衡量通信电源系统综合质量的几个要素

汤泽文

(移动通信业务部广州运行维护部)

----摘要:本文从工程、运行维护角度对通信电源系统运行质量指标的"五性"----稳定可靠性、可用性、可维护性、可持续性、安全性进行分析和论述,作为经验推广,其目的是使现有在运行的系统更加高效、可靠地运行和为以后的工程提供技术支持.

关健词: 通信电源 质量 稳定可靠性 可用性 可维护性 可持续性 安全性

一 、 前言

----现代通信电源系统主要由柴油发电机组、高频开关电源、VRLA蓄电池、UPS等设备组成。

----信息产业部《通信设备进网质量认证文件汇编检查实施细则（试行）》第三册对通信用高频开关电源、VRLA蓄电池、UPS的使用条件、常规功能、参数指标有明细的要求。但主要是偏重各设备出厂以前的性能指标，对设备投入使用后，只有MTBF（平均无故障工作时间）和MTTF（平均故障修复时间）两项指标要求，而该两项指标只是狭义的模拟实验数据而已。那么，怎样衡量各设备投入运行以后的性能指标？组成系统的各设备之间有什么关联性？正是本文所要阐述的问题。

二、 阐述

----1．稳定可靠性

----"稳定可靠性"包含"稳定性"和"可靠性"两个概念，两者各有自身的含义又互相关联。

----"稳定性"表现在自身运行的三个方面:

(1) 设备运行的稳定度

设备名称	项 目
高频开关电源	杂音指标，稳压精度，均流，负载动态响应
UPS	频率稳定度，电压稳定度，总滤波失真，瞬态时间，动态响应等
蓄电池	动/静态单体端电压的一致性，温升，螺栓紧密情况等
柴油发电机组	机组运行状态，输出电压，频率的稳定度

(2) 设备预设工作模式的持续执行

设备名称	项 目
高频开关电源	双路电的切换，周期性电池放电测试，周期性电池均衡充电，故障自诊断，浮充/均充的自动转换，"三遥"功能，故障回叫，报警功能，二次下电，充电限流，系统限流等。
UPS	周期性电池放电测试，周期性电池均衡充电，故障自诊断，浮充/均充的自动转换，"三遥"功能，故障回叫，报警功能，充电限流，自动分配市电/电池供电方案，自动开/关机程序等
蓄电池
柴油发电机组	启动成功率，自启动，自投载，自停机，自补给程序

(3) 自身产生的错误或误动作

设备名称	项 目
高频开关电源	温度漂移，老化漂移影响输出特性和均流； 控制单元与整流模块之间的通信故障； 控制链路中采样不准确或错发指令； 误告警（当告警时不告警，正常时误告警）等。
UPS	温度漂移、老化漂移影响输出特性和并机环流，数字处理器（DSP）或中央处理器（CPU）与整流部分，逆变部分，静态开关，并机板，充电器之间的通信故障或错发指令，误告警（当告警时不告警，正常时误告警）等。
蓄电池	早期容量失效，热失控，中期锑污染，漏液，密封阀顶偏或开/闭阀不精确等。
柴油发电机组	误启动，启动电池自放电，启动电池锑污染，柴油滤清器纸滤芯发涨变软等。

----"可靠性"表现在对外界因素的抵御能力和对自身故障的处理和系统操作能力两方面:

(1) 对外界因素的抵御能力

设备名称	项 目
高频开关电源	市电电压瞬高、瞬低、瞬断，网侧长时过电压，网侧浪涌过电压，负载侧浪涌过电压，负载短路，负载突变，零线电位漂移，零线中断等，海拔超高、超温、超湿、粉尘、盐雾、震动等
UPS	市电电压瞬高、瞬低、瞬断，网侧长时过电压，网侧浪涌过电压，电网波形畸变率，电网频率漂移，负载波峰因数、负载突变，负载短路，负载三相不平衡等，零线共模干扰，零线电位漂移，零线中断等，海拔超高、超温、超湿、粉尘、盐雾、震动等
蓄电池	过充、过放、欠充等超温、超湿、粉尘、盐雾、震动、明火等
柴油发电机组	海拔过高，负载波峰因数，负载短路，三相负载不平衡等

(2) 对自身故障的处理和系统操作

设备名称	项 目
高频开关电源	容错、掩错、隔错功能故障自诊断，系统自动复位，故障回叫，报警功能等
UPS	容错、掩错、隔错功能故障自诊断，系统自动复位，故障回叫，报警功能等主/备机切换，旁路切换，单元互助切换，双总线切换
蓄电池	密封阀排气
柴油发电机组	故障告警，三次不能启动告警，油压低、水温高自动保护停机，主机/备机切换，市电/油机切换等

----笔者曾为中国联通公司编写过《配套设备试运行可靠性测试（RRT）办法》，尝试把"稳定可靠性"归结到不同的故障等级，通过量化的数据来评定单台和整批设备的"稳定可靠性"，证明效果良好，现摘录高频开关电源部分献上（见附件）供大家参考。

2．可用性

----系统配置是通信电源工程中重要的一环，首先要清楚了解主设备对电源设备的要求，电源设备的使用性质、使用条件、使用环境等，再考虑柴油发电机组的输出特性，高频开关电源的输入/输出特性，UPS的输入/输出特性等，设备自身参数指标的优劣；UPS的备份和冗余方案的合理性；同网各电源设备之间匹配的合理性等，因为这都会直接或间接影响整个系统可用性。

----"可用性"主要表现在以下5个方面：

----(1) 设备自身的能耗

----★效率是一项十分重要的指标，它不仅与设备的设计思路有关，而且与用户的使用模式有关。
----高频开关电源在对蓄电池进行浮充供电时负载率常在30%-50%左右，可见B品牌的效率特性明显优于A品牌。

UPS、柴油发电机组的效率特性亦然，不赘述。

----★设备的空载损耗

----如20KVA UPS的空载损耗高者达到800W，低者达到400W，对于组成热备份形式的系统结构，备用机长期耗能，每年所耗费的电费分别为：

----365（天）×24（小时）×0.8KW×1.2元/千瓦时=8409.6元

----365（天）×24（小时）×0.4KW×1.2元/千瓦时=4204.8元

----★其他

----UPS的并机环流和高频开关电源的均流差异都会导致无功损耗的增大和引起末级驱动器件的温升和损坏。

----UPS、高频开关电源的风扇工作方式分智能调速风冷和强制风冷两种形式，论经济性和可靠性，前者优于后者。

----(2) 设备的输出特性和硬件支持决定带载能力。

----★波峰因数达到3:1的UPS可以带100%的低功率因数整流性负载。

----★永磁发电机波峰因数为2:1，可以带66%的低功率因数整流性负载。自励磁发电机波峰因数为1:1仅可带33%的低功率因数整流性负载

----★市面上大部分UPS最高长时带载能力为80%，超过该限度会损坏逆变器，个别品牌UPS逆变部分功率器件采用MOSFET和IGBT组合器件或智能型IGBT组合器件，通流量大，开/关特性好，温升低，所以允许长时间带载100%。

----(3) 设备的输入特性导致前端设备的功率容量浪费。

----输入功率因数是输入特性中一项十分重要的指标，市售的高频开关电源由于采用模块化、小型化设计，而且多为单相输入，所以功率因数校正比较容易，输入功率因数基本能接近0.99。

----UPS则不然，由于目前对于大功率三相整流电路进行功率因数校正通常只能做到无源功率因数补偿，六脉冲整流不加滤波器仅为0.65左右，十二脉冲整流仅为0.8左右，滤波器体积大，重量高，而且价格昂贵，供货厂商通常把滤波器列为选件，用户基于节约购置成本考虑，往往不愿购买，见下表：

	输入功率因数	输入谐波电流 （对电网污染）	无功损耗	输入配置容量	与发电机组功率匹配比	输入电压范围
6脉冲整流（滤波器）	0.65～0.80	27%～35%	20%～30%	1:1.25	1:2.5	±10%
12脉冲整流（滤波器）	0.80～0.90	10%～15%	10%～15%	1:1.15	1:1.5	±10%
IGBT高频整流	0.99	＜3%	＜1%	1:1	1:1	+15%～－30%

----换言之:

----80KVA的六脉冲UPS需要配置200KVA的柴油发电机组的功率容量;

----80KVA的十二脉冲UPS需要配置120KVA的柴油发电机组的功率容量;

----80KVA的IGBT高频整流UPS只需要配置80KVA的柴油发电机组的功率容量。

----(4) 负载的输入特性影响电源设备的可用度

----★波峰因数达到3:1的UPS带低功率因数的整流型非线性负载可以达到100%

----★UPS带容性负载可达到100%

----★UPS带感性负载仅可达到44%

----(5) 设备的备份和冗余方案影响的可用度

----★UPS常见的备份和冗余方案有：主从热备份、互动热备份、互助热备份、双总线热备份和冗余并联。其中并联主从热备份、互动热备份、互助热备份和双总线热备份只对双机有效，串联主从热备份和冗余并联则可以双机运行和多机运行。无论何种形式的双机运行设备冗余方案，最大可用度仅为50%。n+1串联主从热备份和冗余并联随着UPS台数的增加可用度可逐次提高到66%～85%。

----★三相输出的UPS任意一相过载即为输出过载，三相的不平衡分配等于降低了UPS的可用度。同理，柴油发电机组亦然。

可见，可用性是设备和系统节能、高效的表现，它体现的不仅仅是经济问题，可用性恶化到一定程度，会转化为稳定可靠性或安全性，给电信运营企业带来严重的损失。

----3．可维护性

----"分散供电，集中监控"是通信电源专业的发展方向，设备的维护趋向简单化，维护队伍趋向精英化。人力资源成本占据了企业运营成本的相当比重，再者人员的增加给企业管理上带来的麻烦亦相应增加。90年代，阀控式密封铅酸蓄电池取代了防酸隔爆铅酸蓄电池，大大减少了维护工作量和维护人员工伤的机会；高频开关电源和UPS的监控功能参差不齐，蓄电池管理功能中浮充/均充自动转换功能、充电限流功能、过放保护功能等基本功能较为普及，但能大幅度降低维护工作量的蓄电池定期放电（静置）测试功能、蓄电池定期均充功能、各单体电池端电压测量等功能只有个别品牌具备；柴油发电机组的自动检测、自启动、自投载、自补给、自撤载、自停机等功能的应用亦受到电力部门的制约；UPS的自启动和自关机程序亦只有个别品牌做到，各设备"三遥"功能硬件、软件支持程度、通信协议的规范与否均制约集中监控或互联网监控的实现。人机界面是否直观友好与可维护性密切相关；UPS的电路板块实行模块化设计，有助于缩短MTTF；高频开关电源整流模块、监控单元的带电插拔，亦有助于缩短MTTF，实现全前面板操作，有助于节省空间。设备的可维护性决定了近期、远期维护工作量和扩展的空间，最终都影响运营成本。

----4．可持续性

----近几年，电力、电子领域的快速发展，作为电信运营企业，不可能配备大量的检测仪器、备品备件和培养大批的专职维修人员，维护人员的主要职责是按规程进行设备维护，修复一般性故障，保持备份设备的完好，保障供电不中断，对于一些复杂的故障还得借助厂家的力量，要使设备能得到可持续性的服务主要看两点：

----(1) 产品市场保有量，尤其是在本地区的市场占有量。

----(2) 供货厂商的实力，诸如是厂家还是代理，几级代理，代理年限，在本地区是否有维修服务站和备品备件仓库，响应时间等都能得到反映，很难想象向实力单薄的供货厂商购买一台市场保有量低的设备能得到很好的服务。

----5．安全性

这是一个可大可小的问题，轻者可至人为故障，重者可至供电中断，甚至可至火灾、爆炸。我们姑且把安全性问题归为以下三类

----(1) 影响了同网设备或负载的使用

----这一点发生在UPS的个案较多，典型例子是河南省电视厅安装了一台输入功率因数为0.67的六脉冲整流120KVA
UPS，致使非UPS供电的设备由于电网严重污染而不能投入使用，结果花了一年多的时间，才找出原因并解决了UPS对电网的污染，但造成很大的时间和经济损失。又例，广州铁路集团安装了一台UPS用于可视电话会议系统，两者同处一室，由于屏蔽、接地、布线等施工环节欠妥，导致UPS对可视电话会议系统造成噪声干扰而无法工作，最后通过综合治理方才奏效。

----(2) 存在操作安全隐患

----操作界面没有三级分权密码保护，只要进入界面就能随意对任何的系统操作和参数修改，太可怕了，然而这还是众多电源设备的共性。

机柜内不同电位点没有标识，而且距离非常接近，有的少于2cm。1000A的蓄电池熔断器居然不配灭弧装置，亦屡见不鲜。

UPS能真正做到脱机维修的绝无仅有，要么带电作业，要么停电维修。

----(3) 产生明火或爆炸

----机柜内可以产生明火的部位不少，如变压器、电感线圈等，最易产生明火的是交流输入部分，有些厂家为了节省成本，象征性地装一组*电状的MOV器件用作防浪涌。该MOV一没有熔断装置，二没有脱扣装置，三没有灭弧填充物，四通流量小，五没有前级空气开关保护。遇上强大的雷电流必定起火燃烧，随着使用年限的增长，漏电电流的增大，导致发热，发热后更增大了漏电电流，如此恶性循环，必定起火燃烧或短路爆炸。


蓄电池发生热失控、膨胀、险酿成爆炸事故亦时有所闻，一个完善的产品是允许出故障，不允许起火的。

----三、 结束语

----1．稳定可靠性、可用性、可维护性、可持续性、安全性是客观反映通信电源系统综合质量的五大要素，五者相互依存、相互制约、满足一定的条件会相互转化，最终的检验应该是稳定可靠性和安全性。

----2．通信机房最忌火，次忌瘫，三忌浪费，不顾此失彼，通盘考虑，有的放矢，才谈得上营造一个高质量的通信电源系统。

摘自《中外电源》