通信网络中心机房电源系统可靠性研究

翟守阳

（中广核工程有限公司）

1 引言

通信网络中心机房是通信系统的心脏，对于通信系统的正常运作起着举足轻重的核心作用。通信网络中心机房不但在正常运行时要保持正常运作，即使在出现事故的情况下也不能瘫痪，需要维持正常的服务，以便在发生事的故情况下也能维持通信的畅通。

要提高通信网络中心机房的可靠性，一是要提高通信机房里面通信主设备本身的可靠性，二是要提高给主设备供电的电源系统的可靠性，其中提高电源系统的可靠性是根本。随着通信技术的发展，目前通信主设备，如电话交换机、媒体服务器、媒体网关、核心网络交换机等设备的可靠性高达99.999%以上，进入了电信运营级行列，MTBF（平均无故障时间）大于40年，故通信主设备本身的可靠性已经得到充分保障。而作为给通信主设备供电的电源系统，才是通信网络中心机房能够正常运行的基础，也恰恰是瓶颈所在。

在过去的设计中，通信电源系统常被看作是通信系统的一个辅助系统而受到忽略，其实无论多可靠的通信设备，一旦失去了供电，再高的可靠性也只是空中楼阁。统计数据表明，通信系统的故障有近1/3是由于电源系统故障造成，故提高通信网络中心机房的电源可靠性是提升通信机房整体可靠性的关键所在，是目前刻不容缓的研究任务和攻坚目标。

本研究旨在对通信网络中心机房电源系统进行全面分析的基础上，研究提高通信网络中心机房电源可靠性的方案，以期在增加可靠性的同时不会大幅度提高机房的整体建设成本，并在技术先进、经济合理的条件下，寻找出提高机房电源系统可靠性的最佳方案，以确保通信网络中心机房的可靠运作，延长缺少外部供电情况下仅依靠蓄电池组的使用时间，即使在紧急情况下也能提供信息通路，为事故的顺利处理提供保证。

2 通信电源可靠性理论知识

2.1 可靠性指标

1）可靠度R（t）

在规定条件下和规定时间内完成规定功能的概率称为可靠度，R（t）=NS（t）/N0（t）

其中NS（t）在时间t内，被考察设备未发生故障的个数；N0（t）为被考察的同样设备的总数。

2）故障率λ

被考察设备运行到t时刻后，单位时间内发生故障的设备数与时刻t内完好的设备数之比称为产品的故障率。故障率与可靠度的关系是：R（t）=exp（- λt）

3）平均失效间隔时间MTBF

平均失效间隔时间MTBF的分布符合指数分布规律。按照统计理论：

2.2 可靠性系统模型

2.2.1 串联系统

串联系统中，只要有一个设备故障就会导致系统发生故障。系统可靠度RS（t）=R1（t） R2（t）…Rn（t）。在指数分布下，Ri（t）=e-λit，其中λ为失效率，

2.2.2 并联系统

并联系统中，只要有一个设备工作正常，则整个系统仍能正常工作，系统可靠度RS（t）=1-[1-R1（t）][1-R2（t）]…[1-Rn（t）]。在指数分布下， Ri（t）=e-λit，其中λ为故障率。

2.2.3 混联系统

1）串-并联系统，其系统可靠度：

2）并-串联系统，其系统可靠度：

3 通信网络中心机房电源系统现状

3.1 系统描述

通信网络中心机房电源系统包括双路输入交流屏、UPS电源、UPS蓄电池、交流配电柜、高频开关电源、直流蓄电池、直流配电柜等设备。典型的通信网络中心机房电源系统，机房进线有2路380V电源，分别来自普通电源和柴油机。在双路输入交流屏处进行一次自动切换后，再供给下游的各通信电源设备如UPS和高频开关电源等。UPS电源有2台，并机运行，下游交流用电设备的总功率由这2台UPS共同承担，由1台交流配电柜配电，每台UPS带有一组蓄电池组。高频开关电源有2台，下游直流用电设备的总功率由这2台高频开关电源共同承担，由1台直流配电柜配电，每台高频开关电源带有一组蓄电池组。

3.2 系统可靠性分析

根据相关规范标准，列出常用通信电源设备的MTBF指标。

3.2.1 通信局（站）电源系统总技术要求YD/T 1051-2000

1）市电一类：平均每月停电少于1次，每次故障持续时间≤0.5h。

2）市电二类：平均每月停电少于3.5次，每次故障持续时间≤6h。

3）市电三类：平均每月停电少于4.5次，每次故障持续时间≤8h。

4）后备油机发电机组（G）：MTBF≥800h。

5）低压配电设备（ACP）：MTBF≥5×105h。

6）直流配电设备（DCP）：MTBF≥1×105h。

7）高频开关整流设备（DC）：MTBF≥5×104h。

8）蓄电池组（BAT）：MTBF≥3.5×105h。

3.2.2 通信用不间断电源-UPS YD/T 1095-2000

UPS系统：MTBF≥1×105h

根据系统各部分的串、并联关系逐步计算出各部分乃至整个系统的可靠性。从电源系统上看，2台UPS是并联的，但是因为这2台UPS是并机运行，实际上可以看成一台，因此2台UPS必须同时正常运行才能保证有足够功率的电能提供给用电设备，任何一台如果出现故障，则输出功率只有原来一半，无法满足全部用电设备的需求，使得通信系统无法正常运行，所以这2台UPS在逻辑上看实际是串联的。经分析可知，该系统是由交流和直流两部分组成，可对这两部分分别计算。

对一类普通电源而言，其正常时间概率为：

对各电源设备，假定其可靠性满足上述列入的可靠性要求，根据公式：

可以求出各设备在t=1a（8760h）时，各类设备正常工作的可靠度R，如下所述：

1）交流配电柜：RACP=98.26%。

2）UPS电源：RUPS=99.13%。

3）高频开关电源：RDC=83.92%。

4）直流配电柜：RDCP=99.13%。

5）后备蓄电池组（2组并联）：RBAT=98.35%。

6）后备蓄电池组（1组）：RBAT=97.53%。

7）后备柴油机：RG=72.98%。

以下内容逐步计算该系统的可靠度，先考察交流部分。

第一步，分析普通电源与柴油机构成的后备运行方式的并联系统S1，其可靠性为：

第二步，分析S1与交流配电柜ACP1组成的串联系统S2，其可靠性为：

第三步，由于S2同时为UPS和高频开关电源供电，为方便计算，将其等效为2个可靠性相等的并联系统S3，其可靠性为：

第四步，考察RS3与UPS1、UPS2组成的串联系统RS4，其可靠性为：

第五步，考察RS4与BAT1形成的后备运行方式的并联系统RS5，利用概率公式，计算其可靠性为：

第六步，考察RS5与ACP2组成的串联系统RS6，其可靠性为：

再考察直流部分，同理可计算出其可靠性为：

由于交流和直流部分同时正常工作系统才能正常工作，故系统总的可靠度RS为：

4 通信网络中心机房电源系统改进方案

4.1 方案一

4.1.1 系统描述

原方案虽然有2台UPS和2台高频开关电源，但因其为并机运行，实际只相当于1台，因此自然想到将UPS和高频开关电源都改为一主一备的形式。改进方案与现状的主要区别在于2台UPS和高频开关电源不是并机运行，而是做到了一主一备，每台UPS和高频开关电源的容量都足够承带下面的所有用电负荷。每台UPS对应1台交流配电柜和1组蓄电池，每台高频开关电源也对应1台直流配电柜和1组蓄电池。

4.1.2 系统可靠性分析

与原方案分析不同，方案一的UPS和高频开关电源是一主一备的，因此逻辑上也是并联的。经分析可知该系统也是由交流和直流两部分组成，可对这两部分分别计算。普通电源和各电源设备的可靠度与前面所得一致，以下不再赘述。

下面逐步计算该系统的可靠度，先考察交流部分。

第一步，分析普通电源与柴油机构成的后备运行方式的并联系统S1，其可靠性为：

第二步，分析S1与交流配电柜ACP1组成的串联系统S2，其可靠性为：

第三步，由于S2同时为UPS和高频开关电源供电，为方便计算，将其等效为4个可靠性相等的并联系统S3，其可靠性为：

第四步，考察RS3与UPS1组成的串联系统RS4，其可靠性为：

第五步，考察RS4与BAT1形成的后备运行方式的并联系统RS5，利用概率公式计算，其可靠性为：

第六步，考察RS5与ACP1组成的串联系统RS6，其可靠性为：

同理，另一路UPS的可靠性为97.37%

两路并联，可靠性为：

再考察直流部分，同理可计算出其可靠性为：

两路并联，可靠性为：

由于交流和直流部分同时正常工作，系统才能正常工作，故系统总的可靠度RS为：

可见，可靠性比原方案有较大提高。

4.2 方案二

4.2.1 系统描述

方案一改进后，可靠性较高。考虑到部分通信设备，如语音设备需要更长的后备电池时间，因此方案二中将原来的其中1台大容量的UPS换成2台小容量的UPS，其中1台小容量UPS专门带需要较长后备电池时间的用电设备。高频开关电源直接从UPS取电，省去蓄电池组。另外，对于部分设备如无线通信设备，由于其重要性高，单独从柴油机取一路电，以避免双路输入交流屏的单点故障。

4.2.2 系统可靠性分析

方案二的UPS2承带了所有用电设备，而UPS1和UPS3各带了其中一部分设备，因此逻辑上是UPS1和UPS3串联后再与UPS2并联。为方便计算，分别对交流和直流两部分进行分析。普通电源和各电源设备的可靠度与前面所得一致，以下不再赘述。

下面逐步计算该系统的可靠度，先考察交流部分。

第一步，分析普通电源与柴油机构成的后备运行方式的并联系统S1，其可靠性与方案一相同，即RS1=99.98%。

第二步，分析S1与交流配电柜ACP组成的串联系统S2，其可靠性与方案一相同，即RS2=98.24%。

第三步，由于S2同时为UPS2、UPS1和UPS3供电，为方便计算，将其等效为2个可靠性相等的并联系统S3，其可靠性为：

第四步，考察RS3与UPS2组成的串联系统RS4，其可靠性为：

第五步，考察RS4与BAT1形成的后备运行方式的并联系统RS5，利用概率公式，其可靠性为：

第六步，考察RS5与ACP1组成的串联系统RS6，其可靠性为：

同理，可计算另一路UPS的可靠性为：

两路并联，可靠性为：

再考察直流部分，考察UPS2、ACP2、DC1、DCP1，其可靠性为：

对于第2条直流支路：

第一步，考察S3与UPS3和ACP3的串联系统S7，其可靠性为：

第二步，考察S7与柴油机形成的后备运行方式的并联系统S8，其可靠性为：

第三步，考察S8与ACP4、DC2、DCP2组成的串联系统R直2，其可靠性为：

两路并联，可靠性为：

由于交流和直流部分同时正常工作系统才能正常工作，故系统总的可靠度RS为：

可见，由于直流部分可靠性偏低，影响了整个系统的可靠性较低。

4.3 方案三

4.3.1 系统描述

由方案二可靠性计算中不难发现，虽然高频开关电源省去蓄电池组降低了成本，但因直流部分可靠性低而降低了整体系统的可靠性，因此，考虑还是要恢复设置高频开关电源的蓄电池组。兼顾到部分通信设备如语音设备需要更长的后备电池时间，以及避免最前端的双路输入交流屏单点故障，做出了改进方案三，交流部分的改进思想与方案二类似，但直流部分恢复了蓄电池组，并另外设置了一台双路输入交流屏，以避免最前端的双路输入交流屏单点故障。

4.3.2 系统可靠性分析

与之前计算分析类似，先考察交流部分。

方案三的交流部分与方案二相同，其可靠性为：

第一步，分析普通电源与柴油机构成的后备运行方式的并联系统S1，其可靠性与方案一相同，即RS1=99.98%。

第二步，分析S1与交流配电柜ACP组成的串联系统S2，其可靠性与方案一相同，即RS2=98.24%。

第三步，由于S2同时为DC1、DC2供电，为方便计算，将其等效为2个可靠性相等的并联系统S3，其可靠性为：

第四步，考察RS3与DC1组成的串联系统RS4，其可靠性为：

第五步，考察RS4与BAT3形成的后备运行方式的并联系统RS5，利用概率公式，计算出其可靠性为：

第六步，考察RS5与DCP1组成的串联系统RS6，其可靠性为：

同理，可计算另一路高频开关电源的可靠性为：

两路并联，可靠性为：

由于交流和直流部分同时正常工作系统才能正常工作，故系统总的可靠度RS为：

可见，可靠性比方案一更进一步提高。

5 蓄电池使用时间计算

为计算蓄电池使用时间，先列出通信网络中心机房内通信设备功耗如下：

1）AVAYA媒体服务器：交流220V，5kW。

2）G650媒体网关：交流220V，10kW。

3）综合业务传输系统主机：交流220V，4kW。

4）多媒体业务接入网关：交流220V，2kW。

5）维护终端：交流220V，1kW。

6）服务器接入网络交换机：交流220V，2kW。

7）应用系统服务器：交流220V，50kW。

8）PoE网络交换机：交流220V，10kW。

9）广域网路由器：交流220V，2kW。

10）通信设备监控系统主机：交流220V，4kW。

11）核心层网络交换机：交流220V，4kW。

12）汇聚层网络交换机：交流220V，4kW。

13）无线通信系统主机：直流-48V，2kW。

14）基站：直流-48V，1kW。

15）MDS调度机：直流-48V，1kW。

其中AVAYA媒体服务器、G650媒体网关、综合业务传输系统主机、多媒体业务接入网关、PoE网络交换机等设备需要考虑额外延长供电时间，特将之定义为重要设备。

可计算得总功率（交流）为100kW，其中总功率（交流）中的重要设备为31kW，总功率（直流）为4kW。

当外部电源失去、仅靠蓄电池供电时，语音通信相关的设备供电需要优先保证，供电时间应尽可能延长（即上述的重要设备），而其他的设备如计算机网络设备的供电时间不需特别考虑延长。

前面论述的方案二、三将重要设备与非重要设备分开UPS供电，因此以下计算原方案和分开UPS供电方案的蓄电池使用时间并进行比较。

对于原方案，蓄电池容量为1200Ah，负荷电流为568A，蓄电池使用时间（交流）为0.5h。而对于分开UPS供电方案，分配给重要设备的蓄电池容量考虑为400Ah，非重要设备考虑为800Ah，则可得重要设备的负荷电流为176A，非重要设备的负荷电流为392A，最后可计算出重要设备的蓄电池使用时间（交流）为2h，非重要设备的蓄电池使用时间（交流）仍为0.5h。

可见，改进前，所有交流设备都用同一组蓄电池供电，结果大量电能被不需要特别保证供电的耗电大户，如服务器等设备消耗掉，导致真正需要延长供电时间的语音通信相关设备的供电时间很短。经过改进后，把重要和非重要设备相分离，大大提高了需要延长供电时间的语音通信相关设备的供电时间，增幅量达4倍之多。

6 各方案电源设备配置及投资概况

6.1 原方案

双路输入交流屏：5（万元）×1=5（万元）。

UPS电源：15（万元）×2=30（万元）。

交流配电柜：3（万元）×1=3（万元）。

UPS蓄电池组：15（万元）×2=30（万元）。

高频开关电源：15（万元）×2=30（万元）。

直流配电柜：3（万元）×1=3（万元）。

直流蓄电池组：15（万元）×2=30（万元）。

合计：131（万元）。

6.2 方案一

同理可计算出合计153（万元）。

可见方案一比原方案总投资增加约22万元，成本增加16.8% 。

6.3 方案二

同理可计算出合计132（万元）。

可见方案二比原方案总投资增加约1万元，成本增加0.8% 。

6.4 方案三

同理可计算出合计161（万元）。

可见方案三比原方案总投资增加约30万元，成本增加22.9% 。

7 各方案比较与分析

7.1 原方案

可靠度：96.54%。

故障率：4.02×10-6。

平均无故障工作时间MTBF（h）：2.49×105。

优点：结构简单；设备少；经济性好。

缺点：可靠度较低；系统所有设备都由1台双路输入交流屏供电，存在单点故障隐患；UPS和高频开关电源没有备用；每台用电设备只有单路供电输入；重要设备的供电未能与非重要设备分离，导致使用蓄电池供电时，所有设备的供电时间都一致，重要设备的供电时间无法延长。

综合技术经济比较：良好。

7.2 方案一

可靠度：99.89%。

故障率：1.26×10-7。

平均无故障工作时间MTBF（h）：7.96×106。

优点：结构较简单；设备较少；UPS和高频开关电源有备用；每台用电设备都有两路供电输入。

缺点：系统所有设备都由1台双路输入交流屏供电，存在单点故障隐患；重要设备的供电未能与非重要设备分离，导致使用蓄电池供电时，所有设备的供电时间都一致，重要设备的供电时间无法延长；UPS和高频开关电源增加备用后，成本增加16.8%，经济性比原方案差，但在可接受范围内。

综合技术经济比较：较优。

7.3 方案二

可靠度：93.48%。

故障率：7.70×10-6。

平均无故障工作时间MTBF（h）：1.30×105。

优点：UPS和高频开关电源有备用；高频开关电源的输入从UPS取电，节省了蓄电池，降低了成本；重要设备的供电与非重要设备分离，使用蓄电池供电时，重要设备的供电时间延长达4倍；无线通信设备另外单独从柴油机取一路电，避免了单点故障隐患；每台用电设备都有两路供电输入。

缺点：可靠性比原方案还低；高频开关电源从UPS取电后，直流部分串联的级数增多，加之取消了蓄电池，可靠性反而降低，直接影响了系统总的可靠性；UPS和高频开关电源增加备用后，成本增加0.8%，经济性与原方案相近。

综合技术经济比较：一般。

7.4 方案三

可靠度：99.90%。

故障率：1.15×10-7。

平均无故障工作时间MTBF（h）：8.76×106。

优点：可靠性为各方案中最高；UPS和高频开关电源有备用；重要设备的供电与非重要设备分离，使用蓄电池供电时，重要设备的供电时间延长达4倍；交流部分和直流部分各设一台双路输入交流屏，避免了单点故障隐患；每台用电设备都有两路供电输入。

缺点：UPS和高频开关电源增加备用后，成本增加22.9%，经济性比原方案稍差，但在可接受范围内。

综合技术经济比较：较优。

经过上述的技术经济对比分析，可见方案三是最优的方案，后续在进行通信网络中心机房电源系统设计时可以考虑优先采用。

8 结束语

本文在研究分析了通信网络中心机房电源系统原始方案后，提出了三种改进方案，并一一计算可靠性，对蓄电池供电时间做出了对比计算，同时还对各方案电源设备配置及投资概况进行了分析。通过对三种改进方案进行技术经济对比，确定了最佳方案。

通过本论文的研究，探索出了一条改进通信电源系统可靠性的道路，使通信电源系统改进有据可依，以便将来能更好地指导设计工作。