240V高压直流电源在航天通信系统中的应用探讨
航天通信中心的研究人员刘栋梁，在2017年第12期《电气技术》杂志上撰文指出，航天通信系统对电源的安全性、可靠性提出了极高的要求。近年来240V高压直流供电系统以其安全性、可靠性以及投资和节能方面的巨大优势，已经在国内IT设备供电方面得到广泛推广应用。
本文结合航天通信系统电源的现状，对高压直流供电技术的可行性和应用技术要点进行了分析，并提出了在航天通信系统中推广应用的建议。
航天事业担负着特殊的国家使命。由于航天通信系统的专用性和保密性特点，特别是较高的时效性要求，通信电源的可靠性是航天通信部门首要考虑的问题，是通信系统安全运行的重要保证。
当前，航天系统各通信局（站）普遍采用UPS系统作为IT设备的主用电源，它克服了因市电中断而导致的系统中断。但是，UPS自身、甚至并机冗余系统的故障导致网络通信事故也时有发生，已产生较大的社会影响和相当的经济损失（见参考文献①）。
240V高压直流供电系统（HVDC）作为一项简单、可靠的技术，其减少了电力转换环节，供电可靠性和效率大大提高，受到了业界的广泛关注。航天通信部门应积极跟踪电源科技的发展变化，关注应用实践中的探索成果，将新技术转换为新应用，提升航天通信系统的可靠性水平。
1 UPS系统的不足
UPS是IT设备电源保障的主流设备。有些通信局（站）利用-48V蓄电池组资源与逆变器组合，来提升IT设备的供电保障等级，为非主流用法，产品较少。
图1为UPS的构成图。在线式UPS运行的工作过程为整流（AC/DC）—浮充—逆变（DC/AC）—输出；市电中断时360V蓄电池组经逆变电路保障IT设备的电能供给；UPS故障时，将维修开关转入市电旁路维持供电。
图1 UPS的构成
图2为逆变电源的构成图。相对于UPS来说，其特点是利用传统通信局站已有的-48V蓄电池组和整流设备，配置逆变器即可。该系统适用于小容量不间断交流供电，为减少整流设备的负荷，采取旁路运行模式。
图2 某航天通信局逆变电源的构成
如图1、图2所示，二者从输入端到输出端都经历整流—浮充—逆变—输出的过程，转换环节较多。系统均存在如下问题：①存在单点故障的可能，系统可靠性不高；②并联运行时（并机冗余系统）负载率低；③维护难度大，对厂家的依赖度较高；④转换效率低。
2 240V高压直流供电系统的优势
240V高压直流供电系统有着技术成熟、可靠性高、维护操作简易、转换效率高、在线扩容简单等优点，通信业界一直在探讨采用高压直流系统来代替UPS系统。240V高压直流供电系统具有明显技术优势和价格优势，且能在沿用现有的IT设备的前提下推广使用，因此得到了各级部门的广泛重视和支持。
2.1 系统构成简单
图3为240V高压直流供电系统构成图。由图中可以看出，原理、架构与传统通信局（站）的-48V直流供电系统完全相同，而后者的可用性及可靠性均得到数十年运行的检验。因此，该系统易于维护，对厂商的依赖度降低；负载率高且易于扩容；运行效率高；直流母排是电池组、整流器、负载的共同汇结点，系统可靠性高。
图3 240V高压直流供电系统的构成
2.2 供电配电简便
图4为240V高压直流供电系统图（通信行业标准YD/T 2378-2011图A.1）。由图中可以看出，电池组经熔断器与整流模块输出端在总输出屏构成输出母排，系统两路输出（A路和B路），通过列头柜配电，来满足双电源服务器的需求，而单电源服务器仅使用A路或B路。
图4 240V高压直流供电系统
系统采用2根电缆（＋、－极）、以悬浮方式由电源端向设备端供电；全系统机架外壳与楼层等电位体进行电气连接。
2.3 系统投资减少
根据中国电信江苏盐城分公司统计数据，相对于新建UPS系统，采用240V高压直流供电系统可平均节省投资超过40％，整个生命周期内平均节省电力20%～30%（见参考文献③）。
3 HVDC应用的可行性分析
随着电源技术的进步，IT设备的电源模块早已采用高频开关电源。这样，240V高压直流系统供电成为可能。
3.1 240V高压直流的可用性
图5为IT设备电源模块交流电入口处的等效图。由图中可以看出，在传统的工作环境下，AB间Ui为标称的220V交流电；全桥整流后CD间Uo将获得198～308V的直流电（视负载率大小和有无PFC－功率因数校正电路）。
市电电压波动将引起整流电压的波动。根据GB/T 12325-2003《电能质量供电电压允许偏差》的规定，电压偏差为标称电压的﹣10%、+7%，即198～235.4V，对应的整流电压Uo为178.2～329.6V。可见，IT设备CD间工作电压的范围是较宽的。
当IT设备直接采用直流供电，如A端＋、B端－，Ui为DC270V（浮充电压）时，将使得二极管2、4长期导通，另两只1、3长期截止。二极管2、4等效为导体，CD间Uo约为270V的直流电。结论是：IT设备在AC220V或DC270V条件下完全等效工作。
图5 IT设备交流电入口处等效图
3.2 HVDC各种状态下的输出电压分析
YD/T 2378-2011《通信用240V直流供电系统》要求，系统应采用铅酸蓄电池组、并且应具有电池管理能力。铅酸蓄电池的特性决定了电池组的电压范围，而是否在IT设备的承受范围内是可用性研究的关键因素。现以国内某品牌电池为例，分析各种状态下的输出电压。
1）浮充状态。YD/T 2378-2011《通信用240V直流供电系统》要求，240V高压直流电源的输出电压范围是204～288V，全程允许最大压降为12V，即IT设备的电压承受范围是192～288V。常态下，该品牌240V蓄电池组的浮充电压为270V，满足IT设备的电压要求。
2）放电状态。当遭遇长时间停电而又无后备手段时，蓄电池组放电的终止（保护）电压为222V，高于IT设备工作电压下限（204V）的要求。当然，现代通信局（站）应（都）具有后备电源和快速接续的能力。
3）均充状态。该品牌240V蓄电池组的均充电压为282V，低于IT设备工作电压上限（288V）的要求。
由以上的参数分析可以得出结论：240V高压直流供电系统各种状态下的输出电压均可满足IT设备的工作需要，且有一定的安全裕度。
3.3 建立了完善的标准体系
我国相继发布了YDB 037-2009《通信用240V直流供电系统技术要求》、YD/T 2378-2011《通信用240V直流供电系统》、YD/T 2555-2013《通信用240V直流供电系统配电设备》、YD/T 2556-2013《通信用240V直流供电系统应用维护技术要求》、YD 5210-2014《240V直流供电系统工程技术规范》等系统性标准，为推广240V高压直流供电系统应用、逐步替代UPS电源系统奠定了扎实的基础。
4 HVDC在航天通信系统中应用设想
近年来，业界对240V系统进行了广泛的研究，三大运营商和多家著名IT企业已在多地建设了试验性系统，通信设备制造商已有配套产品。更为重要的是，如上文所述，我国率先编制了相关的系统性技术标准。
航天通信各部门应积极借鉴通信行业HVDC的实践经验，高度重视系统建设或改造各环节的技术要点。秉承“严谨务实”的传统精神和“稳中求进”的工作作风，航天通信电源系统的技术进步将指日可待。
4.1 IT设备适应性的核查
如前所述，HVDC系统的应用是基于IT设备的电源变换采用了开关电源技术。对于旧有系统的供电改造，要高度重视IT设备适应性的核查环节。
核查至少包括以下项目：①IT设备电源回路不得有船型开关或纽子开关；②IT设备电源回路无并联的感性元器件和串联的容性元器件；③IT设备上不得有变压器、交流电动机，如交流风扇等；④IT设备能够在192～288V直流电压范围内正常工作。
240V高压直流供电系统能满足采用SSI和ATX规范电源模块的IT设备。
4.2 系统建设中应关注的技术要点
IT设备采用直流电供电，颠覆了人们的一贯思维。随着技术进步和建设实践，系统已经相当成熟。但由于直流电的特性，系统建设中应关注以下技术要点。
1）系统容量的选择。根据YD/T 2378-2011《通信用240V直流供电系统》的要求，系统供电宜采用分散供电方式，单个系统容量不宜超过600A。
2） 配置绝缘监察装置。高压直流电源系统属于不接地系统, 如果系统自身或输电线路出现绝缘降低问题,绝缘监察将发挥极为重要的作用（绝缘告警整定值15～30kΩ）。
3）系统对地悬浮。YD/T 2378-2011《通信用240V直流供电系统》规定，通信用高压直流供电系统正、负极均不得接地，应采用对地悬浮供电方式；系统的交流输入应与直流输出电气隔离，系统输出应与地、机架、外壳电气隔离。
4）熔断器与断路器的配合。直流配电第一级的正负极分别设置熔断器，发生故障时，确保两个熔断器同时分断，以此来保障电源系统安全性。而在列头柜等小电流支路，可以选择双极直流型断路器。熔断器与断路器的串联使用，能够实现整个系统的安全性和操作的便利性。
5）直流PDU和插头连接。直流电难以消弧，不应直接使用插座式PDU分断电源；而端子式PDU又接线复杂。通过二者结合使用，可以提高系统的安全性和操作的便利性。
直流输出的正极，对应设备插头的N端；直流的负极，对应L端；设备插头的地端与系统保护地连接。
5 结论
通信电源技术的重大发展方向是高压直流供电，IT设备高压直流供电已经成为行业热点。高压直流供电系统从根本上克服了UPS存在的单点故障问题，且维护操作方法简便，系统的安全性、可靠性大大提高。几年来已有数以十万计的IT设备运行在240V高压直流环境下，表现出很好的可靠性和节能效果（见参考文献⑤）。
240V高压直流供电系统的成熟期已经到来，航天通信系统采用先进的通信电源技术势在必行。