通信用高壓直流供電系統(tǒng)的可靠性研究

田 密，張曉蘭

（1.華信咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江 杭州 310052；2.廣東技術(shù)師范大學(xué)，廣東 廣州 510665）

0 引 言

可靠性是衡量系統(tǒng)和設(shè)備的一項(xiàng)重要的綜合性質(zhì)量指標(biāo)[1]。隨著大數(shù)據(jù)和互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的發(fā)展，通信系統(tǒng)的可靠性要求越來(lái)越高，而通信系統(tǒng)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(kāi)關(guān)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(shù)發(fā)展時(shí)間相對(duì)較短，但相對(duì)于交流UPS電源，高壓直流電源具備簡(jiǎn)單、可靠、效率高等優(yōu)點(diǎn)。實(shí)際工程中，高壓直流電源應(yīng)用越來(lái)越廣泛。

本文以通信用高壓直流供電系統(tǒng)為例，對(duì)工程中常用的高壓直流供電系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行可靠性分析，供工程人員在實(shí)際工程應(yīng)用中參考。

1 可靠性相關(guān)知識(shí)

1.1 指數(shù)分布

在概率論和統(tǒng)計(jì)學(xué)理論中，指數(shù)分布是一種連續(xù)概率分布，可以用來(lái)表示獨(dú)立隨機(jī)的事件發(fā)生的時(shí)間間隔。很多電子產(chǎn)品的壽命和系統(tǒng)的壽命一般服從指數(shù)或用指數(shù)分布來(lái)近似。指數(shù)分布在可靠性研究中是比較常用的一種分布形式。在實(shí)際測(cè)試和應(yīng)用中，通過(guò)對(duì)部分電子產(chǎn)品和系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，認(rèn)為電子產(chǎn)品和系統(tǒng)的壽命服從指數(shù)分布是有效和合理的[3]。

一般來(lái)說(shuō)，用可靠度R(t)表示某種設(shè)備的可靠性，表示在某個(gè)時(shí)間區(qū)間[0,t]內(nèi)正常運(yùn)行或不發(fā)生故障的概率。為分析某種設(shè)備的可靠性，假設(shè)設(shè)備的壽命T服從指數(shù)分布，則該設(shè)備的可靠度R(t)可表示為：

式中，λ為設(shè)備故障率，是平均失效間隔時(shí)間（MTBF）的倒數(shù)。

1.2 系統(tǒng)可靠性模型計(jì)算

1.2.1 串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性

在組成系統(tǒng)的所有單元中，任一單元失效或發(fā)生故障就會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失效或故障，稱為串聯(lián)系統(tǒng)[3]。假設(shè)某個(gè)單元i的可靠度為Ri(t)(i=1,2,…,n)，則含有n個(gè)單元的串聯(lián)系統(tǒng)的可靠性可以用可靠度Rs(t)表示為：

1.2.2 并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性

在組成系統(tǒng)的所有單元中，所有單元失效或發(fā)生故障才會(huì)導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的失效或故障，稱為并聯(lián)系統(tǒng)[3]。假設(shè)某個(gè)單元i的可靠度為Ri(t)(i=1,2,…,n)，則含有n個(gè)單元的并聯(lián)系統(tǒng)的可靠性可以用可靠度Rs(t)表示為：

1.3 通信電源系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)

1.3.1 通信用240 V直流供電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)

在通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《通信用240 V直流供電系統(tǒng)》（YD/T 2378-2011）對(duì)通信用240 V直流供電系統(tǒng)的可靠性指標(biāo)中，提出系統(tǒng)的可靠性MTBF≥5×104h[2]。根據(jù)這一指標(biāo)，由式（1）可得出在1年使用時(shí)間內(nèi)，要求240 V直流供電系統(tǒng)的可靠度不小于：

1.3.2 交流低壓配電設(shè)備的可靠性指標(biāo)

在通信行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)《通信局（站）電源系統(tǒng)總技術(shù)要求》（YD/T 1051-2018）對(duì)電源系統(tǒng)主要設(shè)備的可靠性指標(biāo)中，提出的交流低壓配電設(shè)備的可靠性指標(biāo)為：在15年使用時(shí)間內(nèi)，關(guān)鍵部件平均年動(dòng)作次數(shù)不大于12次，平均失效間隔時(shí)間MTBF≥5×105h[1]。根據(jù)這一指標(biāo)，由式（1）可得出在1年使用時(shí)間內(nèi)，要求交流低壓配電設(shè)備的可靠度不小于：

標(biāo)準(zhǔn)中通信用240 V直流供電系統(tǒng)和交流低壓配電設(shè)備要求的MTBF都是最小值，實(shí)際產(chǎn)品的MTBF應(yīng)該更高，相應(yīng)的可靠度也應(yīng)該更高。

2 高壓直流供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)選擇

在實(shí)際通信電源工程應(yīng)用中，選擇何種通信電源系統(tǒng)的供電架構(gòu)是工程人員需要重點(diǎn)考慮的，需要從建設(shè)需求、系統(tǒng)可靠性和經(jīng)濟(jì)性等方面綜合考慮[4]。本文以通信用高壓直流供電系統(tǒng)為例，從系統(tǒng)的可靠性方面對(duì)工程中常用的3種高壓直流供電系統(tǒng)架構(gòu)進(jìn)行分析，供工程人員在實(shí)際工程應(yīng)用中參考。

2.1 單系統(tǒng)雙回路供電結(jié)構(gòu)

圖1為高壓直流單系統(tǒng)雙回路供電結(jié)構(gòu)示意圖。此供電結(jié)構(gòu)與直流48 V開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)相同，系統(tǒng)中服務(wù)器機(jī)柜的雙路電源輸入來(lái)自于同一套高壓直流供電系統(tǒng)。

圖1 單系統(tǒng)雙回路供電結(jié)構(gòu)示意圖

由式（2）和式（3）可以得出高壓直流單系統(tǒng)雙回路供電結(jié)構(gòu)的可靠度為：

式中，Rs(1)為1年使用時(shí)間內(nèi)單系統(tǒng)雙回路供電結(jié)構(gòu)的可靠度；R1(l)為1年使用時(shí)間內(nèi)樓層配電柜、列頭柜的可靠度；R2(l)為1年使用時(shí)間內(nèi)高壓直流供電系統(tǒng)的可靠度。

假設(shè)上述各配電設(shè)備的可靠度按第1.3節(jié)中可靠性指標(biāo)計(jì)算，則圖1中供電結(jié)構(gòu)可靠度為：

2.2 雙系統(tǒng)雙回路供電結(jié)構(gòu)

圖2為高壓直流雙系統(tǒng)雙回路供電結(jié)構(gòu)示意圖。此供電結(jié)構(gòu)中服務(wù)器機(jī)柜雙路輸入分別來(lái)自于不同的高壓直流供電系統(tǒng)。

由式（2）和式（3）可以得出高壓直流雙系統(tǒng)雙回路供電結(jié)構(gòu)的可靠度為：

式中，Rs(1)為1年使用時(shí)間內(nèi)雙系統(tǒng)雙回路供電結(jié)構(gòu)的可靠度；R1(l)為1年使用時(shí)間內(nèi)樓層配電柜、列頭柜的可靠度；R2(l)為1年使用時(shí)間內(nèi)高壓直流供電系統(tǒng)的可靠度。

圖2 雙系統(tǒng)雙回路供電結(jié)構(gòu)示意圖

假設(shè)上述各配電設(shè)備的可靠度按第1.3節(jié)中可靠性指標(biāo)計(jì)算，則圖2中供電結(jié)構(gòu)可靠度為：

2.3 市電+高壓直流供電結(jié)構(gòu)

圖3為市電+高壓直流供電結(jié)構(gòu)示意圖。此供電結(jié)構(gòu)中服務(wù)器機(jī)柜雙路輸入分別來(lái)自于一路市電、一路高壓直流供電系統(tǒng)。

圖3 市電+高壓直流供電結(jié)構(gòu)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(shí)間內(nèi)市電+高壓直流供電結(jié)構(gòu)的可靠度；R1(1)為1年使用時(shí)間內(nèi)樓層配電柜、列頭柜的可靠度；R2(1)為1年使用時(shí)間內(nèi)高壓直流供電系統(tǒng)的可靠度。

假設(shè)上述各配電設(shè)備的可靠度按第1.3節(jié)中可靠性指標(biāo)計(jì)算，則圖3中供電結(jié)構(gòu)可靠度為：

從3種不同的高壓直流供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖可以看出，3種供電結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)。高壓直流單系統(tǒng)雙回路供電結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，相應(yīng)的建設(shè)成本低；缺點(diǎn)是由于服務(wù)器機(jī)柜的雙路電源輸入來(lái)自同一套電源系統(tǒng)，導(dǎo)致系統(tǒng)的電源輸入存在單點(diǎn)故障。高壓直流雙系統(tǒng)雙回路供電結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是解決了單系統(tǒng)雙回路供電的單點(diǎn)故障，提升了系統(tǒng)的供電可靠性；缺點(diǎn)是增加了建設(shè)成本，系統(tǒng)的冗余度較大，導(dǎo)致正常運(yùn)行時(shí)系統(tǒng)帶載率不高[5]。市電+高壓直流供電結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)是消除了系統(tǒng)的單點(diǎn)故障瓶頸，提高了供電的可靠性，市電路無(wú)需電能的轉(zhuǎn)換可最大程度提高系統(tǒng)效率；缺點(diǎn)是市電路電能質(zhì)量沒(méi)有高壓直流電源高，且無(wú)蓄電池保障。

通過(guò)以上3種高壓直流供電系統(tǒng)架構(gòu)的可靠性計(jì)算分析，市電+高壓直流供電結(jié)構(gòu)的可靠性相對(duì)較高，高壓直流單系統(tǒng)雙回路供電結(jié)構(gòu)的可靠性相對(duì)較低。但是，可靠性僅是選擇系統(tǒng)架構(gòu)的因素之一，需要從建設(shè)需求、系統(tǒng)可靠性以及經(jīng)濟(jì)性等[6]方面綜合考慮，選擇合適的供電架構(gòu)。

3 結(jié) 論

本文以通信用高壓直流供電系統(tǒng)為例，分別對(duì)高壓直流單系統(tǒng)雙回路供電結(jié)構(gòu)、高壓直流雙系統(tǒng)雙回路供電結(jié)構(gòu)、市電+高壓直流供電結(jié)構(gòu)3種結(jié)構(gòu)進(jìn)行可靠性計(jì)算分析，得出市電+高壓直流供電結(jié)構(gòu)的可靠性相對(duì)較高。綜合來(lái)看，通信用高壓直流供電系統(tǒng)3種供電結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，建議實(shí)際工程應(yīng)用中從建設(shè)需求、系統(tǒng)可靠性以及經(jīng)濟(jì)性等方面綜合選擇。