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通信综合楼电源系统供电可靠性分析

作者:秦珲 来源:电子技术与软件工程 论文栏目:计算机论文     更新时间:2019-07-13   浏览

本学术论文《通信综合楼电源系统供电可靠性分析》,转载自学术期刊《电子技术与软件工程》2014年12期 发表过的职称 论文,原文作者:秦珲,由中国学术论文网编辑整理录入,仅供您在通信综合楼,可靠性,不可用度,平均无故障时间,串联系统,并联系统等方面参考学习。

秦珲

摘 要

通过通信局楼供电系统可靠性分析模型的构建,对不同供电环境下的不同供电系统架构进行可靠性分析,得出不同场景下,满足供电可靠性要求的通信局楼最低设备配置要求,提出提升通信局楼供电可靠性的关键性因素。

【关键词】通信综合楼 可靠性 不可用度 平均无故障时间 串联系统 并联系统

通信综合楼通常作为交换的核心节点、数据网络的骨干节点和传输网络骨干节点,对整个网络起着重要的支撑作用。本文的目的是根据《通信局(站)电源系统总技术要求》,对各综合楼电源系统可靠性进行分析,找出各种供电架构下,影响电源系统可靠性的关键性因素,以期在提高供电系统可靠性的前提下减少建设成本。

1 通信综合楼供电可靠性分析模型构建

通信综合楼供电系统主要由高压供电系统、变配电系统、直流不间断供电系统、交流不间断供电系统、后备供电系统等构成。典型的通信机楼直流不间断供电系统方框图和交流不间断供电系统方框图分别如图1、图2所示。图中虚线表示对重要负荷的油机直供回路。

由图1、2可知,由发电机构成的备用供电系统、电池组构成的后备系统为市电高低压系统构成的主用供电系统的后备运行方式的并联系统,逻辑上构成并联关系,主用供电系统内部、发电机备用供电系统及其后端供电设备、蓄电池组后备系统及其后端供电设备逻辑上均构成串联关系。

2 常用电源系统供电可靠性分析

本文根据《通信局(站)电源系统总技术要求》中对电源设备的可靠性要求,逐一对各个供电子系统在不同供电架构下的可靠性进行分析。

(1)市电可靠性分析:平均20年内,一类市电供电故障时间小于119.14小时,二类市电供电故障时间小于5256小时,三类市电供电故障时间小于8760小时。由于本文只针对县局以上级别的通信综合楼供电可靠性进行分析,县局以上级别的通信综合楼市电类别基本能达到三类以上,故不再对四类市电供电情况下通信综合楼供电可靠性进行分析。

(2)高压供电系统可靠性分析:高压供电系统由高压进线柜、高压计量柜、PT柜、高压出线柜、高压母联柜、分断柜等组成。高压母联柜设备稍复杂,可靠性比高压出线柜略低,为简化计算,可靠性按高压配电柜取。高压计量柜、PT柜由于构造简单,元器件少,可靠性高于高压配电柜,其故障时不一定造成系统故障,本文不计其可靠性对系统可靠性的影响。

市电类别为一类时,高压配电设备MTBF≥1.4×105小时,不可用度应≤6.9×10-6;

市电类别为二类、三类时,高压配电设备MTBF≥4.18×104小时,不可用度应≤2.4×10-5。

一路10kV市电引入高压供电系统一次接线图如图3所示。由图可知进线柜、出线柜都工作正常时,市电才能向变压器供电。本高压供电子系统的不可用度≤2×2.4×10-5=4.8×10-5。此系统平均20年内,二类市电情况下供电故障时间小于8.16小时,三类市电情况下供电故障时间小于7.99小时。

两路10kV市电引入高压供电系统典型一次接线图如图4(带母联开关)所示。

如图4所示,两路10kV市电引入高压供电系统,当出线柜主开关故障时,无法向变压器供电,当所在母线段进线柜主开关故障时,还能通过另一母线段进线柜通过母联柜用另一路市电向变压器供电,一个进线柜和另一个进线柜+母联柜构成并联供电系统(此时两个进线柜构成一双电源自动转换柜,可靠性取与高压配电柜相同,与母联柜构成串联关系)。故此高压子系统一类市电情况下不可用度≤6.9 ×10-6+6.9×10-6+6.9×10-6=2.07×10-5,二类市电情况下不可用度≤2.4×10-5+2.4×10-5+2.4×10-5= 7.2×10-5。

(3)变压器可靠性分析:为了避免变压器故障时影响面过大,通信供电系统极少采用变压器并联供电系统,为了提高供电可靠性,多采用变压器热备用或冷备用方式备份变压器。平均20年内,有载调压变压器不可用度≤1.22×10-3。

(4)低压系统可靠性分析:低压配电系统通常包括进线柜、双电源切换柜、无功功率补偿柜、母联柜、配电柜等。母联柜设备稍复杂,可靠性比配电柜略低,为简化计算,可靠性按低压配电柜取,无功功率补偿柜大多配置自动保护装置,其故障不一定造成系统故障,本文不计其对供电系统可靠性影响。

单母线配电系统常用于单变压器供电,用电量较小的局所。典型的一次接线图如图5所示:

如图5所示,除重要负荷出线开关故障将造成其中断供电外,当市电进线开关故障时,油机可以通过油机进线开关向重要负荷供电。一类市电情况下,配电柜关键部件平均每年动作次数小于12次,此系统不可用度≤2.0×10-6 +2.0×10-6≈4.0×10-6(取市电/油机切换开关与低压配电柜相同,下同); 二类、三类市电情况下,主进线柜关键部件平均每年动作次数大于12次,重要负荷出线开关通常不带失压脱扣功能,配电柜关键部件平均每年动作次数小于12次,此系统不可用度≤2.0×10-6+1×10-5 =1.2×10-5。

(5)后备发电系统可靠性分析:通信局站普遍使用的柴油发电机供电系统由柴油发电机、供油系统、油机输出控制系统等设备构成,为一串联系统。

单台油机输出系统按一级配电考虑,不可用度≤2×10-6=2×10-6,有备用油机情况下,油机切换柜可靠性取与低压配电柜相同,油机输出系统不可用度≤2×10-6+2×10-6=4×10-6。

供油系统主要由油箱、油管、油泵及配套控制系统、地下油库等组成。油箱、油管的可靠性主要取决于制造材质、加工工艺水平等,根据实际使用经验,正常情况下,供油系统由于使用频率较少,可持续使用12年以上。单油箱供油系统MTBF≥1.0×105小时,不可用度≤2.5×10-4。

单台油机工作情况下,后备发电系统不可用度≤3.75×10-3+2.5×10-4+2.0×10-6≈4.1×10-3。

有备用油机工作情况下,后备发电系统不可用度≤(3.75×10-3+2.5×10-4+2.0×10-6)×(3.75×10-3+2.5×10-4+4.0×10-6)≈4.1×10-3×4.1 ×10-3=1.681×10-5。

(6)直流供电系统可靠性分析:开关电源供电系统包括高频开关电源、后备蓄电池组、直流配电屏等。直流供电系统故障时间=蓄电池故障时间+直流配电屏故障时间。电池组只在配电设备故障、开关整流器故障或市电、油机同时故障条件下工作。

(7)交流不间断供电系统可靠性分析: UPS供电系统主要包括UPS主机、后备蓄电池、输出配电屏等。UPS供电系统故障时间=UPS逆变器故障时间+蓄电池故障时间+交流配电屏故障时间。电池组只在配电设备故障、UPS整流器故障或市电、油机同时故障条件下工作。

3 N+K冗余系统可靠性分析

N+K冗余系统主要使用于模块化设备如开关电源整流架、模块化UPS等。N+K冗余系统的特点是N个主用模块和K个备用模块电气特性及可靠性完全相同。对于可修复电气产品,N+K系统的平均无故障时间MTBFS可用如下公式表示:

n+k

MTBFS =MTBF∑1/I (MTBF为单个模块的平均故障时间)

I=n

在主备用模块比例相同即系统冗余度相同的情况下,主用模块越多,可靠性越低,因此在选用开关电源及模块化UPS时,在备用模块数量确定的情况下(如《通信电源设备安装工程设计规范》规定,整流器配置n≤10时,备用1只),应尽量选用大功耗的模块,减少主用模块的个数,提高系统的可靠性。

4 结束语

综上所述,综合楼供电系统是由相互或串联或并联的供电子系统构成,任一子系统的可靠性改变,都会影响到供电系统的可靠性。对可靠性要求高的局楼,考虑到供配电系统的单点故障及系统的可维护性,建议对变压器、低压配电系统采用N+1方式配置,对重要负荷采用双供电回路以提高其供电可靠性。

通信综合楼需根据其对供电可靠性的具体要求,结合实际情况,选择与之匹配的供电架构并配置相应的设备。在系统可靠性需求明确时,对供电架构及设备的选型,需进行技术经济性比较,并结合维护人员的技术水平进行综合评估。

参考文献

[1] 李海泉,李刚 系统可靠性分析与设计[M].北京:科学出版社,2003.

[2] 中国通信标准化协会YD/T1051-2010,通信局(站)电源系统总技术要求[S].北京:人民邮电出版社,2010.

[3] 中讯邮电咨询设计院YD5040-2005,通信电源设备安装设计规范[S].北京:北京邮电大学出版社,2006.

作者单位

福建省邮电规划设计院有限公司 福建省福州市 350000

单台油机工作情况下,后备发电系统不可用度≤3.75×10-3+2.5×10-4+2.0×10-6≈4.1×10-3。

有备用油机工作情况下,后备发电系统不可用度≤(3.75×10-3+2.5×10-4+2.0×10-6)×(3.75×10-3+2.5×10-4+4.0×10-6)≈4.1×10-3×4.1 ×10-3=1.681×10-5。

(6)直流供电系统可靠性分析:开关电源供电系统包括高频开关电源、后备蓄电池组、直流配电屏等。直流供电系统故障时间=蓄电池故障时间+直流配电屏故障时间。电池组只在配电设备故障、开关整流器故障或市电、油机同时故障条件下工作。

(7)交流不间断供电系统可靠性分析: UPS供电系统主要包括UPS主机、后备蓄电池、输出配电屏等。UPS供电系统故障时间=UPS逆变器故障时间+蓄电池故障时间+交流配电屏故障时间。电池组只在配电设备故障、UPS整流器故障或市电、油机同时故障条件下工作。

3 N+K冗余系统可靠性分析

N+K冗余系统主要使用于模块化设备如开关电源整流架、模块化UPS等。N+K冗余系统的特点是N个主用模块和K个备用模块电气特性及可靠性完全相同。对于可修复电气产品,N+K系统的平均无故障时间MTBFS可用如下公式表示:

n+k

MTBFS =MTBF∑1/I (MTBF为单个模块的平均故障时间)

I=n

在主备用模块比例相同即系统冗余度相同的情况下,主用模块越多,可靠性越低,因此在选用开关电源及模块化UPS时,在备用模块数量确定的情况下(如《通信电源设备安装工程设计规范》规定,整流器配置n≤10时,备用1只),应尽量选用大功耗的模块,减少主用模块的个数,提高系统的可靠性。

4 结束语

综上所述,综合楼供电系统是由相互或串联或并联的供电子系统构成,任一子系统的可靠性改变,都会影响到供电系统的可靠性。对可靠性要求高的局楼,考虑到供配电系统的单点故障及系统的可维护性,建议对变压器、低压配电系统采用N+1方式配置,对重要负荷采用双供电回路以提高其供电可靠性。

通信综合楼需根据其对供电可靠性的具体要求,结合实际情况,选择与之匹配的供电架构并配置相应的设备。在系统可靠性需求明确时,对供电架构及设备的选型,需进行技术经济性比较,并结合维护人员的技术水平进行综合评估。

参考文献

[1] 李海泉,李刚 系统可靠性分析与设计[M].北京:科学出版社,2003.

[2] 中国通信标准化协会YD/T1051-2010,通信局(站)电源系统总技术要求[S].北京:人民邮电出版社,2010.

[3] 中讯邮电咨询设计院YD5040-2005,通信电源设备安装设计规范[S].北京:北京邮电大学出版社,2006.

作者单位

福建省邮电规划设计院有限公司 福建省福州市 350000

单台油机工作情况下,后备发电系统不可用度≤3.75×10-3+2.5×10-4+2.0×10-6≈4.1×10-3。

有备用油机工作情况下,后备发电系统不可用度≤(3.75×10-3+2.5×10-4+2.0×10-6)×(3.75×10-3+2.5×10-4+4.0×10-6)≈4.1×10-3×4.1 ×10-3=1.681×10-5。

(6)直流供电系统可靠性分析:开关电源供电系统包括高频开关电源、后备蓄电池组、直流配电屏等。直流供电系统故障时间=蓄电池故障时间+直流配电屏故障时间。电池组只在配电设备故障、开关整流器故障或市电、油机同时故障条件下工作。

(7)交流不间断供电系统可靠性分析: UPS供电系统主要包括UPS主机、后备蓄电池、输出配电屏等。UPS供电系统故障时间=UPS逆变器故障时间+蓄电池故障时间+交流配电屏故障时间。电池组只在配电设备故障、UPS整流器故障或市电、油机同时故障条件下工作。

3 N+K冗余系统可靠性分析

N+K冗余系统主要使用于模块化设备如开关电源整流架、模块化UPS等。N+K冗余系统的特点是N个主用模块和K个备用模块电气特性及可靠性完全相同。对于可修复电气产品,N+K系统的平均无故障时间MTBFS可用如下公式表示:

n+k

MTBFS =MTBF∑1/I (MTBF为单个模块的平均故障时间)

I=n

在主备用模块比例相同即系统冗余度相同的情况下,主用模块越多,可靠性越低,因此在选用开关电源及模块化UPS时,在备用模块数量确定的情况下(如《通信电源设备安装工程设计规范》规定,整流器配置n≤10时,备用1只),应尽量选用大功耗的模块,减少主用模块的个数,提高系统的可靠性。

4 结束语

综上所述,综合楼供电系统是由相互或串联或并联的供电子系统构成,任一子系统的可靠性改变,都会影响到供电系统的可靠性。对可靠性要求高的局楼,考虑到供配电系统的单点故障及系统的可维护性,建议对变压器、低压配电系统采用N+1方式配置,对重要负荷采用双供电回路以提高其供电可靠性。

通信综合楼需根据其对供电可靠性的具体要求,结合实际情况,选择与之匹配的供电架构并配置相应的设备。在系统可靠性需求明确时,对供电架构及设备的选型,需进行技术经济性比较,并结合维护人员的技术水平进行综合评估。

参考文献

[1] 李海泉,李刚 系统可靠性分析与设计[M].北京:科学出版社,2003.

[2] 中国通信标准化协会YD/T1051-2010,通信局(站)电源系统总技术要求[S].北京:人民邮电出版社,2010.

[3] 中讯邮电咨询设计院YD5040-2005,通信电源设备安装设计规范[S].北京:北京邮电大学出版社,2006.

作者单位

福建省邮电规划设计院有限公司 福建省福州市 350000

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