電。后續(xù)接入直流脈沖發(fā)射器，啟動成功后將脈沖發(fā)射器斷開。

從上述分析可知，網(wǎng)絡(luò)云機(jī)房中大部分設(shè)備可直接應(yīng)用高壓直流供電系統(tǒng)，部分需要調(diào)節(jié)輸入正負(fù)極或添加啟動設(shè)備，以實(shí)現(xiàn)供電系統(tǒng)的應(yīng)用。工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，目前國內(nèi)主流通信設(shè)備供應(yīng)商的設(shè)備絕大多數(shù)不區(qū)分極性，可直接供電（即全波整流設(shè)備）。個別廠商的高端路由器和防火墻需區(qū)分極性，當(dāng)高壓直流正極接設(shè)備電源N線輸入、負(fù)極接L線輸出時，設(shè)備正常供電，反之則無法導(dǎo)通供電。

2.2 節(jié)能效果分析

在網(wǎng)絡(luò)云機(jī)房中應(yīng)用高壓直流供電系統(tǒng)可有效提高供電效率，降低使用熱能和空調(diào)負(fù)荷，相較于傳統(tǒng)UPS供電方式節(jié)能效果顯著，功效節(jié)約30%左右。后端設(shè)備功耗約為60 kW時，UPS系統(tǒng)與高壓直流系統(tǒng)能耗對比如表1所示。

高壓直流系統(tǒng)節(jié)能功效主要涉及供電效率和后端效率兩方面內(nèi)容。通過應(yīng)用直流系統(tǒng)，能取消UPS系統(tǒng)逆變環(huán)節(jié)。此環(huán)節(jié)功耗通常為5%，可有效提高供電系統(tǒng)運(yùn)行效率。后端設(shè)備中應(yīng)用直流供電模式，可調(diào)節(jié)整流器和功率因數(shù)補(bǔ)償?shù)惹闆r，增強(qiáng)效率的同時減少線損。以直流模式為設(shè)備供電，主要是借此實(shí)現(xiàn)模塊化運(yùn)行，以實(shí)際情況為依據(jù)調(diào)控電流，保證整流器始終保持高水平運(yùn)行。UPS單機(jī)運(yùn)行負(fù)載率達(dá)到50%左右，供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率達(dá)到90%，電能節(jié)省顯著[4]。

2.3 通用性分析

為確保網(wǎng)絡(luò)云機(jī)房的設(shè)備順利運(yùn)行，需在設(shè)計后通過實(shí)踐測試非在網(wǎng)設(shè)備。測試過程中，搭建高壓直流供電系統(tǒng)測試平臺，配置2組高功率蓄電池組，每組蓄電池組配置120只2 V/1 500 W高功率蓄電池單體。直流供電系統(tǒng)輸出到空閑機(jī)柜，接入計算型服務(wù)器、存儲型服務(wù)器、TOR、EOR、路由器以及防火墻，接出4個電源插座排[5]。通電后設(shè)備依次運(yùn)行實(shí)現(xiàn)各種功能，模擬市電停電，拉掉暗流系統(tǒng)開關(guān)，設(shè)備以電池供電，電壓迅速降低，45 s后降低至238.67 V，然后回升，設(shè)備整體未受到斷電影響，仍能正常運(yùn)行。由此可知，高壓直流供電系統(tǒng)在市電導(dǎo)通和關(guān)斷過程中，各種設(shè)備運(yùn)行正常。試點(diǎn)斷電后由蓄電池為負(fù)載正常供電，以維持設(shè)備工作，滿足機(jī)房的工作要求。

表1 UPS系統(tǒng)與高壓直流系統(tǒng)能耗對比

3 高壓直流供電系統(tǒng)應(yīng)用中存在的問題及相關(guān)措施

3.1 存在的問題

各個行業(yè)電力供應(yīng)均可采用高壓直流供電系統(tǒng)，但實(shí)際應(yīng)用中成熟度和經(jīng)濟(jì)性效果不理想，主要存在以下問題。

3.1.1 市場規(guī)模有待開放

信息化時代，電力供應(yīng)系統(tǒng)中信息傳送成為重要內(nèi)容。網(wǎng)絡(luò)云機(jī)房用于部署大區(qū)的5G核心網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍極大，對電力系統(tǒng)具有較高要求[6]。只有擁有一定市場規(guī)模，高壓直流供電系統(tǒng)方可發(fā)揮作用。但是，目前市場規(guī)模開放度較小，加大了高壓直流供電系統(tǒng)應(yīng)用的危險性。

3.1.2 配電開關(guān)性能不足

高壓直流供電系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)持續(xù)供電，提高能源利用率，為電力供應(yīng)奠定了基礎(chǔ)。高壓電流供電電壓較高，具有一定的危險。機(jī)房中配電開關(guān)和人直接接觸，提高配電開關(guān)安全性十分必要，應(yīng)配置相應(yīng)的保護(hù)裝置。

3.1.3 標(biāo)準(zhǔn)之爭

目前國內(nèi)的高壓直流分240 V和336 V兩種。通信電源廠家和通信設(shè)備廠家同時支持兩種不同電壓等級，增加了實(shí)現(xiàn)難度，影響其經(jīng)濟(jì)性。

3.2 解決措施

高壓直流盡管優(yōu)勢較多，也是網(wǎng)絡(luò)云機(jī)房供電系統(tǒng)主流方向，但是我國當(dāng)前機(jī)房應(yīng)用高壓直流仍為起步階段，處于交流UPS和高壓直流并存的過渡期。因此，提出如下相關(guān)建議。

3.2.1 建議國家行業(yè)主管部門統(tǒng)一高壓直流供電系統(tǒng)的電壓等級和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

統(tǒng)一高壓直流供電系統(tǒng)的電壓等級和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)有利于高壓直流供電系統(tǒng)的進(jìn)一步推廣和發(fā)展，降低設(shè)備研發(fā)和制作成本，提高設(shè)備制作的經(jīng)濟(jì)性，促進(jìn)市場環(huán)境良性發(fā)展。

3.2.2 高壓直流供電系統(tǒng)的成熟度還有待進(jìn)一步驗(yàn)證

建議最近一個行業(yè)周期內(nèi)（3年），網(wǎng)絡(luò)云機(jī)房采用等比例UPS和高壓直流供電，即主（備）用硬件資源池采用UPS供電，備（主）硬件資源池采用高壓直流供電。待高壓直流技術(shù)的成熟度得到進(jìn)一步驗(yàn)證后，逐步提高高壓直流的供電比例。

4 結(jié) 論

綜上所述，隨著5G數(shù)字新基建的不斷深入推進(jìn)和發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)云機(jī)房的建設(shè)方興未艾。綠色、高效、可靠以及經(jīng)濟(jì)的供電系統(tǒng)是網(wǎng)絡(luò)云機(jī)房供電的首選。高壓直流供電系統(tǒng)具有可靠性高、能耗低、效率高以及擴(kuò)容便捷的優(yōu)點(diǎn)，且不存在“零地”電壓干擾。將它應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)云機(jī)房可提高供電系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，即便市電停電，在一段時間內(nèi)可通過蓄電池和發(fā)電機(jī)維持設(shè)備正常工作，滿足機(jī)房的工作需求。