通信电源系统的安全隔离技术及实施案例

张永红，史彬哲，李 宁

（1.中国联通甘肃省分公司，甘肃 兰州 730050；2.中国联合网络通信有限公司网络部，北京 100011）

1 案例背景

电源是电信通信畅通的重要保障。供电安全是通信网络的安全基础，而故障不能完全消除，因此规划、建设供电设备时，分析各个环节发生故障的可能性，配置各种备用电源系统。当主用系统故障时，备用系统能承担全部负荷的供电任务，确保至少有一套通信系统能正常，维持通信网络业务不中断[1]。

后期在日常维护的过程中，根据负荷的变化、网络结构的调整等，随时调整电源系统的结构、运行方式，保证主用系统可靠、备用系统完整，在发生故障时能将故障导致的损失减少到最低程度[2]。

综合分析发生的多起通信电源故障，电源故障是导致严重后果的根本原因。多数情况下都是备份配置不足或者备份结构不合理，导致主用、备用系统之间未做到科学合理的隔离，在主用系统发生故障时，备用系统无法及时跟进，从而导致通信系统失电、业务中断、故障后果十分严重[3,4]。

具体分析，有以下6种主要的隔离技术。通过采用隔离技术前后的通信电源系统的安全性对比，可见隔离技术对网络健壮性的提升十分有效。

2 案例描述

2.1 逻辑隔离不到位

逻辑隔离的案例对比如图1所示。图1（a）中互为备用的两套通信系统，受前期现场条件所限等原因，全部通信设备都是从同一套电源系统处引接电源。一旦该电源系统发生故障，将导致通信系统的主、备用系统同时下电，通信网络全部阻断，即图1（a）所示场景下的备用系统，形同虚设。

如果严格按照建设规范，通信设备按照如图1（b）所示的供电模式进行电源引接，每套通信系统都是从相互独立的两处电源系统同时用电，即使两套电源系统中任意一套发生故障（两套电源系统同时故障的概率特别小），对通信设备的影响仅仅是发生“备用电源系统失电”的告警，却不会影响通信业务的畅通，换言之，最终的通信业务系统安全。

图1 逻辑隔离的案例对比

2.2 路由隔离不到位

电力电缆是供配电的主要设备之一，常见故障为电缆超载导致严重发热、密闭空间散热不畅导致热量累积后起火燃烧以及野蛮施工等外力破坏导致绝缘故障引发接地短路，甚至也可能发生最严重的相间短路。

给通信设备供电的电缆，一旦发生故障将导致不可逆的损坏，维修更换时间较长、对通信网络的影响十分严重。因此，建设初期一般都会根据系统结构配置备用系统，不但电源设备有主备之分，电缆线路也是主、备分开，以此形成可靠的灾备机制。

路由隔离的案例对比如图2所示。在具体的施工过程中，电缆敷设时对主备的隔离问题十分容易疏忽，导致经常发生如图2（a）所示的主备电缆同路由敷设的问题。因为电缆的燃烧、放电等都是外溢性故障，即故障会在空间上快速发展、向周围溢出，所以如果主备不做隔离、同路由敷设，很容易导致相邻的备用电缆随即燃烧或者放电发生电弧，最终将影响整个通信系统的正常运行。而如图2（b）所示，将主用、备用电缆按照不同的路由敷设，形成路由隔离，能够尽量避免电缆故障的溢出。

图2 路由隔离的案例对比

对于10 kV的高压入电力电缆，按照当前大多数城市的城建及规划要求，需全部通过管道电缆的方式在地下敷设。对医院及通信运营商等重要的双电源用户，应尽量对主用、备用电源选择不同敷设方式，以电缆敷设和架空线路互为备用，保证在极端天气和自然灾害场景下，能可靠地向重要用户供电。从原理上来看，这也属于路由隔离的思路。

2.3 空间隔离不到位

电气故障若引发短路故障导致飞弧、过热引发明火燃烧等，都会引发故障外溢，导致邻近的其他电源乃至通信设备受影响、引发后续故障。为此，互为备用的电源设备、通信设备等，都应实施空间隔离。主、备用电源设备的布置，应该在两个独立的空间（按照消防的要求），且相互之间应保持一定距离，即使不能隔离在不同的空间，也须保证足够的空间距离。

空间隔离的案例对比如图3所示。如图3（a）所示，因为在建设中忽视了主、备空间隔离的原则，导致主用、备用设备紧邻安装，一旦其中某一台设备内部发生电气故障、引发明火，故障将快速蔓延导致备用的系统随即中断，后果十分严重。而图3（b）则是考虑了空间隔离的正确做法。

图3 空间隔离的案例对比

2.4 电气隔离不到位

前期建设的很多不间断电源（Uninterruptible Power Supply，UPS）系统，备用模式多为N+1模式。从原理上来看，N+1的架构模式较合理，但是在近些年的实际运行维护过程中，却已经发生了多起N+1模式的UPS系统在单台UPS故障时控制系统的逻辑错误、多次出现备用系统随即跳脱，导致主、备用UPS系统发生先后下电、通信负荷全面失电的严重后果。

此类故障的根本原因是N+1模式的UPS系统中，主、备用系统之间存在直接或者间接的电气连接，在某些场景下可能发生电气故障的蔓延，导致备用系统崩溃，通信设备用电的可靠性将无法保障。

为增强UPS系统的供电可靠性，近些年的主流架构是2N模式。该模式下的主、备用系统电气完全隔离，再结合空间隔离等方式，将杜绝电气故障的扩展，大大降低备用系统的故障概率。电气隔离的案例对比如图4所示，图4（b）的2N模式的优势较大。

图4 电气隔离的案例对比

2.5 器材隔离不到位

按照电源系统的故障分类统计分析通信电源系统的故障原因，主要有如下4种：外部环境、系统架构、设备材料以及控制系统等。为此，针对性地将主用、备用系统实施器材隔离：即主、备用设备不仅仅遵循前述的逻辑隔离、路由隔离、空间隔离以及电气隔离等原则布置，而且须尽量选择不同厂家、或者同一厂家不同型号、不同控制软件的版本、甚至是不同批次的产品，将其统称为“器材隔离”，目的就是尽最大可能避免同类场景、同一技术缺陷等导致主、备用系统同时发生故障。

器材隔离的案例对比如图5所示。图5（a）中，该配电系统分两期建设，材料分别为电力电缆和密集母线槽。密集母线槽虽然有配电密度高的优势，但也十分容易因施工不规范、外力冲击等导致绝缘损毁，也就是说密集母线槽十分脆弱。因此，以降低故障影响范围为目的，按照器材隔离的原则，将主、备用系统分别布置在电力电缆、密集母线槽之间,如图5（b）所示，使得最终的通信设备总有一路电源是来自可靠性比较强的电力电缆，如此避免因密集母线槽可能的故障，导致某一通信设备的主、备电源同时失电、导致通信阻断。

图5 器材隔离的案例对比

2.6 衍生隔离不到位

根据消防安全的相关规定，每个通信机房超过一定占地面积数值，就必须划分为两个甚至多个不同消防分区。同一个消防分区内共用一套消防触发控制系统，一旦该消防分区内的某个烟感探头触发，就会启动该消防分区内的消防设施，释放七氟丙烷气体弥漫整个机房，达到灭火的目的[5,6]。同时，通过消防联动将该消防分区内的电源全部切断。按照上述消防系统的控制机制，通信电源系统及通信设备等，均须根据现场情况将主用系统与备用系统布置在不同的消防分区内。一则能实现前述的空间隔离，更主要的是避免消防设施等衍生环境导致的故障范围扩大。衍生隔离的案例对比如图6所示。

图6（a）中，因为通信电源的主、备用系统布置在同一消防分区内，一旦因某个电源系统故障启动消防设施，则整个消防分区内将释放气体，这时候，本来完好的备用电源系统，也会因消防启动联动立即停电、导致事实上该通信机房内的主备电源全部停用，通信设备全面失电、业务全面阻断，局部故障导致全面故障、后果十分严重。

图6（b）中，在规划建设时，按照隔离原则，将通信电源的主用、备用系统分别布置在不同的消防分区，则某一消防分区内触发或启动消防设施，故障范围都将被限制在本消防分区内，不影响其他消防分区内的通信电源设施的正常运行。因此，备用电源系统将为其他分区的通信设备正常供电，保证通信业务畅通无阻。

图6 衍生隔离的案例对比

不仅仅消防设施是衍生环境隔离的条件，其他气流组织方向、空调水循环通道等，都可能是影响供电安全的环境条件。在实际应用中，需要仔细研判其运行机制，做到充分隔离，将局部故障的影响降低到最小程度。

3 结 论

通过上述几个常见的典型案例，可以明显看到科学、合理的隔离技术，将对提升网络健壮性十分必要。中国联合网络通信集团有限公司最近发文，要求网络安全严格按照“三同步”的要求规范实施，其中安全防护措施必须同步规划、同步建设和同步使用。隔离技术是最重要的安全防护技术之一。目前，勘测规划、网络建设、物资采购和运行维护等不同环节也积累了一些主备电源可靠隔离的经验,通过通信电源专业与系统规划、基础土建、器材采购、机房消防以及气流组织等多个系统之间深度耦合，有力地提高网络健壮性，增强通信网络的稳定性。同时，本文提出的隔离技术及其核心思路，不应该仅仅局限在电源专业，其对核心网、传送网等骨干通信网络的规划、建设等，都有比较重要的借鉴意义。