CN101599641B - 利用高压直流向通信设备供电的系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种利用高压直流向通信设备供电的系统和供电方法，包括：高压直流开关电源，将输入的交流电源转换成高压直流电源；高压直流配电屏，整合和分配高压直流电源，将高压直流开关电源和后备蓄电池作为输入，正负两极分别通过熔断器分配，输出到安装IT设备的综合集装架高压直流控制单元；蓄电池，在交流电源正常时，作为高压直流系统的滤波装置，当交流电源故障时，自动向IT设备提供电能，保持IT设备供电不间断；综合集装架高压直流控制单元，与架内需要供电的各个IT设备连接，作为IT设备电源输入通、断控制装置和过载保护装置。本发明节省了电能，降低了新建、扩建、改造IT设备供电系统投资成本，提高了系统供电可靠性。

Description

利用高压直流向通信设备供电的系统和方法

技术领域

本发明涉及电源技术，特别是指一种利用高压直流向通信(IT)设备供电的系统和方法。

背景技术

随着电信运营商转型业务的不断推进，传统业务和支撑传统业务的通信设备不断萎缩，随之带来的是数据业务和IT设备快速膨胀，而给IT设备供电的电源仍然采用传统的交流不间断电源系统(UPS)供电。随着转型业务、增值业务量的快速增长，交流UPS供电的模式在通信系统中安全性、经济性等方面的问题越来越凸显，主要体现在以下几个方面：

能耗高。由于交流UPS中采用了逆变器，电源转换环节多，所以效率低。为保证IT设备用电的安全可靠性，目前通信用交流UPS电源系统，均配置N+1并机冗余模式；在N+1并机冗余模式中，由于控制系统复杂，随着N数值的增大，系统可靠性大大降低，所以最常见的配置为1+1并机冗余系统或2+1并机冗余系统，这就使得系统效率进一步降低。由于交流UPS是一个整体设备，考虑到业务发展规划，机房建设初期，UPS系统建设就得一次到位，但实际使用中业务的发展是一个渐进的过程，这就使得平均使用效率更低。综合上述因素，交流UPS平均效率一般只有50％左右。

可靠性低。交流UPS电源系统，就单台设备而言，通过冗余技术可以使其UPS供电的可靠性大为提高，但就整个UPS供电系统而言，有很多不可备份的系统单点故障点，比如同步并机板、静态开关、输出切换开关等，这些单点故障点，都可能导致整个通信系统“掉电”瘫痪。

维护、扩容难度大。随着通信技术的不断发展，数据通信逐渐成为主体已经成为不争的事实。按照在网设备运行模式，需要大量的在网UPS系统在线扩容。因为交流UPS扩容涉及到电源的频率、电压、相序、相位、波形等问题，不像直流电源系统扩容只关注电压一个参数，所以每一次交流UPS在线扩容都是一次巨大的风险操作，甚至可能因为UPS制造商产品更新换代使得UPS扩容不可能，使得UPS单台故障时没有设备替换。

建设成本大。随着在网的程控交换设备逐步退网，数据业务比重逐步增大，IT设备数量快速膨胀。按照现在的设备供电模式，每年需要建设大量的新的交流UPS系统。建设成本很大，尤其是涉及核心网络、重要业务平台、VIP客户业务等重要场景，从保障安全角度出发，往往选用进口UPS系统，这就使得建设成本进一步加大。探求一种新的供电系统替代交流UPS系统、寻找一种国产设备替换进口设备，是摆在通信电源业界的一个价值巨大的课题。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种利用高压直流向通信设备供电的系统和方法，将具有节能效果显著、可靠性高、维护简单、投资节省等特点。

基于上述目的本发明提供的一种利用高压直流向通信IT设备供电的系统，包括：

高压直流开关电源，用于将输入的交流电源转换成标称电压为240V的直流电源；

高压直流配电屏，用于整合和分配所述标称电压为240V的直流电源，将高压直流开关电源和后备蓄电池作为输入；所述标称电压为240V的直流电源正负两极分别通过熔断器分配，输出到安装IT设备的综合集装架高压直流控制单元；

蓄电池，与高压直流配电屏连接，在所述交流电源正常时，作为高压直流系统的滤波装置；当所述交流电源故障时，向IT设备提供电能，保持IT设备供电不间断；以及

综合集装架高压直流控制单元，与综合集装架内需要供电的各个IT设备连接，作为IT设备电源输入通、断控制装置和直流控制单元输出过载保护装置。

可选的，该系统所述标称电压240V高压直流电源的电压可调范围是180V～290V。

可选的，该系统所述标称电压240V高压直流电源的浮充电压为265～270V，均充电压不高于285V，放电终了电压不低于185V。

可选的，该系统所述综合集装架高压直流控制单元输入采用双极直流空开控制；所述综合集装架高压直流控制单元至IT设备的输出采用双极直流空开、或单极直流空开、或单极交流空开控制。

可选的，该系统全程直流供电方式采用悬浮方式。

可选的，该系统全程采用正、负双极控制保护。

可选的，该系统所述高压直流配电屏“正”极，对应于IT设备输入电源线的“L”端，高压直流配电屏“负”端对应于IT设备输入电源线的“N”端，IT设备输入电源线的“地”端与系统保护地可靠连接。

可选的，该系统还设置临时测试电源，综合集装架高压直流控制单元至IT设备采用的是单路输入双路输出的IT设备接入专用电源线。

可选的，该系统该直流供电系统采用双系统结构。

基于上述目的，本发明还提供了一种利用高压直流向通信IT设备供电的方法，包括：将输入的交流电源转换成标称电压为240V的高压直流电源后给通信设备供电。

可选的，该方法所述标称电压为240V的高压直流电源的电压可调范围是180V～290V。

可选的，该方法所述标称电压240V高压直流电源的浮充电压为265～270V，均充电压不高于285V，放电终了电压不低于185V。

可选的，该方法所述高压直流供电方式采用悬浮方式，整个供电系统全程采用正、负双极控制保护。

可选的，该方法所述正、负双极控制保护前、后级采用熔断器和空开组合方式。

可选的，该方法所述高压直流供电系统至IT设备的接入方式采用直流双极和单极空开组合方式。

可选的，该方法还设置临时测试电源，综合集装架高压直流控制单元至IT设备采用的是单路输入双路输出的IT设备接入专用电源线；

IT设备开机过程中，先用测试电源以低电压输入开机；IT设备启动后，临时测试电源自动或手动跟踪系统电压，当临时测试电源电压爬升到与高压直流供电系统电压基本一致时，合上系统分路开关Kz1，撤除临时测试电源，IT设备进入正常工作模式。

可选的，该方法所述低电压为180～200V。

可选的，该方法还设置高压直流配电屏、蓄电池、综合集装架高压直流控制单元；

高压直流配电屏整合和分配所述标称电压为240V的直流电源，将高压直流开关电源和后备蓄电池作为输入；所述标称电压为240V的直流电源正负两极分别通过熔断器分配，输出到安装IT设备的综合集装架高压直流控制单元；

蓄电池与高压直流配电屏连接，在所述交流电源正常时，作为高压直流系统的滤波装置；当所述交流电源故障时，向IT设备提供电能，保持IT设备供电不间断；以及

综合集装架高压直流控制单元与综合集装架内需要供电的各个IT设备连接，作为IT设备电源输入通、断控制装置和直流控制单元输出过载保护装置。

从上面所述可以看出，本发明提供的利用高压直流向通信设备供电的系统和方法，创新性地使用240V直流供电系统，将以一个全新的理念注入通信电源行业，以一个新的基础电源的标准在通信行业出现。并且直流供电方式采用悬浮方式，整个供电系统全程采用正、负双极控制保护；保护方式前、后级采用熔断器和空开组合方式，确保系统安全、可靠；综合集装架高压直流控制单元至IT设备的接入方式采用双极和单极空开组合方式；以及设置IT设备内部保护电路阀值低的电源模块，采用低电压启动高电压运行的工作模式等技术手段，使本发明节省了电能，降低了新建、扩建、改造IT设备供电系统投资成本，提高了系统供电可靠性。具体具有以下优点：

系统结构简单，可靠性高，系统供电可靠性提高10倍以上；

不需要对IT设备内部改造，240V直流直接输入IT设备电源模块；

新建系统比传统交流UPS系统建设投资节省40％左右；

运行费用低，使用直流240V供电比传统交流UPS供电，运营中节能20～30％。

附图说明

图1为本发明实施例IT设备直流240V供电系统结构框图；

图2为本发明实施例IT设备直流240V供电系统内部结构示意图；

图3为本发明实施例直流屏双系统结构示意图；

图4为本发明实施例双系统接入IT设备示意图；

图5为本发明实施例IT设备电源输入接线方式示意图；

图6为本发明实施例IT设备低压启动高压运行接线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

根据计算和实际系统运行测试发现，使用标称电压为240V的高压直流电源为IT设备供电比传统交流UPS供电方式，节能效果特别明显，实验运营中可节能20～30％。因此本发明利用高压直流向通信IT设备供电的方法主要思路是将输入的交流电源转换成标称电压为240V的高压直流电源后给通信设备供电。

本发明设计的利用高压直流向通信IT设备供电的系统，主要包括：

高压直流开关电源，用于将输入的交流电源转换成标称电压为240V的直流电源；

高压直流配电屏，用于整合和分配所述标称电压为240V的直流电源，将高压直流开关电源和后备蓄电池作为输入；所述标称电压为240V的直流电源正负两极分别通过熔断器分配，输出到安装IT设备的综合集装架高压直流控制单元；

蓄电池，与高压直流配电屏连接，在所述交流电源正常时，作为高压直流系统的滤波装置；当所述交流电源故障时，向IT设备提供电能，保持IT设备供电不间断；以及

综合集装架高压直流控制单元，与综合集装架内需要供电的各个IT设备连接，作为IT设备电源输入通、断控制装置和直流控制单元输出过载保护装置。

参见图1所示，本发明利用高压直流向通信设备供电的系统包括：高压直流开关电源101、高压直流配电屏102、蓄电池组103和综合集装架高压直流控制单元104，其中综合集装架高压直流控制单元104与架内需要供电的各个IT设备105连接。

高压直流开关电源101，用于将输入的市电三相交流电源(或单相交流电源)转换成标称电压为240V的高压直流电源，所述标称电压240V以下简称直流240V。这种电压转换可基于目前比较成熟的通信用48V开关电源进行参数调整得到，具体可通过改变高频变压器匝数、调换相应的功率晶体管、更换相应电压等级的电容器等方法实现。所述标称电压为240V的高压直流电源电压可调范围是180V～290V。实际运行中，浮充电压为265～270V，均充电压不高于285V，放电终了电压不低于185V。

高压直流配电屏102，用于整合和分配直流240V电源，将直流240V开关电源和后备蓄电池作为输入，正负两极分别通过熔断器分配，输出到安装IT设备的综合集装架高压直流控制单元104。

蓄电池103，在市电正常时，作为直流240V供电系统的滤波装置；当市电故障时，自动向IT设备提供电能，保持IT设备供电不间断。

综合集装架高压直流控制单元104，是240V直流供电系统的末端控制装置，IT设备电源输入通、断控制和过载保护装置；输入采用双极直流空开控制，输出可采用双极直流空开、或单极直流空开、或单极交流空开控制。

图1中，供电系统组成是在现有的通信电源48V直流供电系统基础上，根据IT设备电源模块的特征构建的一种新型直流供电系统，主要包括：1)直流电压标准确定为标称电压240V；2)直流供电方式采用悬浮方式，整个供电系统全程采用正、负双极控制保护；3)保护方式前、后级采用熔断器和空开组合方式，确保系统安全、可靠；4)综合集装架高压直流控制单元至IT设备的接入方式采用双极和单极空开组合方式。

图2是IT设备高压直流供电系统内部保护部分的结构示意图，其中，未示出的内部结构与现有技术一致。从图2中可以看出，系统采用悬浮方式供电：整个直流供电系统全程正、负极均不接地。该通信设备用直流系统悬浮方式供电是本发明的特点之一。

整个系统各个设备外壳、机架、走线架等实施保护接地，IT设备105接地端与综合集装架高压直流控制单元104内保护地排201连接，综合集装架高压直流控制单元104内保护地排与机房总保护地排可靠连接。

在高压直流开关电源架101中，输入采用空开保护和C极防雷保护。单个开关电源整流模块输出正极用熔断器R1保护，直流240V开关电源总输出负极用熔断器R2保护。熔断器R1和熔断器R2在系统运行时作为保护功能，设备检修时作为隔离功能。

在高压直流配电屏102内蓄电池103正极总输入用熔断器R3保护；高压直流配电屏102分路输出正、负极分别用熔断器R4、R5保护。每个分路输出都可以接一个集装架高压直流控制单元104。

综合集装架高压直流控制单元104设总空开和分路空开保护，总空开Kz采用双极直流空开起到双极控制保护的作用，分路空开Kz1......Kzn采用双极直流空开、或单极直流空开、或单极交流空开。

为了提高供电系统的可靠性，本发明优选实施例中，采用双系统结构。

图3是高压直流配电屏102的双系统结构示意图。如图3所示，高压直流配电屏102(或组合屏)直流模块均按完全隔离的双电源系统供电设置。屏内留有双电源系统改成单电源系统的连接端子X，最终用户可根据IT系统的重要程度，通过打开或者闭合连接端子X选择是否采用双电源系统供电，由用户现场调整。该连接端子设置在双电源系统之间，具体可根据系统的实际结构进行设置，可采用接头的形式或者其他形式。

图4是双系统接入IT设备示意图。如图4所示，具备双电源输入的IT设备，应区分主、备用模块，在具备双电源系统(命名为A系统和B系统)的条件下，主、备用模块电源输入必须分别从A、B系统的综合集装架高压直流控制单元104接入，以便和IT设备内部告警信号对应。

本发明无论是新建IT设备直流240V供电系统或对正在运行的IT设备交流UPS系统替换成直流240V供电系统，均可根据IT系统的重要程度和市电供电的稳定程度，灵活的采用不同的供电方式，如：主用系统采用一路高压直流供电；备用系统采用另一路高压直流供电、或另一路市电直接供电。在保障通信安全、可靠的前提下，最大限度地提高节能效果。

图5是IT设备电源输入接线方式示意图。如图5所示，直流240V配电屏102“正”极，对应于IT设备105输入电源线的“L”端，直流240V配电屏102“负”端对应于IT设备105输入电源线的“N”端，IT设备105输入电源线的“地”端与系统保护地可靠连接。对IT设备105内部电源模块不作任何改造，IT设备105电源输入端子不作任何改造，直接用直流240V电源替代交流UPS电源接入，此接入方式是本发明的特点之一。

图6是IT设备低压启动高压运行接线示意图。在推广240V直流替代交流UPS向通信设备供电的方法过程中，会遇到部分IT设备105电源模块输入保护电路阀值偏低，开机前以浮充电压(直流265～270V)输入时，IT设备的电源模块保护电路动作，使得IT设备不能开机，这种保护电路对于交流供电是必须的，但对于直流供电是多余的，为了合理避开保护电路动作，本发明采用低电压接入开机、高电压接入运行的工作模式。

如图6所示，本发明设置临时测试电源601。综合集装架高压直流控制单元104将测试电源601和IT设备105，在会聚点602处将相同电压极性的电源线(即实际中相同标色的电源线)以并联的方式连接在一起，从综合集装架高压直流控制单元104输出角度来看，该电源线实质上是单路输入双路输出的专用电源线。其启动过程是：先用测试电源601以低电压(直流180～200V)输入开机。IT设备105启动后，测试电源自动(或手动)跟踪系统电压，当测试电源电压爬升到与直流供电系统电压基本一致时，合上系统分路开关Kz1，撤除测试电源，IT设备105进入正常工作模式。

本发明参考了企业系统集成方法论，结合高频开关电源技术的发展趋势和IT设备内部电源模块结构的发展趋势，在保持IT设备本身功能不改变、运行可靠性不降低的前提下，用高压直流替代交流UPS向IT设备供电。主要具有以下特点：

(1)系统连接

高压直流电源“正”极，对应于IT设备输入电源线的“L”端，高压直流电源“负”端对应于IT设备输入电源线的“N”端，IT设备输入电源线的“地”端与系统保护地可靠连接。

(2)系统电压

本发明供电系统标称电压为240V，浮充电压为265～270V，均充电压不高于285V，放电终了电压不低于185V。设备运行时，浮充电压视蓄电池厂家要求的参数，可上下调整。

(3)系统接地方式

直流系统正、负极均不接地，采用悬浮方式供电，设备外壳、机架、走线架实施保护接地，保护接地要求按照《YD/T1051-2000通信局站电源系统总技术要求》标准执行。

(4)系统过流保护方式

交流部分用空开保护，直流屏内用熔断器保护，蓄电池总输入用熔断器单极保护，高频开关电源总输出用熔断器双极保护，直流屏分路输出用熔断器双极保护，综合集装架内用双极空开和单极空开组合保护。

(5)绝缘检测功能

直流屏或组合屏直流模块均提供绝缘监测功能，每个直流输出分路均设置绝缘监测接口。

(6)直流系统并联功能

直流屏或组合屏直流模块均按完全隔离的双电源系统供电设置，屏内留有双电源系统改成单电源系统的连接端子。

(7)直流分配模块配置

每一列综合集装架配置高压直流分配模块，分配模块设总空开和分路空开，总空开用双极直流空开，分路空开用单极直流空开或单极交流空开。

(8)末端控制方式

每一个分路空开控制IT设备的一只电源模块。一台IT设备内部配置多个电源模块时，必须对应多个分路开关控制，当具备双电源供电系统时，IT设备内部配置的多个电源模块应均匀接入两套电源系统，禁止一个分路空开通过多用插座接入、控制多个电源模块。

(9)具备双电源模块的IT设备接入方式

具备双电源输入的IT设备，应区分主、备用模块，在具备双电源系统(命名为A系统和B系统)的条件下，主、备用模块必须分别从A、B系统接入，以便和IT设备内部告警信号对应。

(10)配电空开选择

直流空开按设备额定电流2倍选取，交流空开按设备额定电流3～4倍选取。设备额定电流是指该设备满配置(硬盘)启动时实际测量电流，并非指IT设备内部电源模块的最大输入电流。

(11)IT设备采用低电压启动方法

对少数IT设备电源模块输入保护电路阀值偏低，开机前以浮充电压输入时，电源模块保护电路动作，IT设备不能开机。处理方法为：直流分配模块输出使用单路输入双路输出的专用电源线，用临时测试电源以低电压(直流180～200V)启动。设备启动后，临时测试电源自动(或手动)跟踪系统电压，直至与系统电压一致，合上系统分路开关，撤除临时测试电源。

以上所述的具体实施例仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的容量扩充、等同替换、安全性能进一步改善等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (17)

1.一种利用高压直流向通信IT设备供电的系统，其特征在于，包括：

高压直流开关电源，用于将输入的交流电源转换成标称电压为240V的直流电源；

高压直流配电屏，用于整合和分配所述标称电压为240V的直流电源，将高压直流开关电源和后备蓄电池作为输入；所述标称电压为240V的直流电源正负两极分别通过熔断器分配，输出到安装IT设备的综合集装架高压直流控制单元；

蓄电池，与高压直流配电屏连接，在所述交流电源正常时，作为高压直流系统的滤波装置；当所述交流电源故障时，向IT设备提供电能，保持IT设备供电不间断；以及

综合集装架高压直流控制单元，与综合集装架内需要供电的各个IT设备连接，作为IT设备电源输入通、断控制装置和直流控制单元输出过载保护装置。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述标称电压240V高压直流开关电源的电压可调范围是180V～290V。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于，对所述高压直流开关电源充电时的浮充电压为265～270V，均充电压不高于285V，放电终了电压不低于185V。

4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述综合集装架高压直流控制单元输入采用双极直流空开控制；所述综合集装架高压直流控制单元至IT设备的输出采用双极直流空开、或单极直流空开、或单极交流空开控制。

5.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统全程直流供电方式采用悬浮方式。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于，该系统全程采用正、负双极控制保护。

7.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述高压直流配电屏“正”极，对应于IT设备输入电源线的“L”端，高压直流配电屏“负”端对应于IT设备输入电源线的“N”端，IT设备输入电源线的“地”端与系统保护地可靠连接。

8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该系统还设置临时测试电源，综合集装架高压直流控制单元将临时测试电源和IT设备，在会聚点处将相同电压极性的电源线以并联的方式连接在一起；综合集装架高压直流控制单元至IT设备采用的是单路输入双路输出的IT设备接入专用电源线。

9.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，该直流供电系统采用双系统结构。

10.一种利用高压直流向通信IT设备供电的方法，其特征在于，包括：将输入的交流电源转换成标称电压为240V的高压直流开关电源后给通信设备供电；

还设置高压直流配电屏、蓄电池、综合集装架高压直流控制单元；

高压直流配电屏整合和分配所述标称电压为240V的直流电源，将高压直流开关电源和后备蓄电池作为输入；所述标称电压为240V的直流电源正负两极分别通过熔断器分配，输出到安装IT设备的综合集装架高压直流控制单元；

蓄电池与高压直流配电屏连接，在所述交流电源正常时，作为高压直流系统的滤波装置；当所述交流电源故障时，向IT设备提供电能，保持IT设备供电不间断；以及

综合集装架高压直流控制单元与综合集装架内需要供电的各个IT设备连接，作为IT设备电源输入通、断控制装置和直流控制单元输出过载保护装置。

11.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述标称电压为240V的高压直流开关电源的电压可调范围是180V～290V。

12.根据权利要求10或11所述的方法，其特征在于，对所述高压直流开关电源充电时的浮充电压为265～270V，均充电压不高于285V，放电终了电压不低于185V。

13.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述高压直流供电方式采用悬浮方式，整个供电系统全程采用正、负双极控制保护。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述正、负双极控制保护前、后级采用熔断器和空开组合方式。

15.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，所述综合集装架高压直流控制单元至IT设备的接入方式采用直流双极和单极空开组合方式。

16.根据权利要求10所述的方法，其特征在于，设置临时测试电源，综合集装架高压直流控制单元将临时测试电源和IT设备，在会聚点处将相同电压极性的电源线以并联的方式连接在一起；综合集装架高压直流控制单元至IT设备采用的是单路输入双路输出的IT设备接入专用电源线；

IT设备开机过程中，先用测试电源以低电压输入开机；IT设备启动后，临时测试电源自动或手动跟踪系统电压，当临时测试电源电压爬升到与高压直流供电系统电压基本一致时，合上系统分路开关Kz1，撤除临时测试电源，IT设备进入正常工作模式。

17.根据权利要求16所述的方法，其特征在于，所述低电压为180～200V。

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