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(tǒng)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(yè)務的發(fā)展，通信系統(tǒng)的可靠性要求越來越高，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(fā)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(yōu)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(tǒng)為例，對工程中常用的高壓直流供電系統(tǒng)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(tǒng)計學理論中，指數分布是一種連續(xù)概率分布，可以用來表示獨立隨機的事件發(fā)生的時間間隔。很多電子產品的壽命和系統(tǒng)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(tǒng)進行測試和驗證，認為電子產品和系統(tǒng)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(qū)間[0,t]內正常運行或不發(fā)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(tǒng)可靠性模型計算

1.2.1 串聯系統(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)生故障就會導致整個系統(tǒng)的失效或故障，稱為串聯系統(tǒng)[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(tǒng)的可靠性可以用可靠度Rs(t)表示為：

1.2.2 并聯系統(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)生故障才會導致整個系統(tǒng)的失效或故障，稱為并聯系統(tǒng)[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(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

1.3.1 通信用240 V直流供電系統(tǒng)的可靠性指標

在通信行業(yè)標準《通信用240 V直流供電系統(tǒng)》（YD/T 2378-2011）對通信用240 V直流供電系統(tǒng)的可靠性指標中，提出系統(tǒng)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(tǒng)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(yè)標準《通信局（站）電源系統(tǒng)總技術要求》（YD/T 1051-2018）對電源系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)為例，從系統(tǒng)的可靠性方面對工程中常用的3種高壓直流供電系統(tǒng)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(tǒng)雙回路供電結構

圖1為高壓直流單系統(tǒng)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(tǒng)相同，系統(tǒng)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(tǒng)。

圖1 單系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)的可靠度。

假設上述各配電設備的可靠度按第1.3節(jié)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(tǒng)雙回路供電結構

圖2為高壓直流雙系統(tǒng)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(tǒng)。

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

式中，Rs(1)為1年使用時間內雙系統(tǒng)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(tǒng)的可靠度。

圖2 雙系統(tǒng)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(jié)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(tǒng)。

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(tǒng)的可靠度。

假設上述各配電設備的可靠度按第1.3節(jié)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(tǒng)結構示意圖可以看出，3種供電結構各有優(yōu)缺點。高壓直流單系統(tǒng)雙回路供電結構優(yōu)點是系統(tǒng)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(tǒng)，導致系統(tǒng)的電源輸入存在單點故障。高壓直流雙系統(tǒng)雙回路供電結構優(yōu)點是解決了單系統(tǒng)雙回路供電的單點故障，提升了系統(tǒng)的供電可靠性；缺點是增加了建設成本，系統(tǒng)的冗余度較大，導致正常運行時系統(tǒng)帶載率不高[5]。市電+高壓直流供電結構優(yōu)點是消除了系統(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)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(tǒng)架構的因素之一，需要從建設需求、系統(tǒng)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(tǒng)為例，分別對高壓直流單系統(tǒng)雙回路供電結構、高壓直流雙系統(tǒng)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(tǒng)3種供電結構各有優(yōu)缺點，建議實際工程應用中從建設需求、系統(tǒng)可靠性以及經濟性等方面綜合選擇。