通信用高壓直流供電系統的可靠性研究

田 密，張曉蘭

（1.華信咨詢設計研究院有限公司，浙江 杭州 310052；2.廣東技術師范大學，廣東 廣州 510665）

0 引 言

可靠性是衡量系統和設備的一項重要的綜合性質量指標[1]。隨著大數據和互聯網業務的發展，通信系統的可靠性要求越來越高，而通信系統的可靠性很大程度上依賴于通信電源的可靠性。目前，常用的通信電源主要有交流UPS電源、直流48 V開關電源以及高壓直流電源（240 V/336 V）等[2]。其中，高壓直流電源技術發展時間相對較短，但相對于交流UPS電源，高壓直流電源具備簡單、可靠、效率高等優點。實際工程中，高壓直流電源應用越來越廣泛。

本文以通信用高壓直流供電系統為例，對工程中常用的高壓直流供電系統架構進行可靠性分析，供工程人員在實際工程應用中參考。

1 可靠性相關知識

1.1 指數分布

在概率論和統計學理論中，指數分布是一種連續概率分布，可以用來表示獨立隨機的事件發生的時間間隔。很多電子產品的壽命和系統的壽命一般服從指數或用指數分布來近似。指數分布在可靠性研究中是比較常用的一種分布形式。在實際測試和應用中，通過對部分電子產品和系統進行測試和驗證，認為電子產品和系統的壽命服從指數分布是有效和合理的[3]。

一般來說，用可靠度R(t)表示某種設備的可靠性，表示在某個時間區間[0,t]內正常運行或不發生故障的概率。為分析某種設備的可靠性，假設設備的壽命T服從指數分布，則該設備的可靠度R(t)可表示為：

式中，λ為設備故障率，是平均失效間隔時間（MTBF）的倒數。

1.2 系統可靠性模型計算

1.2.1 串聯系統的可靠性

在組成系統的所有單元中，任一單元失效或發生故障就會導致整個系統的失效或故障，稱為串聯系統[3]。假設某個單元i的可靠度為Ri(t)(i=1,2,…,n)，則含有n個單元的串聯系統的可靠性可以用可靠度Rs(t)表示為：

1.2.2 并聯系統的可靠性

在組成系統的所有單元中，所有單元失效或發生故障才會導致整個系統的失效或故障，稱為并聯系統[3]。假設某個單元i的可靠度為Ri(t)(i=1,2,…,n)，則含有n個單元的并聯系統的可靠性可以用可靠度Rs(t)表示為：

1.3 通信電源系統的可靠性指標

1.3.1 通信用240 V直流供電系統的可靠性指標

在通信行業標準《通信用240 V直流供電系統》（YD/T 2378-2011）對通信用240 V直流供電系統的可靠性指標中，提出系統的可靠性MTBF≥5×104h[2]。根據這一指標，由式（1）可得出在1年使用時間內，要求240 V直流供電系統的可靠度不小于：

1.3.2 交流低壓配電設備的可靠性指標

在通信行業標準《通信局（站）電源系統總技術要求》（YD/T 1051-2018）對電源系統主要設備的可靠性指標中，提出的交流低壓配電設備的可靠性指標為：在15年使用時間內，關鍵部件平均年動作次數不大于12次，平均失效間隔時間MTBF≥5×105h[1]。根據這一指標，由式（1）可得出在1年使用時間內，要求交流低壓配電設備的可靠度不小于：

標準中通信用240 V直流供電系統和交流低壓配電設備要求的MTBF都是最小值，實際產品的MTBF應該更高，相應的可靠度也應該更高。

2 高壓直流供電系統的結構選擇

在實際通信電源工程應用中，選擇何種通信電源系統的供電架構是工程人員需要重點考慮的，需要從建設需求、系統可靠性和經濟性等方面綜合考慮[4]。本文以通信用高壓直流供電系統為例，從系統的可靠性方面對工程中常用的3種高壓直流供電系統架構進行分析，供工程人員在實際工程應用中參考。

2.1 單系統雙回路供電結構

圖1為高壓直流單系統雙回路供電結構示意圖。此供電結構與直流48 V開關電源系統相同，系統中服務器機柜的雙路電源輸入來自于同一套高壓直流供電系統。

圖1 單系統雙回路供電結構示意圖

由式（2）和式（3）可以得出高壓直流單系統雙回路供電結構的可靠度為：

式中，Rs(1)為1年使用時間內單系統雙回路供電結構的可靠度；R1(l)為1年使用時間內樓層配電柜、列頭柜的可靠度；R2(l)為1年使用時間內高壓直流供電系統的可靠度。

假設上述各配電設備的可靠度按第1.3節中可靠性指標計算，則圖1中供電結構可靠度為：

2.2 雙系統雙回路供電結構

圖2為高壓直流雙系統雙回路供電結構示意圖。此供電結構中服務器機柜雙路輸入分別來自于不同的高壓直流供電系統。

由式（2）和式（3）可以得出高壓直流雙系統雙回路供電結構的可靠度為：

式中，Rs(1)為1年使用時間內雙系統雙回路供電結構的可靠度；R1(l)為1年使用時間內樓層配電柜、列頭柜的可靠度；R2(l)為1年使用時間內高壓直流供電系統的可靠度。

圖2 雙系統雙回路供電結構示意圖

假設上述各配電設備的可靠度按第1.3節中可靠性指標計算，則圖2中供電結構可靠度為：

2.3 市電+高壓直流供電結構

圖3為市電+高壓直流供電結構示意圖。此供電結構中服務器機柜雙路輸入分別來自于一路市電、一路高壓直流供電系統。

圖3 市電+高壓直流供電結構示意圖

由式（2）和式（3）可以得出市電+高壓直流供電的可靠度為：

式中，Rs(1)為1年使用時間內市電+高壓直流供電結構的可靠度；R1(1)為1年使用時間內樓層配電柜、列頭柜的可靠度；R2(1)為1年使用時間內高壓直流供電系統的可靠度。

假設上述各配電設備的可靠度按第1.3節中可靠性指標計算，則圖3中供電結構可靠度為：

從3種不同的高壓直流供電系統結構示意圖可以看出，3種供電結構各有優缺點。高壓直流單系統雙回路供電結構優點是系統的結構相對簡單，相應的建設成本低；缺點是由于服務器機柜的雙路電源輸入來自同一套電源系統，導致系統的電源輸入存在單點故障。高壓直流雙系統雙回路供電結構優點是解決了單系統雙回路供電的單點故障，提升了系統的供電可靠性；缺點是增加了建設成本，系統的冗余度較大，導致正常運行時系統帶載率不高[5]。市電+高壓直流供電結構優點是消除了系統的單點故障瓶頸，提高了供電的可靠性，市電路無需電能的轉換可最大程度提高系統效率；缺點是市電路電能質量沒有高壓直流電源高，且無蓄電池保障。

通過以上3種高壓直流供電系統架構的可靠性計算分析，市電+高壓直流供電結構的可靠性相對較高，高壓直流單系統雙回路供電結構的可靠性相對較低。但是，可靠性僅是選擇系統架構的因素之一，需要從建設需求、系統可靠性以及經濟性等[6]方面綜合考慮，選擇合適的供電架構。

3 結 論

本文以通信用高壓直流供電系統為例，分別對高壓直流單系統雙回路供電結構、高壓直流雙系統雙回路供電結構、市電+高壓直流供電結構3種結構進行可靠性計算分析，得出市電+高壓直流供電結構的可靠性相對較高。綜合來看，通信用高壓直流供電系統3種供電結構各有優缺點，建議實際工程應用中從建設需求、系統可靠性以及經濟性等方面綜合選擇。