2016.9|李小将，等:高压直流在绿色机场设计中的应用研究

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近年来，我国民航取得了飞速的发展，航空出行成为主要的出行方式，民航机场的建设进程在加快，建设规模越来越大。如首都机场已开工新建二机场，其它如上海、广州、青岛、成都等开始新建或扩建机场。

机场航班及旅客保障已经完全信息化，机场数据中心 / 机房规模也越来越大。机房的供电方式仍以UPS为主，渐渐不能满足扩展、安全及降低能耗的需求。高压直流应用于IT设备供电，以低投资、高可靠性、低能耗的优势已成为机房一种新的供电模式。因此，研究HVDC技术在绿色机场建设中的应用非常有意义。

1 机场机房供电方案现状

国内旅客量超3 000万的机场（例如北京），至少设置了两个300 m2以上的A级主机房及若干个B级或C级机房。

A级数据中心机房一般采用300 kVA的UPS双机1 + 1并机冗余方案，实现对IT设备双电源供电。B级或C级末端机房通常采用中小型UPS分散或集中方式供电。

根据对机场UPS供电方式运行情况的调研，突出的问题有：

a. UPS设计时，UPS计算容量需要考虑机房内IT设备的尖峰用电和各IT设备的满载功率，以保证设备板卡扩展、扩容及尖峰启动需求，使得UPS容量偏大，使UPS稳态运行的负载率在20 % ~ 40 %，甚至出现低于20 % 的情况，所以UPS供电效率低、能耗高。

b. 机场机房为了保障供电可靠性，必然采用冗余方案，UPS在主路检修、旁路维护切换等情况下，静态开关参数离散造成旁路电流变化，并产生旁路环流，影响IT设备性能。

c. 采用交流UPS供电还存在如不可备份的系统单点故障，同步并机板、静态开关、输出切换开关等故障点不可控、不可维护、扩容难等问题。

2 机场HVDC供电可行性

2. 1 交流电源直流输入原理

为了降低通信局机房的PUE和对UPS逆变器的依赖，电信运营商从电信的48 V直流引申出240 VHVDC高压直流技术。高压直流供电架构与通用开关电源的架构是有本质区别的，高压直流供电架构如图 1所示。

从图1可见，标准交流电输入到整流模块，将标准交流电整流后输出240 V直流电，240 V直流经过直流配电线路到机房，再分配到机房机柜和IT设备。直流电池并联在直流配电母线上，直流母线经过直流监察模块接地。

机场IT设备（如服务器等）均为交流电源模块，可以直接输入直流240 V电压吗？会不会影响设备电源的VRM模块的输出及电能质量？

在接触高压直流供电之前，机场机房的IT设备均采用220 V AC，大都认为交流正弦波才是理想的供电电压。根据对机场机房内IT设备厂商的电源要求及其工作原理，典型的IT设备电源单元PSU电路原理图如图2所示。

交流电经过整流，输出含多次谐波分量的直流U3，但PFC后级电路不受输入的影响：PFC级之前的电路的电感元件L1、L2和C1、C2、C3为输入电压滤波电路，用来消除输入电压的高次谐波；R2是软起动电阻，用于防止IT设备上电时较大的输入冲击电流。上电结束后，通过继电器K1将启动电阻R2短路。

D1 ~ D4是全波整流电路桥（部分IT设备采用的半波整流电路）。L3、K2和D5组成PFC电路。当输入交流电压的正半波时，二极管D2和D4导通（不同的IT设备电源导通角不同），负半波时，二极管D1和D3导通，并输出300 V左右（以交流电压最大值为整定整流桥）的直流电压U3。U3含较多的高次谐波（一般THDI ≥ 30 %），功率因数较低（PF = 0. 7）。

高次谐波严重威胁IT设备主板及芯片的正常工作，电压纹波是直流电容发热和损坏的最主要因素，所以，直流才是IT设备内部理想的供电方式。U3直流的PFC电路非常关键，用来消除纹波和提高功率因数并输出U4，U4再经过DC / DC降压输出高质量的 ± 12 V、± 5 V或 ± 3. 3 V等电压给IT设备主板电路及芯片供电。

输入交流或直流电压只影响电源的PFC级前的电压和电流，而对PFC级后没有影响。所以，当IT设备PSU单元的交流输入端没有接入串联电容或并联电感线圈的前级滤波电路，都可以采用同电压等级240 V DC直接输入。而且用直流电源输入时，U3的质量更高，功率因数更高，同时降低了整流电路和PFC电路的能耗。

因为交流电源可以直接直流输入，电源供应商也积极响应，其中包括传统的UPS供应商，都推出了自己的HVDC产品及解决方案，可供选择的产品非常多。

2. 2 机场机房用电设备电源现状

机场机房设计通常按照GB50174 - 2008《电子信息系统机房设计规范》设计，将机场机房分为A级、B级、C级3个级别，对配电的基本要求包括：① 不间断电源系统应由不同的回路配电；② 宜配备隔离变压器；③单相负荷应均匀地分配在三相线路上。

如表1所示，机场3级别机房的用电设备多数为标准的用电设备，IT设备的电源基本符合ATX标准或SSI标准。SSI标准更加规范，是服务器和其它IT设备电源的趋势。

服务器电源符合SSI电源标准，SSI电源标准采用高频开关的全波整流电路，完全可以直接输入同电压等级的直流电，而不需做任何调整。

交换机电源没有像服务器电源一样的标准，考察主要的交换机电源情况：华三高端交换机和路由器（如 H3C 6820系列、H3C S10500系列、CR16000系列）等交流范围：90 ～ 264 V AC；直流范围：- 42 ～ - 72 V DC，直接提供48 V直流电源；中低端产品和高端产品基本一致，只是电源电压范围有区别。

华为中高端路由器和交换机（如CE6800系列及以上、AR3200系列以上）等提供HVDC 240 V电源模块CE12808S - DC，同时还提供HVDC 380 V电源模块PHD - 1K2WA - F；中低端产品（如S12700系列及以下）等未明确提供直流模块，也提供48 V直流电源；思科中高端路由器和交换机（如Nexus7000系列及以上、ASR1000系列及以上）均提供HVDC直流，输入范围为200 ~ 277 V。

通过以上对三大主流的交换机、路由器及其它网络产品提供商的数据表对电源的要求可知，除了华三交换机没有明确支持240 V直流交换机外，华为和思科交换机明确支持240 V DC直流电源输入。但是，由于华三交换机完全符合SSI电源标准，也完全支持240V直流输入。

通过研究和考察机场机房各类IT主要的用电设备，如服务器、交换机、存储、防火墙、路由器等，现有的大多数IT设备电源都是高频开关电源，而且输入端没有工频变压器和隔离变压器，可用直流输入，不会短路。

目前，机场使用到的IT设备大部分支持240 VDC：PC工作站全部支持；工控机100 %支持（ADVANTECH、COMPAQ）；小型机100 % 支持（IBM、HP等）；联想（IBM系列）服务器100 %支持；惠普服务器98 % 支持；戴尔服务器90 % 支持（磁阵不支持）；其他如EPON设备和防火墙等98 % 支持。少数早期的IT设备电源输入侧有电容隔离或电感短路元件，输入直流时阻抗很小，此类IT设备不能直接应用于直流供电。

机场机房还包括像风机、风扇、监控用CRT显示器、液晶显示器、灯具（如日光灯和节能灯等）、打印机、机房监控设备、多路电源切换设备等。

这些辅助设备需要分情况：如从直流侧取电，采用直流风机，可用HVDC供电；CRT显示器和灯具有变压器和交流励磁模块，只能使用交流；采用电子开关切换的多电源设备，可用HVDC，而采用继电器切换的设备只能用交流。还有一些特殊的情况，如有频率监测的设备，需要对频率监测启动设置改造后使用HVDC供电；有对地电感滤波设备，需要取消对地电感后使用HVDC供电；有启动过负荷保护功能的设备，需要改造后才能使用；按交流电压平均值设定整流桥的设备，需要关闭电源系统均充功能后才能使用。

所以，虽然IT设备的开关电源原理设计思路一致，但由于机场机房（尤其是B级和C级机房）内涉及的IT设备种类较多，电源还是有一定的差异性的，供电方案选择时需要特别注意。

2. 3 机场HVDC的效益分析

机场机房若采用直流直接输入IT设备，既没有短路阻抗，也不会被直流磁化的设备，而且蓄电池直接接入，系统的过负荷能力、应对支路负载短路故障及容错能力都强。参考文献对HVDC的接地故障和短路故障及处理进行了分析；参考文献  对采用UPS和HVDC供电方案进行了部分对比：初始投资HVDC比UPS减少约49. 1 %；机房占地空间HVDC比UPS减少约30 %，还对UPS和HVDC供电方案的CAPEX、OPEX以及可靠性等方面进行了对比。参考文献也从不同的角度，包括容量扩展、效率、电能质量、输出控制、扩容方式、中性线对地电压等多个方面阐述了各自的优缺点，HVDC的优势明显，本文不再赘述。

站在机场行业的角度，随着绿色机场建设的要求（民航局机场司颁布了《绿色机场规划导则》），以某机场主机房实例为基础，对机场特别关心的节能效果进行对比分析如下。

某中大型机场信息中心主机房，该信息中心机柜总数120个，其中布线和配电等列头柜18个，10个机柜预留，平均每个机柜用电3 kW左右。

2. 3. 1采用UPS供电情况

考虑到机房未来的扩展，UPS容量为400 kVA，1 + 1双机双母线冗余配置（实际配置）。

IT设备用电：276 kW；IT设备整流逆变损耗：77. 85 kW（效率按平均值78 % 计算）；UPS整流逆变损耗：131. 69 kW（由于负载率偏低，效率按运行最好值72 % 计算；双机冗余损耗按10 % 计算）；UPS电池浮充损耗：忽略；空调损耗：165. 1 kW（按UPS输入功率34 % 计算）；机房总损耗：374.64 kW（不计照明等辅助电能损耗）；机房PUE值：2. 357 4，处于国内机房PUE的平均值附近。

2. 3. 2如果使用HVDC供电

IT设备用电：276 kW；IT设备电源转换损耗：17. 62 kW（没有二次整流逆变，效率按平均值94 %计算）；HVDC整流损耗：35. 89 kW（HVDC按整流模块并联配置，效率很容易达到90 % 以上，按最低90 % 计算；双机冗余损耗按10 % 计算）；UPS电池浮充损耗：忽略；空调损耗：112. 03 kW（按HVDC输入功率34 % 计算）；机房总损耗：165.54 kW（不计照明等辅助电能损耗）；采用HVDC供电时，机房PUE值：1. 599 8，达到了国家绿色数据中心机房建设要求。

2. 3. 3直接经济效益

每年节省电费：1 465372. 8元（按365天，0. 8元 / kWh计算电费）。

一个中大型机场一般有2 ~3个A级大机房，4 ~ 8个中型B级机房，60 ~ 100个C级机房，在机场推广使用HVDC技术，对绿色机场建设意义重大。

3 机场使用HVDC供电方案探讨

3. 1 机场机房HVDC供电方案

根据附录的文献研究及国内行业的调研，国内机房主要的供电标准由交流220 V（单相）、380 V（三相），直流供电标准有48 V，350 ~ 400 V，288 ~ 350 V，240 V。采用240 V标准不需要进行安全认证，与交流220 V兼容，为进一步提升机场机房的节能效果，在机场使用HVDC供电，主要可以从以下两个方面进行：

① 老机房技术改造，将原有的UPS系统供电更换为HVDC供电；

② 新建机场机房，直接引进HVDC供电方案。已建机房的改造，由于已有的IT设备电源各异，无法逐一测试，部分设备电源可能无法直接接入直流输入；机场对不停航施工的要求比较高，预留的天窗时间有限，所以不建议改造工程采用HVDC供电方案。

新建机场或新建机房的供电方案，在有条件的情况下，建议采用HVDC供电方案，可以大幅提高基础供电可靠性和机房PUE，满足国家节能要求的同时也带来经济效益。图3提供了四种供电方案，以便机场建设时，根据实际情况进行选择。图3中，HVDC 供电包括交流配电箱、整流柜、直流总配电柜、直流分配电柜、蓄电池、电池柜。

其中方案一为HVDC +UPS混合供电方案，适用于新建机场及首次使用HVDC供电方案的A级机房；方案二为HVDC双机双母线供电方案，适用于新建机场的A级机房和部分特殊要求的B级机房；方案三为HVDC单机双母线供电方案，适用于新建机场的B级机房（其中部分设备可能为单电源设备）；方案四为HVDC单机单母线供电方案，适用于新建机场的C级机房（主要为单电源设备）。

3. 2 机场HVDC方案需要注意的问题

机场使用HVDC供电应以安全和节能兼顾原则，安全放在首位，节能为战略目标，并需要特别注意以下问题：

a. 为保证机场机房IT设备在采用HVDC方案后能正常工作，在设备或工程招标中明确IT设备PSU单元的输入参数，并且在设备机柜安装前，先对IT设备进行直流上电检测并试运行，待试运行正常工作后再上架运行。

b. 应参考 ETSI EN 300 132 - 3标准，直流“正”极对应于PSU输入的“N”端，直流“负”极对应于PSU输入线的“L”端，PSU输入线的“地”端与系统保护地可靠连接。

c. 虽然IT设备交流电源可以直接输入直流，但开关应尽量选择直流开关，且配电回路线缆选型也应重新计算。

d. 必须增加绝缘监测系统，检测直流正负极对地电压，并且在电源正负极对地绝缘发生变化时，及时给出告警信息。

e. 应及时对机房维护人员进行系统培训、安全培训等，重点是HVDC系统与UPS系统维护的差异。

f.  管理上持续跟进，需要建立HVDC供电的操作及运维规范和手册。

通过对HVDC供电原理及机场机房IT设备电源的分析，从技术上论证了机场主机房使用HVDC供电的可行性及经济性。但由于HVDC供电在机场范围或行业内没有使用案例，在机场机房推广HVDC供电还要解决如配套的供电技术规范及施工和验收规范等问题，在国家加大环保节能的政策因素及动力下，高压直流供电技术的发展远远快于企业观念的变化，绿色机场建设中采用HVDC方案势在必行。

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作者：

李小将，中国民用航空局第二研究所，高级工程师。

梁英，国网四川省电力公司技能培训中心，讲师。

全文载于《建筑电气》2016年第9期，详文请见杂志。版权归《建筑电气》所有。