航天通信中心的研究人員劉棟梁，在2017年第12期《電氣技術(shù)》雜志上撰文指出，航天通信系統(tǒng)對(duì)電源的安全性、可靠性提出了極高的要求。近年來(lái)240V高壓直流供電系統(tǒng)以其安全性、可靠性以及投資和節(jié)能方面的巨大優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)在國(guó)內(nèi)IT設(shè)備供電方面得到廣泛推廣應(yīng)用。

本文結(jié)合航天通信系統(tǒng)電源的現(xiàn)狀，對(duì)高壓直流供電技術(shù)的可行性和應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)進(jìn)行了分析，并提出了在航天通信系統(tǒng)中推廣應(yīng)用的建議。

航天事業(yè)擔(dān)負(fù)著特殊的國(guó)家使命。由于航天通信系統(tǒng)的專用性和保密性特點(diǎn)，特別是較高的時(shí)效性要求，通信電源的可靠性是航天通信部門(mén)首要考慮的問(wèn)題，是通信系統(tǒng)安全運(yùn)行的重要保證。

當(dāng)前，航天系統(tǒng)各通信局（站）普遍采用UPS系統(tǒng)作為IT設(shè)備的主用電源，它克服了因市電中斷而導(dǎo)致的系統(tǒng)中斷。但是，UPS自身、甚至并機(jī)冗余系統(tǒng)的故障導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)通信事故也時(shí)有發(fā)生，已產(chǎn)生較大的社會(huì)影響和相當(dāng)?shù)慕?jīng)濟(jì)損失（見(jiàn)參考文獻(xiàn)①）。

240V高壓直流供電系統(tǒng)（HVDC）作為一項(xiàng)簡(jiǎn)單、可靠的技術(shù)，其減少了電力轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，供電可靠性和效率大大提高，受到了業(yè)界的廣泛關(guān)注。航天通信部門(mén)應(yīng)積極跟蹤電源科技的發(fā)展變化，關(guān)注應(yīng)用實(shí)踐中的探索成果，將新技術(shù)轉(zhuǎn)換為新應(yīng)用，提升航天通信系統(tǒng)的可靠性水平。

1 UPS系統(tǒng)的不足

UPS是IT設(shè)備電源保障的主流設(shè)備。有些通信局（站）利用-48V蓄電池組資源與逆變器組合，來(lái)提升IT設(shè)備的供電保障等級(jí)，為非主流用法，產(chǎn)品較少。

圖1為UPS的構(gòu)成圖。在線式UPS運(yùn)行的工作過(guò)程為整流（AC/DC）—浮充—逆變（DC/AC）—輸出；市電中斷時(shí)360V蓄電池組經(jīng)逆變電路保障IT設(shè)備的電能供給；UPS故障時(shí)，將維修開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)入市電旁路維持供電。

圖1 UPS的構(gòu)成

圖2為逆變電源的構(gòu)成圖。相對(duì)于UPS來(lái)說(shuō)，其特點(diǎn)是利用傳統(tǒng)通信局站已有的-48V蓄電池組和整流設(shè)備，配置逆變器即可。該系統(tǒng)適用于小容量不間斷交流供電，為減少整流設(shè)備的負(fù)荷，采取旁路運(yùn)行模式。

圖2 某航天通信局逆變電源的構(gòu)成

如圖1、圖2所示，二者從輸入端到輸出端都經(jīng)歷整流—浮充—逆變—輸出的過(guò)程，轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)較多。系統(tǒng)均存在如下問(wèn)題：①存在單點(diǎn)故障的可能，系統(tǒng)可靠性不高；②并聯(lián)運(yùn)行時(shí)（并機(jī)冗余系統(tǒng)）負(fù)載率低；③維護(hù)難度大，對(duì)廠家的依賴度較高；④轉(zhuǎn)換效率低。

2 240V高壓直流供電系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)

240V高壓直流供電系統(tǒng)有著技術(shù)成熟、可靠性高、維護(hù)操作簡(jiǎn)易、轉(zhuǎn)換效率高、在線擴(kuò)容簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，通信業(yè)界一直在探討采用高壓直流系統(tǒng)來(lái)代替UPS系統(tǒng)。240V高壓直流供電系統(tǒng)具有明顯技術(shù)優(yōu)勢(shì)和價(jià)格優(yōu)勢(shì)，且能在沿用現(xiàn)有的IT設(shè)備的前提下推廣使用，因此得到了各級(jí)部門(mén)的廣泛重視和支持。

2.1 系統(tǒng)構(gòu)成簡(jiǎn)單

圖3為240V高壓直流供電系統(tǒng)構(gòu)成圖。由圖中可以看出，原理、架構(gòu)與傳統(tǒng)通信局（站）的-48V直流供電系統(tǒng)完全相同，而后者的可用性及可靠性均得到數(shù)十年運(yùn)行的檢驗(yàn)。因此，該系統(tǒng)易于維護(hù)，對(duì)廠商的依賴度降低；負(fù)載率高且易于擴(kuò)容；運(yùn)行效率高；直流母排是電池組、整流器、負(fù)載的共同匯結(jié)點(diǎn)，系統(tǒng)可靠性高。

圖3 240V高壓直流供電系統(tǒng)的構(gòu)成

2.2 供電配電簡(jiǎn)便

圖4為240V高壓直流供電系統(tǒng)圖（通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)YD/T 2378-2011圖A.1）。由圖中可以看出，電池組經(jīng)熔斷器與整流模塊輸出端在總輸出屏構(gòu)成輸出母排，系統(tǒng)兩路輸出（A路和B路），通過(guò)列頭柜配電，來(lái)滿足雙電源服務(wù)器的需求，而單電源服務(wù)器僅使用A路或B路。

圖4 240V高壓直流供電系統(tǒng)

系統(tǒng)采用2根電纜（＋、－極）、以懸浮方式由電源端向設(shè)備端供電；全系統(tǒng)機(jī)架外殼與樓層等電位體進(jìn)行電氣連接。

2.3 系統(tǒng)投資減少

根據(jù)中國(guó)電信江蘇鹽城分公司統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，相對(duì)于新建UPS系統(tǒng)，采用240V高壓直流供電系統(tǒng)可平均節(jié)省投資超過(guò)40％，整個(gè)生命周期內(nèi)平均節(jié)省電力20%～30%（見(jiàn)參考文獻(xiàn)③）。

3 HVDC應(yīng)用的可行性分析

隨著電源技術(shù)的進(jìn)步，IT設(shè)備的電源模塊早已采用高頻開(kāi)關(guān)電源。這樣，240V高壓直流系統(tǒng)供電成為可能。

3.1 240V高壓直流的可用性

圖5為IT設(shè)備電源模塊交流電入口處的等效圖。由圖中可以看出，在傳統(tǒng)的工作環(huán)境下，AB間Ui為標(biāo)稱的220V交流電；全橋整流后CD間Uo將獲得198～308V的直流電（視負(fù)載率大小和有無(wú)PFC－功率因數(shù)校正電路）。

市電電壓波動(dòng)將引起整流電壓的波動(dòng)。根據(jù)GB/T 12325-2003《電能質(zhì)量供電電壓允許偏差》的規(guī)定，電壓偏差為標(biāo)稱電壓的﹣10%、+7%，即198～235.4V，對(duì)應(yīng)的整流電壓Uo為178.2～329.6V。可見(jiàn)，IT設(shè)備CD間工作電壓的范圍是較寬的。

當(dāng)IT設(shè)備直接采用直流供電，如A端＋、B端－，Ui為DC270V（浮充電壓）時(shí)，將使得二極管2、4長(zhǎng)期導(dǎo)通，另兩只1、3長(zhǎng)期截止。二極管2、4等效為導(dǎo)體，CD間Uo約為270V的直流電。結(jié)論是：IT設(shè)備在AC220V或DC270V條件下完全等效工作。

圖5 IT設(shè)備交流電入口處等效圖

3.2 HVDC各種狀態(tài)下的輸出電壓分析

YD/T 2378-2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》要求，系統(tǒng)應(yīng)采用鉛酸蓄電池組、并且應(yīng)具有電池管理能力。鉛酸蓄電池的特性決定了電池組的電壓范圍，而是否在IT設(shè)備的承受范圍內(nèi)是可用性研究的關(guān)鍵因素。現(xiàn)以國(guó)內(nèi)某品牌電池為例，分析各種狀態(tài)下的輸出電壓。

1）浮充狀態(tài)。YD/T 2378-2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》要求，240V高壓直流電源的輸出電壓范圍是204～288V，全程允許最大壓降為12V，即IT設(shè)備的電壓承受范圍是192～288V。常態(tài)下，該品牌240V蓄電池組的浮充電壓為270V，滿足IT設(shè)備的電壓要求。

2）放電狀態(tài)。當(dāng)遭遇長(zhǎng)時(shí)間停電而又無(wú)后備手段時(shí)，蓄電池組放電的終止（保護(hù)）電壓為222V，高于IT設(shè)備工作電壓下限（204V）的要求。當(dāng)然，現(xiàn)代通信局（站）應(yīng)（都）具有后備電源和快速接續(xù)的能力。

3）均充狀態(tài)。該品牌240V蓄電池組的均充電壓為282V，低于IT設(shè)備工作電壓上限（288V）的要求。

由以上的參數(shù)分析可以得出結(jié)論：240V高壓直流供電系統(tǒng)各種狀態(tài)下的輸出電壓均可滿足IT設(shè)備的工作需要，且有一定的安全裕度。

3.3 建立了完善的標(biāo)準(zhǔn)體系

我國(guó)相繼發(fā)布了YDB 037-2009《通信用240V直流供電系統(tǒng)技術(shù)要求》、YD/T 2378-2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》、YD/T 2555-2013《通信用240V直流供電系統(tǒng)配電設(shè)備》、YD/T 2556-2013《通信用240V直流供電系統(tǒng)應(yīng)用維護(hù)技術(shù)要求》、YD 5210-2014《240V直流供電系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)范》等系統(tǒng)性標(biāo)準(zhǔn)，為推廣240V高壓直流供電系統(tǒng)應(yīng)用、逐步替代UPS電源系統(tǒng)奠定了扎實(shí)的基礎(chǔ)。

4 HVDC在航天通信系統(tǒng)中應(yīng)用設(shè)想

近年來(lái)，業(yè)界對(duì)240V系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛的研究，三大運(yùn)營(yíng)商和多家著名IT企業(yè)已在多地建設(shè)了試驗(yàn)性系統(tǒng)，通信設(shè)備制造商已有配套產(chǎn)品。更為重要的是，如上文所述，我國(guó)率先編制了相關(guān)的系統(tǒng)性技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

航天通信各部門(mén)應(yīng)積極借鑒通信行業(yè)HVDC的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，高度重視系統(tǒng)建設(shè)或改造各環(huán)節(jié)的技術(shù)要點(diǎn)。秉承“嚴(yán)謹(jǐn)務(wù)實(shí)”的傳統(tǒng)精神和“穩(wěn)中求進(jìn)”的工作作風(fēng)，航天通信電源系統(tǒng)的技術(shù)進(jìn)步將指日可待。

4.1 IT設(shè)備適應(yīng)性的核查

如前所述，HVDC系統(tǒng)的應(yīng)用是基于IT設(shè)備的電源變換采用了開(kāi)關(guān)電源技術(shù)。對(duì)于舊有系統(tǒng)的供電改造，要高度重視IT設(shè)備適應(yīng)性的核查環(huán)節(jié)。

核查至少包括以下項(xiàng)目：①I(mǎi)T設(shè)備電源回路不得有船型開(kāi)關(guān)或紐子開(kāi)關(guān)；②IT設(shè)備電源回路無(wú)并聯(lián)的感性元器件和串聯(lián)的容性元器件；③IT設(shè)備上不得有變壓器、交流電動(dòng)機(jī)，如交流風(fēng)扇等；④IT設(shè)備能夠在192～288V直流電壓范圍內(nèi)正常工作。

240V高壓直流供電系統(tǒng)能滿足采用SSI和ATX規(guī)范電源模塊的IT設(shè)備。

4.2 系統(tǒng)建設(shè)中應(yīng)關(guān)注的技術(shù)要點(diǎn)

IT設(shè)備采用直流電供電，顛覆了人們的一貫思維。隨著技術(shù)進(jìn)步和建設(shè)實(shí)踐，系統(tǒng)已經(jīng)相當(dāng)成熟。但由于直流電的特性，系統(tǒng)建設(shè)中應(yīng)關(guān)注以下技術(shù)要點(diǎn)。

1）系統(tǒng)容量的選擇。根據(jù)YD/T 2378-2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》的要求，系統(tǒng)供電宜采用分散供電方式，單個(gè)系統(tǒng)容量不宜超過(guò)600A。

2）配置絕緣監(jiān)察裝置。高壓直流電源系統(tǒng)屬于不接地系統(tǒng), 如果系統(tǒng)自身或輸電線路出現(xiàn)絕緣降低問(wèn)題,絕緣監(jiān)察將發(fā)揮極為重要的作用（絕緣告警整定值15～30kΩ）。

3）系統(tǒng)對(duì)地懸浮。YD/T 2378-2011《通信用240V直流供電系統(tǒng)》規(guī)定，通信用高壓直流供電系統(tǒng)正、負(fù)極均不得接地，應(yīng)采用對(duì)地懸浮供電方式；系統(tǒng)的交流輸入應(yīng)與直流輸出電氣隔離，系統(tǒng)輸出應(yīng)與地、機(jī)架、外殼電氣隔離。

4）熔斷器與斷路器的配合。直流配電第一級(jí)的正負(fù)極分別設(shè)置熔斷器，發(fā)生故障時(shí)，確保兩個(gè)熔斷器同時(shí)分?jǐn)啵源藖?lái)保障電源系統(tǒng)安全性。而在列頭柜等小電流支路，可以選擇雙極直流型斷路器。熔斷器與斷路器的串聯(lián)使用，能夠?qū)崿F(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的安全性和操作的便利性。

5）直流PDU和插頭連接。直流電難以消弧，不應(yīng)直接使用插座式PDU分?jǐn)嚯娫矗欢俗邮絇DU又接線復(fù)雜。通過(guò)二者結(jié)合