通信用高压直流供电系统的可靠性研究

田 密，张晓兰

（1.华信咨询设计研究院有限公司，浙江 杭州 310052；2.广东技术师范大学，广东 广州 510665）

0 引 言

可靠性是衡量系统和设备的一项重要的综合性质量指标[1]。随着大数据和互联网业务的发展，通信系统的可靠性要求越来越高，而通信系统的可靠性很大程度上依赖于通信电源的可靠性。目前，常用的通信电源主要有交流UPS电源、直流48 V开关电源以及高压直流电源（240 V/336 V）等[2]。其中，高压直流电源技术发展时间相对较短，但相对于交流UPS电源，高压直流电源具备简单、可靠、效率高等优点。实际工程中，高压直流电源应用越来越广泛。

本文以通信用高压直流供电系统为例，对工程中常用的高压直流供电系统架构进行可靠性分析，供工程人员在实际工程应用中参考。

1 可靠性相关知识

1.1 指数分布

在概率论和统计学理论中，指数分布是一种连续概率分布，可以用来表示独立随机的事件发生的时间间隔。很多电子产品的寿命和系统的寿命一般服从指数或用指数分布来近似。指数分布在可靠性研究中是比较常用的一种分布形式。在实际测试和应用中，通过对部分电子产品和系统进行测试和验证，认为电子产品和系统的寿命服从指数分布是有效和合理的[3]。

一般来说，用可靠度R(t)表示某种设备的可靠性，表示在某个时间区间[0,t]内正常运行或不发生故障的概率。为分析某种设备的可靠性，假设设备的寿命T服从指数分布，则该设备的可靠度R(t)可表示为：

式中，λ为设备故障率，是平均失效间隔时间（MTBF）的倒数。

1.2 系统可靠性模型计算

1.2.1 串联系统的可靠性

在组成系统的所有单元中，任一单元失效或发生故障就会导致整个系统的失效或故障，称为串联系统[3]。假设某个单元i的可靠度为Ri(t)(i=1,2,…,n)，则含有n个单元的串联系统的可靠性可以用可靠度Rs(t)表示为：

1.2.2 并联系统的可靠性

在组成系统的所有单元中，所有单元失效或发生故障才会导致整个系统的失效或故障，称为并联系统[3]。假设某个单元i的可靠度为Ri(t)(i=1,2,…,n)，则含有n个单元的并联系统的可靠性可以用可靠度Rs(t)表示为：

1.3 通信电源系统的可靠性指标

1.3.1 通信用240 V直流供电系统的可靠性指标

在通信行业标准《通信用240 V直流供电系统》（YD/T 2378-2011）对通信用240 V直流供电系统的可靠性指标中，提出系统的可靠性MTBF≥5×104h[2]。根据这一指标，由式（1）可得出在1年使用时间内，要求240 V直流供电系统的可靠度不小于：

1.3.2 交流低压配电设备的可靠性指标

在通信行业标准《通信局（站）电源系统总技术要求》（YD/T 1051-2018）对电源系统主要设备的可靠性指标中，提出的交流低压配电设备的可靠性指标为：在15年使用时间内，关键部件平均年动作次数不大于12次，平均失效间隔时间MTBF≥5×105h[1]。根据这一指标，由式（1）可得出在1年使用时间内，要求交流低压配电设备的可靠度不小于：

标准中通信用240 V直流供电系统和交流低压配电设备要求的MTBF都是最小值，实际产品的MTBF应该更高，相应的可靠度也应该更高。

2 高压直流供电系统的结构选择

在实际通信电源工程应用中，选择何种通信电源系统的供电架构是工程人员需要重点考虑的，需要从建设需求、系统可靠性和经济性等方面综合考虑[4]。本文以通信用高压直流供电系统为例，从系统的可靠性方面对工程中常用的3种高压直流供电系统架构进行分析，供工程人员在实际工程应用中参考。

2.1 单系统双回路供电结构

图1为高压直流单系统双回路供电结构示意图。此供电结构与直流48 V开关电源系统相同，系统中服务器机柜的双路电源输入来自于同一套高压直流供电系统。

图1 单系统双回路供电结构示意图

由式（2）和式（3）可以得出高压直流单系统双回路供电结构的可靠度为：

式中，Rs(1)为1年使用时间内单系统双回路供电结构的可靠度；R1(l)为1年使用时间内楼层配电柜、列头柜的可靠度；R2(l)为1年使用时间内高压直流供电系统的可靠度。

假设上述各配电设备的可靠度按第1.3节中可靠性指标计算，则图1中供电结构可靠度为：

2.2 双系统双回路供电结构

图2为高压直流双系统双回路供电结构示意图。此供电结构中服务器机柜双路输入分别来自于不同的高压直流供电系统。

由式（2）和式（3）可以得出高压直流双系统双回路供电结构的可靠度为：

式中，Rs(1)为1年使用时间内双系统双回路供电结构的可靠度；R1(l)为1年使用时间内楼层配电柜、列头柜的可靠度；R2(l)为1年使用时间内高压直流供电系统的可靠度。

图2 双系统双回路供电结构示意图

假设上述各配电设备的可靠度按第1.3节中可靠性指标计算，则图2中供电结构可靠度为：

2.3 市电+高压直流供电结构

图3为市电+高压直流供电结构示意图。此供电结构中服务器机柜双路输入分别来自于一路市电、一路高压直流供电系统。

图3 市电+高压直流供电结构示意图

由式（2）和式（3）可以得出市电+高压直流供电的可靠度为：

式中，Rs(1)为1年使用时间内市电+高压直流供电结构的可靠度；R1(1)为1年使用时间内楼层配电柜、列头柜的可靠度；R2(1)为1年使用时间内高压直流供电系统的可靠度。

假设上述各配电设备的可靠度按第1.3节中可靠性指标计算，则图3中供电结构可靠度为：

从3种不同的高压直流供电系统结构示意图可以看出，3种供电结构各有优缺点。高压直流单系统双回路供电结构优点是系统的结构相对简单，相应的建设成本低；缺点是由于服务器机柜的双路电源输入来自同一套电源系统，导致系统的电源输入存在单点故障。高压直流双系统双回路供电结构优点是解决了单系统双回路供电的单点故障，提升了系统的供电可靠性；缺点是增加了建设成本，系统的冗余度较大，导致正常运行时系统带载率不高[5]。市电+高压直流供电结构优点是消除了系统的单点故障瓶颈，提高了供电的可靠性，市电路无需电能的转换可最大程度提高系统效率；缺点是市电路电能质量没有高压直流电源高，且无蓄电池保障。

通过以上3种高压直流供电系统架构的可靠性计算分析，市电+高压直流供电结构的可靠性相对较高，高压直流单系统双回路供电结构的可靠性相对较低。但是，可靠性仅是选择系统架构的因素之一，需要从建设需求、系统可靠性以及经济性等[6]方面综合考虑，选择合适的供电架构。

3 结 论

本文以通信用高压直流供电系统为例，分别对高压直流单系统双回路供电结构、高压直流双系统双回路供电结构、市电+高压直流供电结构3种结构进行可靠性计算分析，得出市电+高压直流供电结构的可靠性相对较高。综合来看，通信用高压直流供电系统3种供电结构各有优缺点，建议实际工程应用中从建设需求、系统可靠性以及经济性等方面综合选择。