淺論通信設備直流雙電源供電

彭大銘

（四川通信科研規劃設計有限責任公司，成都 610041）

1 雙電源供電的必要性和可行性

近年來，隨著通信網絡的扁平化，大量的話音和數據核心節點、業務平臺等向省級中心、集團中心集中，這就對網絡的安全性提出了極高的要求。網絡安全是一個系統工程，作為電信通信的心臟，電源系統對于核心網絡的安全保障具有舉重輕重的影響。

對于UPS電源穩定性差、故障頻發的天然不足，業界已有共識，已廣泛采取雙電源冗余供電提升系統安全性。對于直流電源系統，傳統觀念認為其很安全，一套直流電源足以保障通信網絡的安全，但安全性高并不等于不會發生故障，只是故障發生的概率較低而已，一套系統的特點決定了其具有以下缺陷：

系統交流屏為全部外部電源輸入點，極易發生單點故障。從低壓柜（油機柜）到交流屏輸出端均為單一通路，前級輸出開關、饋電導線、交流屏轉換開關、母線任何一點發生故障，都將造成系統外部電源的缺失，最終結果就是電池放電終止、通信中斷。近年多次發生市電正常（因此油機發電機也不會啟動），但低壓柜對應的交流屏分路開關脫扣、未及時合閘造成通信中斷（此類情形在動力環境監控不完善、低端值守人員負責現場日常維護的局點極易發生）。

集中統一的開關電源監控存在系統故障的風險。集中的監控單元、協調一致的輸出特性控制是開關電源系統的特色，但任何事物都有兩面，在監控單元及其外圍系統發生故障時，極易造成系統癱瘓。前些年國內某廠家的開關電源開關系統就多次出現蓄電池充放電取樣回路斷路，監控模塊誤判為蓄電池充電電流過大，降低整流模塊輸出至下限電壓，直流輸出完全依靠蓄電池放電維持，極易造成通信設備宕機。

統一的母線系統不具備抗短路能力。直流母排均采用大容量銅排制作，前后安裝在開關電源系統上部，正負極母線母排之間、負極母排對即可距離都很小，在工程施工或日常維護時，稍后不慎，極易造成負極母排對正極母排或機殼短路，造成后端通信設備瞬時掉電。此外，后端大容量的負載如果距離直流屏較近、短路回路電阻較小，在后端大容量負載發生短路時，也易形成直流輸出電壓凹口、造成其他負載瞬時掉電。

同處一室的設備環境不具備冗余能力。核心局站的開關整流器模塊都采用前進后出的強制風冷方式運行，整流器模塊前端都要安裝防塵濾網，一旦電源機房出現塵埃污染（例如施工、濾網清洗不及時等因素），造成整流器模塊進風口堵塞，整流器模塊就會通風不暢、內部溫度過高，模塊自動減載運行，直至關斷輸出，直接危及后端通信網絡的安全。電源機房走線架脫落、異物掉落擊打等意外因素也極易造成電源系統整體崩潰。

因此，對于重要的網絡核心節點設備采用雙電源系統供電是勢在必行。網絡設備廠商也已經意識到了冗余供電的必要性，常用的、采用直流電源輸入的網絡設備普遍采用冗余電源輸入設計，這就為網絡設備雙直流系統提供了可行性。

2 雙直流電源系統建設

傳統上直流電源都是采用單系統配置，《YD/T5040-2005，通信電源設備安裝工程設計規范》針對直流電源設備的配置方案也是單電源系統的，目前還缺乏專門的針對雙直流電源系統的設計規范。雙直流系統建設只能在滿足單系統規范的條件下，借鑒UPS雙系統建設規范的規定。

2.1 開關電源配置

參考UPS電源雙系統供電配置思路，開關電源交流屏、直流屏、配套導線應按照全部負荷加到單個系統上的需要配置，整流器模塊可采用如下兩種方式配置：

2N方式。單套開關電源承擔全部負荷時，全部整流器模塊滿載輸出，系統無備用模塊；兩套系統均正常工作時，富余整流器模塊作為系統要求的備用模塊。

2（N+1）方式。整流器模塊按單套開關電源承擔全部負荷加備用模塊配置。

按2（N+1）方式配置，系統安全性最高，但是考慮到，一是一個系統癱瘓、需要另一個系統承擔全部負荷畢竟是小概率事件，按2N方式運行對安全性并無太大影響；二是2N方式配置的主用模塊包含了充電所需容量，蓄電池充電是小概率事件，在蓄電池不充電時，這部分模塊實際可以作為備用模塊，因此，如無特別高的安全性要求，采用2N方式已可以滿足安全性要求。

為防止開關電源設備在特殊條件下癱瘓，雙電源系統配置的兩套開關電源設備應盡量選用不同廠家、不同型號的設備。

在一個直流系統突然崩潰時，通信負載瞬間全部加到另一個直流電源系統，雙系統所配置的整流器模塊應具備良好的動態響應特性，負載階躍引起的直流輸出電壓變化后的恢復時間、電壓超調量不應超過《YD/T731-2008，通信用高頻開關整流器》的規定限值。

2.2 蓄電池配置

蓄電池主要功能是在整流器輸出中斷時提供短暫的直流輸出，其配置時間長短對直流電源系統的安全性并無特別的影響。尤其是后端設備是IT類高發熱設備時，這些設備對空調允許中斷時間要求較短，即使電源輸入正常，設備也可能因為環境溫度過高而宕機。可以借鑒的是，針對UPS后備蓄電池組后備時間，國際標準TIA-942、國家標準GB50174-2008的要求都是不小于15min即可，而YD/T5040-2005要求的蓄電池后備時間最短也是1h，按單套系統蓄電池承擔兩套系統負荷折算，其后備時間也不低于15min。因此，單套電源系統后備蓄電池組的后備時間按單套（即一半負荷）配置即可。

但是要特別說明的是，蓄電池組單體電池的放電性能、電池內部及外部連接導體、電池組至直流屏的連接導線、直流屏電池熔絲均需考慮到最大負荷輸出時的需要。

2.3 系統設計安裝

直流雙電源系統應保持供電拓撲上的全程獨立。直流雙電源系統宜從不同的低壓系統、油機系統引入電源，獨立輸出至負載配電柜，其間不得有交叉互連。

兩套直流電源系統安裝位置及布線應保持獨立。兩套直流電源的開關電源、蓄電池應安裝在不同的房間內，兩套系統的輸入、輸出導線應分走不同的路由。

3 通信設備二次電源類型及對應解決方案

直流電源系統搭建完成之后，就是雙電源系統和通信設備如何連接了，首要的工作就是摸清通信設備二次電源的運行方式，然后再據此提供相應的連接方案。

（1）類型A：單電源模塊、單路電源輸入。通常為小功率的低端設備，不宜接入雙電源，如設備特別重要，可參考以下類型B設備處理。

（2）類型B：單電源模塊、隔離雙路輸入。兩路電源相互隔離，可提供雙電源輸入，如圖1所示。

圖1 類型B

（3）類型C：單電源模塊、互連雙路輸入。兩路電源直接連接到電源模塊，此種方式相當于將兩套獨立的雙電源系統連接為一個系統，存在巨大隱患，不能接入雙電源，只能選擇一路電源接入，如圖2所示。

圖2 類型C

（4）類型D：電源模塊2主1備、3路輸入。3個電源模塊中，必須有兩個電源模塊工作正常，通信設備才能正常工作。此類情況下，應將2個主用模塊分別連接到兩套電源系統，第三個電源模塊采用隔離二極管同時接入兩個電源系統（同類型B），如圖3所示。

圖3 類型D

（5）類型E：2個主用電源模塊、2路輸入。此類設備盡管配置兩個電源模塊、也采用兩路電源輸入，但其兩個電源模塊只能各承擔一半的功率，需要兩個電源模塊均正常工作時，設備才能正常工作，模塊間不具備備用功能，因此，這類設備實質是類型A設備的一種變異。在電源連接時，必須將其兩路電源都連接至同一電源系統；如盲目連接至兩個電源系統，反而增大了設備運行的風險，如圖4所示。

圖4 類型E

（6）類型F：電源模塊n主n備（n=1、2、3…）、雙路輸入。雙電源系統的理想形式，通常是中高端的大中型設備，網絡處理能力強。在連接時，應核實此類設備的主備用電源模塊，將主備用模塊分解接入不同的直流電源系統，如圖5所示。

圖5 類型F

對于存在B、D類設備的供電系統，應匯總其功率需求，將單路負載相對均衡地分配到兩個電源系統，并特別注意，應將網絡功能存在“與”關系的通信負載分配到一個直流系統。

對于初次使用的通信設備，其內部電源結構是哪種方式的，往往是不清楚的，廠商的現場支撐工程師很多時候也不清楚，這就需要（按照后文的方法）進行加電測試確認。

4 加電測試與運行

4.1 電源系統測試

對于雙系統運行的直流系統而言，電源系統的測試除了執行常規單系統的測試項目外，還應進行如下設置和測試：

開關電源參數設置。在不影響設備運行壽命和安全性的條件下，應盡量將兩套開關電源的輸出電壓、蓄電池溫度補償系數、蓄電池均衡充電周期及持續時間等參數保持一致。

整流模塊的休眠功能。雙電源系統配置的整流器模塊在正常狀態下均有較大富余，整流器可能工作在較低的區間。整流器的休眠功能可實現在負載率較低時關閉多余的模塊，在負載率上升時，又喚醒休眠的模塊，可有效提升電能轉換效率、降低電源變換損耗，但啟用休眠功能后，開關電源系統也存在休眠模塊不能喚醒的風險，對通信網絡的安全運行具有一定的潛在影響。因此，應對此進行專題論證，在節能效益和安全性之間進行取舍；在較大的有專業人員值守的核心局站，也可以考慮關閉休眠功能，人工進行模塊的啟停。

突加負荷測試。測試每一個直流電源突然加上或撤出另一個系統負擔的負荷（約為總負荷的50%）時，系統是否運行正常。

4.2 通信設備加電測試

電源系統測試完畢之后，就需要對后端通信設備的電源性能進行測試，測試電路如下，主要測試內容包括：

測試通信設備二次電源模塊是否具有主備用功能。通信設備主備用輸入端分別加上額定電壓的直流電源，通信設備如能正常啟動運行，斷開兩路電源的一路電源或將其中一路電源電壓調整到低于設備允許工作電壓下限，正常輸入的電源如能支持通信設備正常運行，則此設備支持主備用電源輸入。

測試通信設備二次電源模塊的類型。兩路直流電源正常輸入，調整其中一路直流電源系統的輸出電壓（保持在通信設備的工作電壓范圍內），如兩套直流電源輸出電流均不隨輸出電壓變化，則后端所有負載均為類型A、E、F型設備；反之，則存在其他類型的設備，需要向后端查找，直至找出引起電流變化的設備，并進一步測試、分析。首先斷開此類設備一路輸入電源，測試輸入電流是否超過設備額定電流，再拔出設備所有電路插板，測試是否輸入電流，還可測試兩路負極輸入端之間的靜態直流電阻是否接近于零，如幾種情況存在，則此設備內可能將兩路電源直接并聯在一起，應在核實后按單電源設備處理。

5 運行管理

針對存在類型B、D的供電系統而言，設備運行管理中應關注以下問題：

5.1 蓄電池在線核對性放電

根據電源維護規程，每隔一定的時間電源系統都要進行蓄電池核對性放電，對于雙電源系統而言，理想的情況就是兩個系統的蓄電池組一個放電、一個維持正常荷電后備。但是由于電源系統中存在B、D類雙電源負載，總是輸出電壓高的系統輸出電流大，導致電池無法持續對這兩類負載放電。在這兩類負載占比較小時，仍可采用單組電池放電方式，實際放出電量需要借助開關電源監控模塊或動力環境監控系統進行統計；否則，可采取兩套系統同時放電方式。為了彌補放電時安全性不足的缺陷，可將開關電源工作電壓設置在接近預期放電停止電壓（但高于通信設備電壓下限），并保持市電、油機設備的正常工作，防止突然的交流電源中斷。

5.2 關注通信設備二次電源隔離二極管

B、D類設備之所以不是C類設備，正是因為其輸入端存在隔離二極管，這是兩路電源隔離的關鍵。因此，在運行階段，應特別關注隔離二極管的安全性，定期測試是否擊穿、斷路。

5.3 電源系統正極及工作接地不再獨立

B、D類設備的兩路直流電源正極是在輸入端直接并聯的，并聯的結果是兩套直流電源的正極及工作接地回路不再獨立，系統形成網狀結構。理論上易造成雷擊或電源故障過電流，易遭受差模噪音干擾和瞬態影響。因B、D類設備容量較小，輸入電源線徑也較小，且核心網絡設備往往位于電磁環境較好的通信樞紐內，目前還未觀察到此連接方式帶來的明顯不利影響，需要在工程實踐中持續關注。

6 小結

現代社會對信息的高度依賴、通信網絡的高速扁平化對核心網絡提出了越來越高的要求，核心網絡設備直流雙電源供電是社會發展和技術進步的必然產物，必將日益廣泛、安全地應用到通信網絡中，更好地推動社會進步和民生改善。

[1]YD/T 5040-2005. 通信電源設備安裝工程設計規范[S].

[2]YD/T 731-2008. 通信用高頻開關整流器[S].

[3]GB 50174-2008. 電子信息系統機房設計規范[S].

[4]TIA-942.數據中心電信基礎設施標準[S].

[5]YD/T 1970.10-2009.通信局（站）電源系統維護技術要求,第10部分：閥控式密封鉛酸蓄電池[S].

[6]相關廠家產品技術手冊[Z].