优化供电系统提升供电安全.ppt

中国联通2011通信电源培训 中国联通通信电源专业运维培训基地中讯邮电咨询设计院有限公司 电源与节能中心 优化供电系统提升供电安全 1 主要内容 一 通信电源安全能效管理二 通信供电系统的重要性三 交流输入电源系统四 与通信设备接口的电源系统五 电信和数据中心供电系统现状六 电信和数据中心供电系统的发展趋势七 结束语 2 一 通信电源安全能效管理 通信电源安全能效管理的概念通信供电系统必须能稳定 可靠 安全 高效地供电 确保在任何情况下通信设备不断电 因此电源设备的维护必须及时 可靠 以保障通信系统的供电正常 同时达到通信电源系统的节能 也就是说要对通信电源进行安全能效管理 目前 实现通信电源安全能效管理的时尚而有力的方法是采用通信局 站 动力及环境集中监控管理系统 简称动力监控系统 通过动力监控系统可以及时发现故障 提示维护人员采取必要的措施解决问题 提高了维护质量 动力监控系统已成为当今通信电源维护的一种必要而且有效的手段 3 3 一 通信电源安全能效管理 通信供电系统与通信电源安全能效管理的关系通信电源供电系统是保证电信和数据中心正常运行的最关键因素 是通信电源安全能效管理不可忽视的重要方面 虽然动力安全能效管理是属于运维的范畴 安全能效管理所涉及的是电信和数据中心的具体的动力设备的维护 但与供电系统的结构是密切相关的 先进的供电系统 稳定可靠的供电系统 包括高可靠性的电源设备和元部件 有利于电源安全能效管理 使安全能效管理可以达到事半功倍效果 如果采用的供电系统存在问题 比如说是落后的供电系统或者未达到最佳状态 或者电源设备存在质量问题 电源安全能效管理的结果必然是事倍功半 因此 了解供电系统设计 优化通信电源供电系统 对于通信电源的维护和安全能效管理是非常必要的 而且是非常重要的 优化供电系统有利于通信电源安全能效管理 可以使通信电源安全能效管理达到事半功倍的效果 优化供电系统的内容包括从局站交流输入电源到与通信设备接口的电源设备的整个供电系统 4 二 通信供电系统的重要性 1组成1 数据中心供电系统包括局站交流输入电源系统 高低压供电系统 和与通信设备接口的通信电源系统 380 220VACUPS 2 电信中心供电系统包括局站交流输入电源系统 高低压供电系统 和与通信设备接口的通信电源系统 48VDC电源 3 电信和数据中心的交流输入电源必须由主用电源和备用电源组成 主用电源一般是两路或一路市电电源 备用电源是自备柴油发电机组或燃气轮机发电机组 4 电信和数据中心的交流输入电源由专用变电站 高压配电柜 变压器 低压配电屏 市电 发电机组转换屏 交流配电屏以及备用发电机组组成 可以保证输入能源的不断 可以直接保证建筑负荷供电 但其电能质量尚不能满足电信和数据通信负荷的要求 不能直接为电信和数据通信负荷供电 还需在交流输入电源和通信设备之间配置UPS电源或高频开关电源 5 二 通信供电系统的重要性 2原理1 在正常情况下 UPS从交流输入电源系统取得电源 经过适当的变换和调节 为数据通信设备提供稳定可靠的电源 高频开关电源将交流输入电源变换为 48V直流电源供给电信设备 2 交流输入电源故障时时 48V直流电源系统的蓄电池直接为电信设备供电 数据设备由UPS内部的短时间备用 蓄电池 供电 3 当市电长时间故障时 局站内的长时间备用电源 自备发电机组 启动供电 从而保证不间断地为数据通信设备供电 图1是数据中心典型的供电系统方框图 整个供电系统分为交流输入电源系统和UPS供电系统两部分 6 二 通信供电系统的重要性 图1数据中心典型供电系统 7 二 通信供电系统的重要性 要求电信和数据中心供电系统必须能稳定 可靠 安全地供电 确保在任何情况下通信设备的不间断供电 1 电信和数据中心对供电电源的要求主要有供电安全 供电的高可用性 供电的高效率 2 为了达到这些要求 供电系统的设计是关键 整个供电系统的每个环节都不能忽略 从交流输入电源系统 市电的引入 变电配电 备用发电机组 到与通信设备接口的UPS和高频开关电源设备 都要精心设计 其中最重要的是要解决好与通信设备接口的UPS和高频开关电源系统的设计 但是 交流输入电源系统故障会引起大规模更严重的问题 不容忽视 3 现有的电信和数据中心的供电系统各个环节可能未达到最佳 或存在着各种问题 应根据设计规范的要求 及时进行优化改造 8 8 二 通信供电系统的重要性 电源系统故障实例交流输入电源系统中的市电电源是局站的输入能源 发电机组是局站的交流备用电源 这是保证通信设备正常供电的基础 与通信设备接口的直流电源和UPS电源是保证通信设备供电指标要求的 其中的蓄电池是短时间备用电源 是保护通信设备正常供电的最后一道防线 在实际运行中发生的严重故障 往往是先发生交流供电的故障 然后由直流电源或UPS电源中的蓄电池 在蓄电池供电期间蓄电池又发生故障 造成通信设备供电中断 也有交流供电系统正常 直流电源系统或UPS系统故障的情况 导致蓄电池放电 保护通信设备 在蓄电池供电期间蓄电池又发生故障 造成通信设备供电中断 下面介绍近期 2011年上半年 发生的电源系统故障 应该从这些故障案例中吸取教训 体会到通信电源安全能效管理的极端重要性 9 9 9 二 通信供电系统的重要性 电源系统故障实例下面介绍近期发生的电源系统故障 故障实例12011年5月1日10时30分至11时09分 11时22分至11时26分 安徽省分公司合肥轻工商城长途机房开关电源出现高温停机保护 蓄电池放亏 造成三套长途波分设备掉电 固话省际长途来去话中断 省际省内互联网中继电路大面积中断 互联网质量劣化 影响部分省际省内集团客户电路 此次故障的主要原因是动力维护人员和机房值班人员未能对多次发生的动力系统告警引起充分重视并及时处理 导致开关电源停机 蓄电池放亏后负载设备掉电 环境温度升高的原因 2001年投入使用 大金 5P 2011年3月7日进行了巡检 2011年4月30日9 00动环监控发现环境高温告警 发现空调设备停机 维修后恢复运行 5月1日10 30断电故障发生时 空调设备停机 机房环境温度42 5 开关电源设备工作环境温度要求 5 40 10 10 10 10 二 通信供电系统的重要性 电源系统故障实例 2 故障实例22011年5月5日13时45分 上海市分公司漕河泾长途机房所在地区电网故障供电瞬断 部分蓄电池未能正常放电 造成三个厂家长途传输设备掉电4分钟 影响部分语音中继及专线业务10分钟 此次故障的主要原因是蓄电池超期服役 个别蓄电池单体内部老化严重 导致蓄电池组短时间放电终止 蓄电池组2002年2月投入使用 1000AH2组 系统负荷为550A 2010年3月9日和3月10日进行过电池容量测试 结果分别为87 16 和87 50 解剖发现 负极汇流排 极柱氧化严重 部分断裂 以及极板筋条部分氧化严重有断裂现象 电池内部严重干涸 失水 11 二 通信供电系统的重要性 故障单体蓄电池解剖 12 4电源系统故障实例 3 故障实例32011年3月7日15 20分 贵阳中南枢纽机房市电停电 值班人员将市电输入进行倒换 设备供电恢复正常 操作过程中发现 中南5楼一干传输设备 汉城西环SDH2 5G L 1 汉城西环SDH2 5G L 3 出现瞬间掉电 历时1分钟 经查为停电后转蓄电池供电 输出电压快速下降造成部分设备瞬断 蓄电池 2000AH2组 2000年投入使用 2011年2月底深度放电测试 指标基本正常 2011年3月7日8 30分发现发现单体裂纹漏液 决定更换 在拆掉一组电池 准备更换过程中 市电停电 另一组蓄电池不能正常供电 采用两路市电供电时 高压系统的两路进线宜设置备用市电电源自动投入装置 同时还应具备手动操作功能 二 通信供电系统的重要性 13 4电源系统故障实例 4 故障实例4河北张家口沙城中继站 无人值守 2011年4月16日12 31京太西沙城中继站干线传输SDH保护倒换 波分设备正常 原因不明 12 48分到现场后 发现干线传输设备所用的直流供电系统开关整流模块不工作 电池电压44V 造成干线传输SDH设备掉电 京太西SDH2 5G L 1 京石太SDH2 5G L 1两系统保护倒换 本次故障确定为市电异常引起 4月12日 监控中心发现此套监控系统主机故障 经检查是由于电脑主板故障 随通知厂家维修 但此电脑于2003年投入使用 型号老旧 配件购买困难 没能及时恢复 致使该站停电后未能及时发现 二 通信供电系统的重要性 14 4电源系统故障实例 4 故障实例43月11日下午17 06点 广西南宁市大塘干线中继站机房两套华为1600G波分设备宕机 17 45分到达站点 经现场检查发现 市电中断 开关电源停机 蓄电池组放电终止 造成两套华为波分设备掉电 造成干线系统故障 启动发电机组 于19 00恢复供电 设备恢复正常 市电中断的原因主要是因老鼠造成高压短路造成 没有及时安装动环监控系统 导致外市电停电无法进行监控 二 通信供电系统的重要性 15 4电源系统故障实例 4 故障实例4广东云浮华侨新村一干中继站 无人值守 2011年5月7日15 34分 云浮监控室监控发现华侨新村一干机房断电 导致广云湛WDM16 L 二干西环阿尔卡特波分 及广州南宁WDM40 L 1 WF8 华侨新村节点脱网 15 53现场查看发现直流配电柜熔丝已断 更换熔丝后 16 01业务已恢复正常 本次故障是由于5月7日云城地区发生强雷暴天气时 华侨新村机房受感应雷击影响 导致一50A电源模块 2个20A直流配电柜熔丝 第一级防雷器 标称通流量40KA 受雷击影响损坏 原因 标称通流量40KA设计容量不合理 更换60KA 二 通信供电系统的重要性 16 16 4电源系统故障实例 5 天灾引起的故障 贵州铜仁丽景名苑小区 接入网机房 爆炸事故1 概况 2011年7月23早4 50接入网机房发生爆炸 机房内各设备不同程度被炸毁 整栋楼185家住户房间不同程度的受损 几乎所有的玻璃窗的玻璃全部震碎脱落 机房位于该栋楼的一楼的一间门面房 卷帘门被震到街道对面的人行道上 当场死亡3人 重伤9人 2 事故定性事故当天当地公安部门和安监部门即到现场 铜仁联通配合调查 初步排除炸药爆炸和人为破坏引起的爆炸 联通总部和我院是7月24 25日到达铜仁配合调查 因现场测出有硫化氢 也有氢气 此次爆炸的原因定为沼气和氢气引起的爆炸 沼气的来源是由于事故前几日连续暴雨 致使电缆沟积水 电缆沟内沼气被挤压到机房 当达到一定浓度时 火源引起爆炸 但因检测出氢气 有可能是蓄电池放出的 但经专业讨论和分析 应该排除了蓄电池释放氢气引起爆炸可能性 见以下初步论证 二 通信供电系统的重要性 17 17 17 4电源系统故障实例 5 天灾引起的故障 贵州铜仁丽景名苑小区 接入网机房 爆炸事故3 关于排除蓄电池释放出大量氢气引起爆炸的分析和证据论证正常情况下 VRLA蓄电池不会产生氢气 VRLA蓄电池密封反应效率 标准要求不低于95 在实际检测中 几乎检测不到有气体 在非常情况下 蓄电池会放出氢气 A 蓄电池的充电电压过高 大于2 4VPC 如果蓄电池的浮充电压过高 大于2 4VPC 将会使蓄电池处于过充电状态 蓄电池长时间过充电将会引起过大的充电电流 板栅的腐蚀 气体的产生和电解液的干枯 这将造成了蓄电池早期老化和容量的损失 长时间的严重过充电可能导致热失控 这种情况也必须更换蓄电池系统 二 通信供电系统的重要性 18 18 18 18 4电源系统故障实例 5 天灾引起的故障 贵州铜仁丽景名苑小区 接入网机房 爆炸事故在非常情况下 蓄电池会放出氢气 A 蓄电池的充电电压过高 大于2 4VPC 蓄电池的环境温度过高 大于40 浮充充电电流过大 VRLA蓄电池的性能 寿命和厂家推荐的充电电压等都是按77 25 设计的 例如 GEL和AGMVRLA蓄电池 电解液比重为1 280 1 300 在77 25 的典型的浮充电压为2 25V 只 但是 VRLA蓄电池的工作并不能永远保持在这个温度上 因而导致早期寿命终止的严重问题 工作温度对VRLA蓄电池的寿命和性能会产生很大的影响 在不同温度时的浮充电流 在恒定浮充电压下浮充的VRLA蓄电池所接受的浮充电流随着温度的会增加 浮充电流的增大 使板栅的腐蚀率和气体产生率大大增加 因而降低了蓄电池的寿命 二 通信供电系统的重要性 19 19 19 19 19 19 4电源系统故障实例 5 天灾引起的故障 贵州铜仁丽景名苑小区 接入网机房 爆炸事故在非常情况下 蓄电池会放出氢气 A 蓄电池的充电电压过高 大于2 4VPC 蓄电池的环境温度过高 大于40 浮充充电电流过大 C 以上两种情况大的排除经初步了解 这两种情况均不存在 因为机房有空调 环境温度不会升高 事故前 天 维护人员上站巡视未发现异常 如果开关电压故障 输出电压失控 有可能使蓄电池浮充电压升高 然而 如果开关电压输出电压大于2 4VPC 通信设备已经不能正常工作 必然有告警 中断通信 但这种并未发生 这需要查阅网管得到证实 二 通信供电系统的重要性 20 20 20 20 20 20 20 4电源系统故障实例 5 天灾引起的故障 贵州铜仁丽景名苑小区 接入网机房 爆炸事故在非常情况下 蓄电池会放出氢气 A 蓄电池的充电电压过高 大于2 4VPC 蓄电池的环境温度过高 大于40 浮充充电电流过大 以上两种情况大的排除 D 对爆炸事故后的蓄电池的外观和测试该机房内电源设备由组合开关电源一台 500Ah蓄电池一组 爆炸事故后开关电源设备已损坏 但蓄电池的外观完好 无变形和损坏 经测量开路电压仍在正常范围内 估计仍可以使用 二 通信供电系统的重要性 21 21 21 21 21 21 21 21 4电源系统故障实例 5 天灾引起的故障 贵州铜仁丽景名苑小区 接入网机房 爆炸事故D 对爆炸事故后的蓄电池的测试开路电压 PCV 在2 16 2 18VPC 处于正常的范围 VRLA单体蓄电池的开路电压 OCV 与电解液比重有关 OCV约等于电解液比重加上0 84 例如 电解液比重为1 300的AGMVRLA蓄电池满充电时的OCV约为2 14VDC 1 300 0 84 电解液比重为1 280的GELVRLA蓄电池在满充电时的OCV约为2 12VDC 1 280 0 84 在VRLA蓄电池保存的过程中 由于自放电 电解液中的硫酸的消耗和在极板上形成硫酸铅 电解液的比重逐渐下降 与此同时 OCV也逐渐下降 因此 OCV可以表示蓄电池的充电状态 同样 如果电解液中的水分损失 电解液的比重会升高 蓄电池的开路电压会升高 由此可知 如果蓄电池放出大量的氢气 必然会使电解液大量失水 导致电解液的比重升高 和开路电压的升高 从实测的开路电压的数据可见 开路电压的是正常的 由此可以推断蓄电池没有放出大量氢气 二 通信供电系统的重要性 22 三 交流输入电源系统 1外市电的引入电信和数据中心所需要的能源是从市电引入的交流电源得到的 市电作为主用电源 根据通信局 站 所在地区的市电供电条件 线路引入方式及运行状态 YD T5040 2005 通信电源设计规范 将市电分为四类 电信和数据中心应引入一类市电 即从两个可靠的独立电源各自引入一路供电线 该两路电源不应同时出现检修停电 平均每月停电次数不应大于1次 平均每次故障时间不应大约0 5h 两路供电线宜配置备用市电自动投入装置 当引入一类市电有困难时 也可引入二类市电 二类市电供电应符合下列条件之一的要求 1 由两个以上独立电源构成稳定可靠的环形网上引入一路供电线 2 由一个稳定可靠的独立电源或从稳定可靠的输电线上引入一路供电线 二类市电供电允许有计划检修停电 平均每月停电次数不应大于3 5次 平均每次故障时间不应大于6h 23 三 交流输入电源系统 2备用发电机组的配置1 引入1类市电时 配置1台备用发电机组 配置1台备用发电机组含义是指配置可以满足全部负荷的无冗余发电机组总容量 如发电机组单机容量不够 可能是多台机组 2 引入2类市电时 配置2台备用发电机组 配置2台备用发电机组含义是指配置可以满足全部负荷的有冗余的发电机组的总容量 3 电信和数据中心应配置自动化发电机组 4 备用发电机组容量备用发电机组容量按近期负荷并考虑一定发展配置 有谐波电流时 应适加大容量 当THDI大于10 备用发电机组可按负荷额定容量的1 5 2倍计算 燃油储备应按机组满载运行8h考虑 5 与市电电压之间的转换市电和备用发电机组的转换宜采用4极ATS 必须有电气和机械联锁 6 移动发电机组移动基站 电信和数据中心都应根据需要配置一定数量的移动发电机组 24 三 交流输入电源系统 3高压配电系统 1 两路市电主备用供电运行方式当两路市电供电 一主一备运行时 主备用电源的切换有如下3种方式 1 当主用市电电源停电时 备用市电电源自投 当主用市电电源恢复时 主用电源自复 同时兼有手动操作功能 2 当主用市电停电时 备用市电电源自投 当主用市电恢复时 手动切除备用市电电源 主用电源再投入运行 3 当主用市电停电时 备用市电电源手动合闸 当主用市电恢复时 手动切除备用电源 主用电源再投入运行 25 三 交流输入电源系统 高压配电系统 2 两路市电分段供电运行方式当两路市电分段供电 正常时同时运行时 高压供电系统有如下2种运行方式 1 高压不设母联开关 在两路市电供电的变压器低压侧之间设母联开关 当其中一路市电停电时 母联开关合闸 由另一路市电保证重要负荷的供电 当低压母线分段开关采用自动投切方式时 可以 自投自复 或 自投手复 低压母联断路器自投时应有一定的延时 当电源主断路器因过载或短路故障分闸时 母联断路器不得自动合闸 电源主断路器与母联断路器之间应有电气联锁 2 在高压系统的两路市电间设置母联开关 当其中一路市电停电时 母联开关需采用手动合闸 首先要判断低压侧总负荷的情况 由另一路市电保证重要负荷的用电 如果设计为备用市电自投 则两路市电进线开关 母联开关这三个开关之间应联锁 即三个开关只能闭合两个 26 三 交流输入电源系统 3 变配电设备的选择1 高压配电设备的选择应立足于国内产品 国产或合资 要求技术先进 质量可靠 运行安全 便于维护 体积小 一般选用固定式 中置式等柜型 高压柜的防护等级不低于IP4X 2 变压器选择变压器在室内安装时应选择干式变压器 优先选用节能变压器 适合通信局 站 的变压器接线组别为Dyn11型 其优点是 限制三次谐波 降低零序阻抗 即增大了相零单相短路电流 对提高单相短路电流动作断路器的灵敏度有较大的作用 变压器接线组主要有 A Yyn0 B Dyn11 C Dy11 D YNd11变压器的容量按近期负荷并考虑一定发展负荷配置 实际运行负荷一般不宜超过其额定容量的80 如负荷电流谐波含量大于10 变压器应适当降容使用 27 三 交流输入电源系统 低压交流供电系统 1 设计原则1 首先应保证设备的供电质量及供电的可靠性 包括电压偏差 低压 15 10 高压 7 7 频率偏差 2Hz 2 低压配电系统应根据工程总负荷容量 设备的用电性质及馈电分路要求综合考虑确定 3 系统接线应力求简单 灵活 操作安全 维护方便 4 系统及机房的设计应兼顾远期的发展 5 低压接地系统采用TN S系统 2 两路市电电源之间的切换两路市电低压电源之间的切换可以采用手动或自动方式 当低压母线分段开关采用自动投切方式时 可以 自投自复 或 自投手复 低压母联断路器自投时应有一定的延时 当电源主断路器因过载或短路故障分闸时 母联断路器不得自动合闸 电源主断路器与母联断路器之间应有电气联锁 28 三 交流输入电源系统 低压交流供电系统设计 3 市电供电电源与备用发电机组电源的切换的要求1 应具备机械和电气联锁功能 以确保设备 供电及人身安全 2 小型数据中心可考虑直接在油机室内或电力机房内切换 3 大型数据中心应选择在低压配电室内进行切换 4 低压配电系统应预留移动发电机组的接口 5 低压系统至 48V和UPS系统交流输入端的供电线应采用双回路 6 低压配电设备的选择低压配电设备的选择 除低压配电屏的结构形式 固定安装或抽出式 外 最关键的是低压电器元件的选择 应选用技术先进 质量可靠的产品 工程中常用的低压电器有 空气断路器 塑壳断路器 隔离开关 负荷开关 转换开关 熔断器 交流接触器 中间继电器等 29 三 交流输入电源系统 现有在用交流输入电源系统优化问题据调查了解 现正在运行的有些通信局站 包括电信和数据中心 的高低压供电系统 存在着一定的问题 是供电安全的极大的隐患 急需改造优化 下面是一些实例 1 市电电源配置不规范问题1 表面上是两路市电 但两路市电来自同一个变电所或开闭所 俗称 假两路 市电 2 表面上是两路市电 但两路市电的容量不相等 当主用市电停电时 备用市电容量不能满足全部保证负荷用电 3 两路市电电缆同沟直埋 有可能因其他单位工程施工挖断电缆 造成2路市电同时长时间停电 30 三 交流输入电源系统 5关注现有交流输入电源系统优化问题 2 油机的容量不足问题1 初期满足要求 负荷增长后容量不足通信局站 电信和数据中心 在建设的初期 发电机组容量一般都满足要求 但随着负荷的日益增大 建设单位和设计单位忽略了发电机组的扩容 有些设计单位忽略了蓄电池均充负荷的计算 导致油机容量无法满足停电后保证负荷的需求 也就是保证负荷的最大值比发电机组的容量大了 2 31 三 交流输入电源系统 5关注现有交流输入电源系统优化问题 2 油机的容量不足问题2 表面上满足要求 实际容量不足发电机组的容量表面上满足通信局站的保证负荷的需求 但实际上当市电停电时 发电机组根本无法带保证负荷供电 这种隐性不足的问题容易被维护人员忽视 直到出现停电故障时才被发现 往往为时已晚 其原因通常有 a 油机房的进风口面积不足 导致进风量只能满足一台机组需要 直接影响机组的带载能力 因负载谐波电流过大 油机供电时直接导致发电机组的故障 所以新的设计规范YD T5040 2005已要求配电系统总谐波电流含量超过10 时必须进行谐波治理 c 储油量不足 不能支持油机较长时间运行 d 海拔 环境温度的影响 设计时考虑不周 5关注现有交流输入电源系统优化问题 3 谐波污染问题大量非线性负载导致配电系统中存在谐波电流 谐波电流导致供电系统电压和电流畸变率高 功率因素降低 线路损耗增加 电缆和设备发热严重等现象 使设备安全运行得不到保证 治理方法 配置专用的有源滤波器 将谐波电流控制在5 以内 使谐波影响范围降到最小 消除由于谐波而存在的安全隐患 提升变压器 柴油发电机组可用容量 4 无功补偿问题低压无功补偿电容器回路中应串联适当 一般6 参数的电抗器 以防止谐振发生 这是因为供电系统中谐波电流的存在时 在某些情况下 可能会引起系统谐振 谐振发生时 产生过电流和过电压 易烧毁接触器 电容器 18 三 交流输入电源系统 33 关注现有交流输入电源系统优化问题 5 配电系统保护装置选择性动作的问题发生短路故障时 下级开关未跳闸 而上级开关跳闸 这往往与设计和安装调测整定值错误有关 6 供电线路瓶颈问题1 后期设计未考虑前期引入电缆截面的大小 出现电缆截面不够 2 在输出垂直母线分支系统扩容负荷时未进行母线的核算 3 在扩容变压器时易忽略高压柜屏顶母线容量的核算 4 扩容时易忽略对前级开关容量的核对 5 交流电缆穿钢管过墙的问题 交流电缆 A B C N 分别穿钢管过墙 在钢管中产生涡流发热 电缆绝缘老化 发热严重 载流量下降 33 33 三 交流输入电源系统 34 34 5关注现有交流输入电源系统优化问题 6 其他走线 高低压 交直流 电源线与信号线交叉 共用走线路由的情况大量存在 变压器 有载调压装置的选择 冷却风扇的配置 多台变压器之间的联络 34 34 三 交流输入电源系统 35 四 与通信设备接口的电源系统 48VDC直流电源系统交换局内直流供电设备主要有高频开关电源整流器和与之配套的交流配电屏 直流配电屏 蓄电池组以及直流 直流变换器等 移动基站或光缆 微波中继等通信站由于直流负荷通常较小 故多采用集交流配电 开关整流器和直流配电于一体的组合式开关电源 1 直流供电系统设备配置原则直流供电系统的设备配置和导线应根据通信局 站 各种通信设备近远期的直流负荷调查统计 来配置高频开关整流器 蓄电池组 交直流配电屏的容量和数量以及选择导线的线径与规格型号 1 交 直流配电屏的容量按远期负荷配置 其输出负荷分路可根据用电设备的需求而定 2 高频开关整流器的容量应同时满足近期通信负荷和蓄电池组充电用负荷之和 整流模块的数量应采用冗余 N 1 的配置方式 36 四 与通信设备接口的电源系统 2 直流供电系统设备配置原则 3 蓄电池的容量应能满足规定的允许放电时间要求 4 直流供电母线的线径应能满足直流供电回路全程最大允许压降 3 开关电源和蓄电池的配置方法 设计依据 YD T5040 2005通信电源设备安装工程设计规范1 蓄电池容量的计算 Q CI式中Q 蓄电池容量C 电池容量系数I 负荷电流 37 1 蓄电池容量的配置方法 C 电池容量系数的计算 KTC 1 t 25 式中K 安全系数 取1 25T 放电小时数 h 见表t 实际电池所在地最低环境温度数值 所在地有采暖设备时 按15 考虑 无采暖设备时 按5 考虑 电池温度系数 1 当放电小时率 10时 取 0 006 当10 放电小时率 1时 取 0 008 当放电小时率 1时 取 0 01 四 与通信设备接口的电源系统 38 38 四 与通信设备接口的电源系统 2 开关电源容量计算 采用高频开关型整流器的局 站 应按n 1冗余方式确定整流器配置 其中n只主用 n 10时 1只备用 n 10时 每10只备用1只 主用整流器的总容量应按负荷电流和电池的均充电流 10小时率充电电流 之和确定 例如 负荷电流 1000A2组2500Ah的蓄电池充电电流为 2500X2 10 500A开关电源容量的计算 I总 负荷电流 充电电流 1000A 500A 1500A 0 9 效率 1667A选择100A的整流模块 则需要17个 根据配置原则 配置17 2 19个100A的整流模块模块的限流值 实际负载总电流 蓄电池允许最大充电电流 模块个数 39 39 39 四 与通信设备接口的电源系统 3 48V直流电压系统配电 48V直流供电线路应按最终负荷在蓄电池放电回路全程压降为3 2V为依据 计算电缆截面 2 从直流屏至通信设备电源输入端应采用双回路供电 要特别注意不应采用双系统双回路供电 3 直流配电屏48V直流电源正极接地 但至负载设备电源输入端直流电源的正极不应再接地 4 不应将两个较小容量的配电分路 熔断器或断路器 并联作为一个较大容量的配电分路使用 5 采用冗余整流模块休眠 提高能效 40 40 四 与通信设备接口的电源系统 220 380VACUPS电源系统设计 1 UPS种类的选择现有多种UPS系统 备用UPS VFD 互动UPS VI 双变换UPS VFI 通信系统应选择双变换UPS VFI 2 UPS系统结构的选择UPS系统结构有单机 隔离冗余 并联冗余和双母线冗余系统 通信系统应选择并联冗余和双母线冗余系统 现在实际应用的UPS中 并联冗余系统较多 双母线系统的应用日益增加 3 双母线UPS系统的2N和2 N 1 系统双母线冗余系统有2N和2 N 1 系统 2N双母线系统中的每个独立的UPS是单机系统 成本较低 2 N 1 双母线系统中的每个独立的UPS是 N 1 并联冗余系统 可靠性较高 成本高 负荷率低 效率较低 41 41 41 四 与通信设备接口的电源系统 220 380VACUPS电源系统设计 4 UPS配电1 并联冗余UPS的并联台数不宜超过3台 2 N 1并联冗余UPS系统中一台UPS故障时 其余UPS设备的单机负荷率不应大于其额定容量的80 3 2N或2 N 1 双母线系统中的一个独立的系统故障时 另一系统的单机UPS的负荷率不应大于其额定容量的80 4 并联冗余UPS系统从UPS的输出配电屏至通信设备的电源输入端宜采用双回路供电 对于双电源负载设备直接接入 单电源负载设备经STS 5 2N或2 N 1 双母线系统中 从UPS的输出配电屏至通信设备的电源输入端宜采用双系统双回路供电 双电源负载设备直接接入 单电源负载设备经STS静态切换开关 42 电信 48Vdc直流电源系统 1 直流供电系统的组成直流供电系统一般由高频开关整流器和与之配套的交流配电屏 直流配电屏 蓄电池组 直流 直流 DC DC 变换器等设备及其供电母线所组成 一些小型通信站 如移动基站 光缆和微波中继站 的开关电源系统为了减少占地面积 往往采用结构紧凑 安装使用方便的集开关整流单元 监控单元以及交直流配电部分为一体的组合开关电源架 2 对48VDC直流供电系统的评价48VDC直流系统将市电AC输入整流后 即供给通信设备 与AC供电系统相比 由于变换次数少 因而效率高 可靠性高 在实际应用中 无太大问题 但当负荷很大时 供电线路损耗增大 系统效率和可靠性有所下降 42 42 五 电信和数据中心供电系统应用现状 43 43 电信 48Vdc直流电源系统 2 根据通信局 站 规模容量及直流负荷大小 性质 种类的不同 直流供电系统可以采用分散式供电和集中式供电方式 1 分散式供电即设置2套以上的独立直流供电系统分别向不同的通信设备 系统 供电 由于其供电系统设置地点靠近通信负荷 供电线路损耗 直流回路压降 相对较小 另外 若其一供电系统出现故障 将只会造成局部通信的中断 影响面及其所造成的损失也相对较小 但此方式的系统 设备 多 维护量大 占地面积也多 2 集中式供电即设置一套直流供电系统向通信局 站 的所有通信设备 系统 供电 此供电方式系统 设备 少 维护工作量小 占地面积也较少 但一旦供电系统出现故障 将会造成全局 站 通信中断 其影响面及所造成的损失也较大 43 43 五 电信和数据中心供电系统应用现状 44 五 电信和数据中心供电系统应用现状 44 分散供电系统 45 45 集中供电系统 五 电信和数据中心供电系统应用现状 46 数据中心UPS供电系统 1 系统结构数据中心是重要的关键负载 必须采用双变换UPS 在实际应中多采用由双变换单机UPS组成的并联冗余UPS或双母线UPS供电系统 大型数据中心的典型的电源系统结构如图2所示 外市电引入方案通常采用两路进线 互为备用 配置一台 或两台 备用发电机组作为备用电源系统 市电电源之间 市电与备用发电机组之间的转换采用自动转换开关 ATS 由于大型数据中心业务的重要性 为满足大型数据中心服务器等IT设备高可用性的用电要求 在市电电源 备用发电机组与数据设备之间配置了由双变换UPS组成的双母线UPS供电系统 46 46 五 电信和数据中心供电系统应用现状 47 47 47 47 五 电信数据中心供电系统应用现状 图2大型数据中心采用的双母线UPS供电系统结构 负载总线同步控制 48 48 五 电信数据中心供电系统应用现状 2数据中心UPS供电系统 2 双变换UPS电源和服务器机架电源 PSU 双变换UPS的380V 220V交流输入电源从低压配电系统引入 输出电压为380V 220V UPS的输入和输出可能有隔离变压器 也可能没有隔离变压器 在每个服务器电源单元 PSU 中 AC DC变换器将220V交流电压变换为380V 410V的直流电压 这个DC电压再由隔离的DC DC变换器降压到一个安全的特别低的电压 SELV 典型的为12VDC 12VDC可供给硬盘 服务器风扇供电 而其他负载 例如微处理器和存储器 则需要电压调节器 VR 进一步降压 产生5VDC 3 3VDC等 图3是UPS和PSU电源结构图 49 五 电信数据中心供电系统应用现状 图3双变换UPS和服务器电源 PSU 49 50 50 五 电信数据中心供电系统应用现状 50 3数据中心现有供电系统的主要问题 1 系统效率低1 数据中心中的UPS主要采用双变换UPS 从UPS输入到通信设备的整个供电系统中电力变换次数多 在UPS内部进行了AC DC和DC AC两次变换 在服务器的PSU中还要进行AC DC DC DC两次到三次变换 每次变换都有能量损耗 因而导致系统效率低 2 数据中心的UPS一般采用 N 1 并联冗余系统 或 2N 和2 N 1 双母线系统 因此 UPS单机的负荷率很低 假设N 1 每个单机UPS正常时的最大负荷率为 理论上 N 1 并联冗余UPS为50 2N双母线系统为50 2 N 1 系统为25 实际上 2N 系统的单机UPS的负荷率为30 50 2 N 1 系统的单机UPS为15 25 N 1 并联冗余UPS为30 40 在如此低的负荷率下 UPS的系统效率将会从满载时的90 范围下降到80 或更低 51 51 51 五 电信数据中心供电系统应用现状 51 3数据中心现有供电系统的主要问题 1 系统效率低 2 UPS系统存在单点故障 可靠性和可用性较低 并联冗余UPS的集中旁路开关 双母线UPS系统中用于单电源负载的静态转换开关都可能引起单点故障 造成供电中断 3 维护难度大 52 五 电信数据中心供电系统应用现状 4现有在用UPS系统优化问题据了解目前在用UPS系统存在的主要问题如下 1 UPS供电系统方案不合理重要机房没有采用双母线方案 采用N 1供电方案时并联台数过多 采用1 1或2 1较好 UPS单机容量过大 不宜超过400KVA 许多UPS系统的输入 输出配电部分不合理 52 53 53 五 电信数据中心供电系统应用现状 4现有在用UPS系统优化问题 2 UPS系统电池后备时间不足 与其他系统的后备时间不匹配 不少UPS系统的电池后备时间达不到规范要求 在负荷较轻时 能够支撑较长的放电时间 所以不易发现该问题 但随着负荷的不断增加 电池放电时间会越来越短 直流系统的电池后备时间往往较长 但UPS系统的电池后备时间往往很短 二者间在设计时没有考虑相互匹配 使整个大楼的交流断电允许时间并没有延长 系统的可靠性并没有增加 53 38 54 54 五 电信数据中心供电系统应用现状 现有在用UPS系统优化问题 3 UPS系统电池并联组数过多UPS蓄电池任由UPS厂家配置 造成每台UPS多达五 六组的并联 甚至一个系统有配置十多组电池的情况 蓄电池并联台数一般不超过4组为宜 4 UPS系统导线选择不合理1 没采用阻燃电缆 2 中性线电流已接近相线电流 达90 以上 但采用的是3 1的供电电缆 中性线电缆截面较细 存在隐患 3 在谐波电流严重的情况下 中性线电流将会超过相线电流 设计规范以明确中性线采用于相线同截面的电缆 55 55 55 55 55 五 电信数据中心供电系统应用现状 现有在用UPS系统优化问题 5 UPS系统没有进行谐波治理输入谐波过大威胁交流供电系统安全 且增加能耗 增加零地电位差 危害数据设备 大量非线性负载导致配电系统中存在谐波电流 谐波电流导致供电系统电压和电流畸变率高 功率因素降低 线路损耗增加 电缆和设备发热严重等现象 使设备安全运行得不到保证 治理方法 配置专用的有源滤波器 将谐波电流控制在5 以内 使谐波影响范围降到最小 消除由于谐波而存在的安全隐患 提升变压器 柴油发电机组可用容量 56 56 56 56 56 56 五 电信数据中心供电系统应用现状 比较可行的电源节能措施 1 开关电源冗余模块休眠 一般使模块负荷率在40 以上 可节电15 20 2 开关电源高效模块采用 可提高效率4 3 新能源基站 太阳能和风能 燃料电池 4 蓄电池恒温箱 可适当提高机房温度 达到空调节电 5 新型蓄电池采用 磷酸铁锂电池 高温蓄电池 6 谐波治理 57 六 数据中心供电系统的发展趋势 从上世纪末开始 国际电信能源界对于电信和数据通信设备供电系统发展趋势进行了广泛的研讨和试验 现在仍在继续 根据试验结果 各国普遍认为 电信和数据中心未来的理想供电系统是高压直流 HVDC 供电系统 从本世纪中期开始 中国电信 中国移动 中国联通三大运营商积极开展了HVDC的研究试验工作 HVDC发展迅速 取得得了很大的成绩 57 58 58 六 数据中心供电系统的发展趋势 1通信高压直流 HVDC 供电系统的概念1 高压直流 HVDC 供电系统是将高压直流电源直接供到通信设备的电源输入端的供电系统 2 实现HVDC配电系统的基本条件 a 必须有专用的HVDC电源系统 b 服务器电源单元PSU应能接受HVDC供电 c 实现通信HVDC供电系统最大的挑战是 服务器 路由器等必须有HVDC输入端 HVDC供电电压较低时 交流输入的服务器也可直接接入HVDC 但不正规 d 相关的连接器 断路器 接地等应符合相关标准安全要求 59 六 数据中心供电系统的发展趋势 2HVDC供电系统结构和优点图4是HVDC配电系统 采用HVDC电源设备 将交流输入电变换为HVDC 通常为300 400VDC 电源 经过配电单元PDU将高压直流电供电到通信设备的电源输入端 服务器PSU 服务器的PSU将高压直流电变换为12VDC 5VDC 3 3VDC等供给数据通信设备 HVDC供电系统的优点主要有 系统电源变换次数少 损耗小 效率高 2 控制量只有一个 电压 ACUPS电压需要控制电压 频率 相位 2 蓄电池指直接接在母线上 市电故障时能直接供电 可靠性高 3 系统简单 成本低 占地面积小 4 维护方便 模块化设计 用户可更换模块 59 60 60 六 数据中心供电系统的发展趋势 图4HVDC供电系统 61 61 61 六 数据中心供电系统的发展趋势 3HVDC供电系统的电压等级HVDC系统的电压等级是非常重要的指标 因为最高电压和最低电压在的范围将影响电源标准的各个方面 包括系统效率 ACPSU设计 电缆截面 产品成本 系统安全 元器件的选择等等 确定HVDC电压的方法和提出的电压等级和电压范围尚不统一 目前ITU T ETSI正在讨论和制定国际标准 62 62 62 62 六 数据中心供电系统的发展趋势 3HVDC供电系统的电源等级 1 HVDC配电的相关标准虽然HVDC配电系统的效率最高 但还没有象ACUPS和 48VDC配电那样在工业中得到广泛应用 要实现HVDC配电 通信电源的基础设施必须改变 为了便于新产品的研制 电压等级的确定是十分重要的 现在还没有关于HVDC供电系统的国际标准 ETSI已出版了一个标准 EN300电信设备输入端的电源接口 此标准分为三部分 其中第三部分ETSIEN300132 3规定了电信设备可以由电压高达400V的AC电源 DC电源和整流电源供电 下面介绍ETSIEN300132 3电信设备输入端的电源接口 接口 A3 的相关内容 63 63 63 63 六 数据中心供电系统的发展趋势 3HVDC供电系统的电源等级 2 电信设备输入端的电源接口 接口 A3 1 接口A3的标识按照ETSIEN300132 3的规定 接口A3是电源连接到通信设备的一个物理点 接口A3位于通信设备的电源端子 接口A3的额定电压是230V 正常工作电压范围是 最大峰值电压为375V 最低有效值 rms 电压为188V 接口A3的标识见图5 注 以上电压范围 最高375V 最低188V 仅适用于欧洲L 相线或负极线N AC中线或DC回流线PE 保护地 64 64 64 64 六 数据中心供电系统的发展趋势 3HVDC供电系统的电源等级 2 电信设备输入端的电源接口 接口 A3 1 接口A3的标识 续 图5接口A3的标识 L 相线或负极线N AC中线或DC回流线PE 保护地 65 65 65 65 65 65 六 数据中心供电系统的发展趋势 2 电信设备输入端的电源接口 接口 A3 2 根据我国市电电压计算接口 A3 极限电压值以上所述的接口A3的额定电压值和极限电压值是针对欧洲市电电压规定的 我国的市电电压与欧洲不同 需要重新计算接口A3的极限电压值 我国现有网络的额定电压值是220V 相对中 额定值的容限是 10 考虑电信设备可能安装在有谐波的环境中 例如 工作于有谐波的备用发电机 应在整流电压上加上5 因此 最大整流电压是 220 1 1 1 05 2 359V 现网电压最小值是220V 额定值的容限是 10 由于谐波失真可能减小5 因此 最小的整流电压是 220 0 9 0 95 188V 66 66 66 66 66 66 66 六 数据中心供电系统的发展趋势 3HVDC供电系统的电源等级3 我国HVDC供电系统电压等级的确定 蓄电池系统设计 按照所选的电源系统的结构 其电压范围可以覆盖整流电压和蓄电池电压 整流电压 单相 最大峰值电压359V最小有效值 rms 电压188V蓄电池电压 最大电压359VDC最小电压188VDC 67 67 67 67 67 67 67 67 六 数据中心供电系统的发展趋势 3HVDC供电系统的电源等级 3 我国HVDC供电系统电压等级的确定 蓄电池系统设计 我国通信HVDC供电系统可根据上述接口A3的 359V 188V 设计 应保证在任何情况下 供电电压均在此范围内 据此设计蓄电池系统 应该特别注意的是 蓄电池电压范围必须选择得在A3接口的正常工作电压范围内 必须考虑蓄电池的均充电压 359V 和蓄电池放电终止电压 188V 68 68 68 68 68 68 68 68 68 六 数据中心供电系统的发展趋势 3HVDC供电系统的电源等级3 我国HVDC供电系统电压等级的确定 蓄电池系统设计 可以选择的方案 a 120只2V蓄电池 标称240V 电压范围200 4 282V 额定270Vb 144只2V蓄电池 标称288V 电压范围240 338V额定324Vc 150只2V蓄电池 标称300V 电压范围250 352V额定337Vd 168只2V蓄电池 标称336V 电压范围281 394V额定378V 注 浮充2 25V 均充2 35V 终止1 67V 其中a b c 方案可以兼顾现有AC输入服务器的PSU 正规应用也应采用专门设计的直流服务器 节能效果不如方案d 方案d 节能效果比a b c 高 但服务器PSU需要重新设计 69 69 69 69 69 69 69 69 69 69 六 数据中心供电系统的发展趋势 HVDC供电系统的试验试验采用的电压 中国电信 240VDC 中国联通 240VDC 中国移动 336VDC国外HVDC试验采用的电压均在300 400VDC 例如 Intel 336 360vdc 168或180只蓄电池 NTT 336 360vdc 168或180只蓄电池 目前 在世界范围内 HVDC仍处于试验阶段 我国的HVDC发展很快 现正在制定行业标准 关于HVDC供电系统需要研究的问题 1 HVDC的指标 标称电压 工作电压范围 故障异常电压范围 2 安全标准和要求 对人员和设备 3 接地和等电位连接 4 评价能源效率的方法 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 70 六 数据中心供电系统的发展趋势 240VHVDC供电系统的应用目前国内三大运营商中 试验和应用的HVDC供电系统 采用240V的最多 下面简单介绍240VDC高压直流供电系统应用中问题 1 系统由240V高频开关和蓄电池20节12V或120节以及直流配电设备组成 标称电压240Vdc 电压范围216 288V 额定电压270V 浮充 2 现有220Vac供电的服务器可以不改动而直接接入 见图 即240Vdc系统可以兼顾现有220Vac的ICT设备 3 直流保护器件分断电路困难 因为电流没有过零点 需要专门设计的灭弧系统 4 我国的240Vdc高压直流供电系统采用浮地 即正负极均不接地 人触及任何一极均不会触电 但当一个极接地时 人体触及另一极就会触电 因此需要进行绝缘监视 即使绝缘良好 如果同时触及240Vdc正负极 也会触电 5 系统和整流模块的容量 有分立系统和组合系统两种一体化组合式系统容量不应超过400A 分立式系统容量不宜大于1200A 最大不应大于1600A 在一个分立式系统中 整流模块总数不应少于3个 并联使用的整流机架不宜超过3个 在一个整流机架内安装的整流模块不宜多于20个 整流模块为10A 20A 40A居多 一体化组合系统宜采用10 20A模块 分立式系统宜采用20 40A模块 6 240Vdc供电系统一般采用单系统双回路 如下图所示 71 52 72 72 72 72 72 72 72 72 72 七 结束语 1为保证供电安全和提高能效 供电系统应符合设计规范要求 交流输入电源系统 高低压配电 和与数据设备接口的通信电源系统 UPS 都应处于最佳状态 加强电信和数据中心动力安全能效管理 应对现有供电系统进行优化 3HVDC供电系统在供电安全和节能方面具有优势 是未来数据中心供电系统的发展趋势 在世界范围内 HVDC现处于试验阶段 我国HVDC供电系统发展迅速 取得了很大的成绩 但仍仍需要解决应用中的具体问题 4传统的交流UPS的技术一直在不断发展 近年来取得了很大的进步 无变压器UPS的出现 先进的冗余技术 例如双母线技术 模块化UPS和先进的蓄电池管理系统的采用 使供电安全得到加强 特别是具有多运行方式的双变换UPS采用 使UPS的效率进一步提高 因此 传统UPS存在的问题在一定程度得到解决 预计传统交流UPS系统将会继续使用相当长的时间 73 谢谢