浅论通信设备直流双电源供电

2012-06-26彭大铭

电信工程技术与标准化 2012年5期

彭大铭

（四川通信科研规划设计有限责任公司，成都 610041）

1 双电源供电的必要性和可行性

近年来，随着通信网络的扁平化，大量的话音和数据核心节点、业务平台等向省级中心、集团中心集中，这就对网络的安全性提出了极高的要求。网络安全是一个系统工程，作为电信通信的心脏，电源系统对于核心网络的安全保障具有举重轻重的影响。

对于UPS电源稳定性差、故障频发的天然不足，业界已有共识，已广泛采取双电源冗余供电提升系统安全性。对于直流电源系统，传统观念认为其很安全，一套直流电源足以保障通信网络的安全，但安全性高并不等于不会发生故障，只是故障发生的概率较低而已，一套系统的特点决定了其具有以下缺陷：

系统交流屏为全部外部电源输入点，极易发生单点故障。从低压柜（油机柜）到交流屏输出端均为单一通路，前级输出开关、馈电导线、交流屏转换开关、母线任何一点发生故障，都将造成系统外部电源的缺失，最终结果就是电池放电终止、通信中断。近年多次发生市电正常（因此油机发电机也不会启动），但低压柜对应的交流屏分路开关脱扣、未及时合闸造成通信中断（此类情形在动力环境监控不完善、低端值守人员负责现场日常维护的局点极易发生）。

集中统一的开关电源监控存在系统故障的风险。集中的监控单元、协调一致的输出特性控制是开关电源系统的特色，但任何事物都有两面，在监控单元及其外围系统发生故障时，极易造成系统瘫痪。前些年国内某厂家的开关电源开关系统就多次出现蓄电池充放电取样回路断路，监控模块误判为蓄电池充电电流过大，降低整流模块输出至下限电压，直流输出完全依靠蓄电池放电维持，极易造成通信设备宕机。

统一的母线系统不具备抗短路能力。直流母排均采用大容量铜排制作，前后安装在开关电源系统上部，正负极母线母排之间、负极母排对即可距离都很小，在工程施工或日常维护时，稍后不慎，极易造成负极母排对正极母排或机壳短路，造成后端通信设备瞬时掉电。此外，后端大容量的负载如果距离直流屏较近、短路回路电阻较小，在后端大容量负载发生短路时，也易形成直流输出电压凹口、造成其他负载瞬时掉电。

同处一室的设备环境不具备冗余能力。核心局站的开关整流器模块都采用前进后出的强制风冷方式运行，整流器模块前端都要安装防尘滤网，一旦电源机房出现尘埃污染（例如施工、滤网清洗不及时等因素），造成整流器模块进风口堵塞，整流器模块就会通风不畅、内部温度过高，模块自动减载运行，直至关断输出，直接危及后端通信网络的安全。电源机房走线架脱落、异物掉落击打等意外因素也极易造成电源系统整体崩溃。

因此，对于重要的网络核心节点设备采用双电源系统供电是势在必行。网络设备厂商也已经意识到了冗余供电的必要性，常用的、采用直流电源输入的网络设备普遍采用冗余电源输入设计，这就为网络设备双直流系统提供了可行性。

2 双直流电源系统建设

传统上直流电源都是采用单系统配置，《YD/T5040-2005，通信电源设备安装工程设计规范》针对直流电源设备的配置方案也是单电源系统的，目前还缺乏专门的针对双直流电源系统的设计规范。双直流系统建设只能在满足单系统规范的条件下，借鉴UPS双系统建设规范的规定。

2.1 开关电源配置

参考UPS电源双系统供电配置思路，开关电源交流屏、直流屏、配套导线应按照全部负荷加到单个系统上的需要配置，整流器模块可采用如下两种方式配置：

2N方式。单套开关电源承担全部负荷时，全部整流器模块满载输出，系统无备用模块；两套系统均正常工作时，富余整流器模块作为系统要求的备用模块。

2（N+1）方式。整流器模块按单套开关电源承担全部负荷加备用模块配置。

按2（N+1）方式配置，系统安全性最高，但是考虑到，一是一个系统瘫痪、需要另一个系统承担全部负荷毕竟是小概率事件，按2N方式运行对安全性并无太大影响；二是2N方式配置的主用模块包含了充电所需容量，蓄电池充电是小概率事件，在蓄电池不充电时，这部分模块实际可以作为备用模块，因此，如无特别高的安全性要求，采用2N方式已可以满足安全性要求。

为防止开关电源设备在特殊条件下瘫痪，双电源系统配置的两套开关电源设备应尽量选用不同厂家、不同型号的设备。

在一个直流系统突然崩溃时，通信负载瞬间全部加到另一个直流电源系统，双系统所配置的整流器模块应具备良好的动态响应特性，负载阶跃引起的直流输出电压变化后的恢复时间、电压超调量不应超过《YD/T731-2008，通信用高频开关整流器》的规定限值。

2.2 蓄电池配置

蓄电池主要功能是在整流器输出中断时提供短暂的直流输出，其配置时间长短对直流电源系统的安全性并无特别的影响。尤其是后端设备是IT类高发热设备时，这些设备对空调允许中断时间要求较短，即使电源输入正常，设备也可能因为环境温度过高而宕机。可以借鉴的是，针对UPS后备蓄电池组后备时间，国际标准TIA-942、国家标准GB50174-2008的要求都是不小于15min即可，而YD/T5040-2005要求的蓄电池后备时间最短也是1h，按单套系统蓄电池承担两套系统负荷折算，其后备时间也不低于15min。因此，单套电源系统后备蓄电池组的后备时间按单套（即一半负荷）配置即可。

但是要特别说明的是，蓄电池组单体电池的放电性能、电池内部及外部连接导体、电池组至直流屏的连接导线、直流屏电池熔丝均需考虑到最大负荷输出时的需要。

2.3 系统设计安装

直流双电源系统应保持供电拓扑上的全程独立。直流双电源系统宜从不同的低压系统、油机系统引入电源，独立输出至负载配电柜，其间不得有交叉互连。

两套直流电源系统安装位置及布线应保持独立。两套直流电源的开关电源、蓄电池应安装在不同的房间内，两套系统的输入、输出导线应分走不同的路由。

3 通信设备二次电源类型及对应解决方案

直流电源系统搭建完成之后，就是双电源系统和通信设备如何连接了，首要的工作就是摸清通信设备二次电源的运行方式，然后再据此提供相应的连接方案。

（1）类型A：单电源模块、单路电源输入。通常为小功率的低端设备，不宜接入双电源，如设备特别重要，可参考以下类型B设备处理。

（2）类型B：单电源模块、隔离双路输入。两路电源相互隔离，可提供双电源输入，如图1所示。

图1 类型B

（3）类型C：单电源模块、互连双路输入。两路电源直接连接到电源模块，此种方式相当于将两套独立的双电源系统连接为一个系统，存在巨大隐患，不能接入双电源，只能选择一路电源接入，如图2所示。

图2 类型C

（4）类型D：电源模块2主1备、3路输入。3个电源模块中，必须有两个电源模块工作正常，通信设备才能正常工作。此类情况下，应将2个主用模块分别连接到两套电源系统，第三个电源模块采用隔离二极管同时接入两个电源系统（同类型B），如图3所示。

图3 类型D

（5）类型E：2个主用电源模块、2路输入。此类设备尽管配置两个电源模块、也采用两路电源输入，但其两个电源模块只能各承担一半的功率，需要两个电源模块均正常工作时，设备才能正常工作，模块间不具备备用功能，因此，这类设备实质是类型A设备的一种变异。在电源连接时，必须将其两路电源都连接至同一电源系统；如盲目连接至两个电源系统，反而增大了设备运行的风险，如图4所示。

图4 类型E

（6）类型F：电源模块n主n备（n=1、2、3…）、双路输入。双电源系统的理想形式，通常是中高端的大中型设备，网络处理能力强。在连接时，应核实此类设备的主备用电源模块，将主备用模块分解接入不同的直流电源系统，如图5所示。

图5 类型F

对于存在B、D类设备的供电系统，应汇总其功率需求，将单路负载相对均衡地分配到两个电源系统，并特别注意，应将网络功能存在“与”关系的通信负载分配到一个直流系统。

对于初次使用的通信设备，其内部电源结构是哪种方式的，往往是不清楚的，厂商的现场支撑工程师很多时候也不清楚，这就需要（按照后文的方法）进行加电测试确认。

4 加电测试与运行

4.1 电源系统测试

对于双系统运行的直流系统而言，电源系统的测试除了执行常规单系统的测试项目外，还应进行如下设置和测试：

开关电源参数设置。在不影响设备运行寿命和安全性的条件下，应尽量将两套开关电源的输出电压、蓄电池温度补偿系数、蓄电池均衡充电周期及持续时间等参数保持一致。

整流模块的休眠功能。双电源系统配置的整流器模块在正常状态下均有较大富余，整流器可能工作在较低的区间。整流器的休眠功能可实现在负载率较低时关闭多余的模块，在负载率上升时，又唤醒休眠的模块，可有效提升电能转换效率、降低电源变换损耗，但启用休眠功能后，开关电源系统也存在休眠模块不能唤醒的风险，对通信网络的安全运行具有一定的潜在影响。因此，应对此进行专题论证，在节能效益和安全性之间进行取舍；在较大的有专业人员值守的核心局站，也可以考虑关闭休眠功能，人工进行模块的启停。

突加负荷测试。测试每一个直流电源突然加上或撤出另一个系统负担的负荷（约为总负荷的50%）时，系统是否运行正常。

4.2 通信设备加电测试

电源系统测试完毕之后，就需要对后端通信设备的电源性能进行测试，测试电路如下，主要测试内容包括：

测试通信设备二次电源模块是否具有主备用功能。通信设备主备用输入端分别加上额定电压的直流电源，通信设备如能正常启动运行，断开两路电源的一路电源或将其中一路电源电压调整到低于设备允许工作电压下限，正常输入的电源如能支持通信设备正常运行，则此设备支持主备用电源输入。

测试通信设备二次电源模块的类型。两路直流电源正常输入，调整其中一路直流电源系统的输出电压（保持在通信设备的工作电压范围内），如两套直流电源输出电流均不随输出电压变化，则后端所有负载均为类型A、E、F型设备；反之，则存在其他类型的设备，需要向后端查找，直至找出引起电流变化的设备，并进一步测试、分析。首先断开此类设备一路输入电源，测试输入电流是否超过设备额定电流，再拔出设备所有电路插板，测试是否输入电流，还可测试两路负极输入端之间的静态直流电阻是否接近于零，如几种情况存在，则此设备内可能将两路电源直接并联在一起，应在核实后按单电源设备处理。

5 运行管理

针对存在类型B、D的供电系统而言，设备运行管理中应关注以下问题：

5.1 蓄电池在线核对性放电

根据电源维护规程，每隔一定的时间电源系统都要进行蓄电池核对性放电，对于双电源系统而言，理想的情况就是两个系统的蓄电池组一个放电、一个维持正常荷电后备。但是由于电源系统中存在B、D类双电源负载，总是输出电压高的系统输出电流大，导致电池无法持续对这两类负载放电。在这两类负载占比较小时，仍可采用单组电池放电方式，实际放出电量需要借助开关电源监控模块或动力环境监控系统进行统计；否则，可采取两套系统同时放电方式。为了弥补放电时安全性不足的缺陷，可将开关电源工作电压设置在接近预期放电停止电压（但高于通信设备电压下限），并保持市电、油机设备的正常工作，防止突然的交流电源中断。

5.2 关注通信设备二次电源隔离二极管

B、D类设备之所以不是C类设备，正是因为其输入端存在隔离二极管，这是两路电源隔离的关键。因此，在运行阶段，应特别关注隔离二极管的安全性，定期测试是否击穿、断路。

5.3 电源系统正极及工作接地不再独立

B、D类设备的两路直流电源正极是在输入端直接并联的，并联的结果是两套直流电源的正极及工作接地回路不再独立，系统形成网状结构。理论上易造成雷击或电源故障过电流，易遭受差模噪音干扰和瞬态影响。因B、D类设备容量较小，输入电源线径也较小，且核心网络设备往往位于电磁环境较好的通信枢纽内，目前还未观察到此连接方式带来的明显不利影响，需要在工程实践中持续关注。