直流遠(yuǎn)供電源在既有鐵路GSM-R改造工程的應(yīng)用研究

彭維英

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

1 概述

鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)是鐵路通信系統(tǒng)重要組成部分，實(shí)現(xiàn)車(chē)機(jī)聯(lián)控和調(diào)度命令、無(wú)線(xiàn)車(chē)次號(hào)校核等與行車(chē)相關(guān)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳送。目前國(guó)內(nèi)鐵路移動(dòng)通信主要采用450 M無(wú)線(xiàn)列調(diào)系統(tǒng)和900 M GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，滿(mǎn)足不同等級(jí)鐵路無(wú)線(xiàn)通信的需求，并且形成了一套完整的技術(shù)體制和相關(guān)的設(shè)計(jì)規(guī)范以及管理和維護(hù)作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。隨著國(guó)家對(duì)450～470 MHz無(wú)線(xiàn)電頻率資源使用規(guī)劃調(diào)整，既有鐵路按照大修或更改的規(guī)定，移動(dòng)通信系統(tǒng)逐步改造為GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)。

既有鐵路GSM-R改造區(qū)間弱場(chǎng)覆蓋方案主要采用光纖直放站、分布式基站加天線(xiàn)或漏纜方式實(shí)現(xiàn)。如何解決好區(qū)間供電問(wèn)題，特別是低成本、高可靠的解決通信設(shè)備的供電，是確保鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)安全運(yùn)行，減少運(yùn)營(yíng)成本的課題。直流遠(yuǎn)供電源系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

2 區(qū)間直流遠(yuǎn)供供電方案研究

根據(jù)《鐵路電力設(shè)計(jì)規(guī)范》，GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)供電等級(jí)為I級(jí)。目前區(qū)間通信設(shè)備供電主要有兩種方案：交流直供、直流遠(yuǎn)供。交流直供是電力專(zhuān)業(yè)在既有電力貫通線(xiàn)上T接箱式變壓器的方式，這種供電方式受限于沿線(xiàn)既有電力供電情況，GSM-R改造工程中能否滿(mǎn)足區(qū)間光纖直放站、分布式基站供電等級(jí)要求主要取決于既有電力資源及電力改造費(fèi)用。

直流遠(yuǎn)供是從區(qū)間兩端車(chē)站或基站通信機(jī)械室取得穩(wěn)定的直流電，經(jīng)遠(yuǎn)供電源處理升壓后，以最大效率的方式通過(guò)電纜直接給區(qū)間通信設(shè)備供電。該供電方式不受既有線(xiàn)電力供電情況限制，能滿(mǎn)足區(qū)間通信設(shè)備I級(jí)負(fù)荷供電需求，具有一定的蓄電池后備時(shí)間和監(jiān)控功能。

因此，在不具備兩路電力貫通線(xiàn)的既有鐵路或山區(qū)供電條件差的鐵路， GSM-R改造工程采用直流遠(yuǎn)供方式解決區(qū)間通信設(shè)備供電是相對(duì)可靠、經(jīng)濟(jì)的手段。

2.1 直流遠(yuǎn)供電源技術(shù)

直流遠(yuǎn)供是將通信機(jī)房?jī)?nèi)高頻開(kāi)關(guān)電源輸出的-DC48 V電源，經(jīng)直流遠(yuǎn)供電源局端設(shè)備升壓為高壓直流信號(hào)（-DC400 V或-DC800 V），經(jīng)電纜傳輸至遠(yuǎn)端用電點(diǎn)，再經(jīng)直流遠(yuǎn)供電源遠(yuǎn)端設(shè)備變壓至通信設(shè)備所需的標(biāo)準(zhǔn)電壓，為遠(yuǎn)端通信設(shè)備供電。

2.2 直流遠(yuǎn)供電源系統(tǒng)組成

直流遠(yuǎn)供電源系統(tǒng)主要由局端設(shè)備、遠(yuǎn)端設(shè)備、供電電纜、監(jiān)控設(shè)備以及監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸鏈路組成。監(jiān)控設(shè)備包括監(jiān)控服務(wù)器、監(jiān)控終端等，監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)傳輸鏈路可利用光纖或用電設(shè)備提供的傳輸鏈路。直流遠(yuǎn)供電源系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示。

2.3 直流遠(yuǎn)供電源優(yōu)點(diǎn)

1）滿(mǎn)足I級(jí)負(fù)荷供電需求

區(qū)間設(shè)備采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直流遠(yuǎn)供，可避免供電電纜單點(diǎn)短路、斷路時(shí)，全線(xiàn)用電設(shè)備不停電；系統(tǒng)區(qū)間設(shè)備故障時(shí)，非故障點(diǎn)區(qū)間用電設(shè)備不停電；局端電源輸入側(cè)一端停電或一端局端電源故障無(wú)輸出，全線(xiàn)區(qū)間用電設(shè)備不停電；兩局端電源輸入端設(shè)有蓄電池組，保證高頻開(kāi)關(guān)電源輸入電源有故障時(shí)區(qū)間用電設(shè)備不停電。

2） 運(yùn)行維護(hù)方便，減少維護(hù)成本

系統(tǒng)網(wǎng)管能監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)主要設(shè)備工作狀態(tài)，并上傳狀態(tài)信息。當(dāng)局端電源、遠(yuǎn)端電源、或者傳輸電纜出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)網(wǎng)管能實(shí)時(shí)識(shí)別故障的性質(zhì)和準(zhǔn)確定位，并將信息上傳，告警。

3）降低建設(shè)成本，經(jīng)濟(jì)效益明顯

采用400 V傳輸時(shí)，可以利用既有線(xiàn)通信電纜作為供電電纜。既可利舊，更減少電纜購(gòu)置和敷設(shè)費(fèi)用。對(duì)于新敷設(shè)的電力電纜，由于采用直流供電，供電電纜可與光纜同槽敷設(shè)，且供電電纜截面積比AC220 V傳輸所需電纜截面積小，可減少線(xiàn)纜建設(shè)成本。

2.4 直流遠(yuǎn)供電源系統(tǒng)應(yīng)用要素

直流遠(yuǎn)供系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)考慮供電點(diǎn)局端設(shè)備輸出功率、供電電纜程式、線(xiàn)徑以及用電點(diǎn)負(fù)載功耗等方面的因素。

2.4.1 輸出功率

1）局端設(shè)備輸出功率的計(jì)算方式如下：

式中：P局端——局端輸出功率；

P區(qū)間——區(qū)間所有用電設(shè)備輸入功率總和；

η——電源轉(zhuǎn)換效率，一般取0.9；

K線(xiàn)路——最?lèi)毫庸r時(shí)允許線(xiàn)路損耗率，一般取 0.3～0.4。

2）遠(yuǎn)端設(shè)備輸出功率的計(jì)算方式如下：

式中：P遠(yuǎn)端——電源模塊輸出功率；

P區(qū)間遠(yuǎn)端——區(qū)間設(shè)備輸入功率；

PF——區(qū)間用電設(shè)備功率因素，直流設(shè)備取值1，交流設(shè)備一般取值0.5～0.99（查詢(xún)區(qū)間用電設(shè)備數(shù)據(jù)手冊(cè)或者實(shí)測(cè)獲得）；

K電源模塊——電源模塊輸出功率余量，一般取0.4～ 1.2。

2.4.2 供電電纜

2.4.2.1 供電電纜選型

供電電纜可采用通信電纜，也可采用電力電纜，既有線(xiàn)GSM-R改造工程區(qū)間有可利用的通信電纜且滿(mǎn)足以下條件，建議優(yōu)先選用通信電纜。

——截面積滿(mǎn)足傳輸壓降要求；

——電纜導(dǎo)體對(duì)導(dǎo)體、導(dǎo)體對(duì)屏蔽層或地的絕緣電阻值DC500 V測(cè)試電壓下應(yīng)不小于2 MΩ；

——傳輸電壓應(yīng)不大于400 V。

由于鐵路區(qū)間直流供電是以區(qū)間的遠(yuǎn)端電源設(shè)備位置將通信電纜物理分?jǐn)嗪蠼尤胧褂茫?dāng)全區(qū)段絕緣電阻值不滿(mǎn)足要求時(shí)，可考慮區(qū)間通信電纜物理切斷后分段檢測(cè)整治，使直流遠(yuǎn)供電源區(qū)段絕緣電阻值達(dá)標(biāo)即可。

2.4.2.2 供電電纜截面計(jì)算

1）確定距離基點(diǎn)

比較兩臺(tái)局端電源與其相鄰遠(yuǎn)端電源距離，距離較大的局端電源所處位置為距離基點(diǎn)，如圖3所示。

2）最小截面積計(jì)算

選用電纜最小截面積必須滿(mǎn)足最遠(yuǎn)遠(yuǎn)端電源輸入電壓大于其最小工作電壓，計(jì)算按以下步驟進(jìn)行。

a.將各遠(yuǎn)端電源用電功率換算為等效最遠(yuǎn)處單點(diǎn)功率，公式為：

式中：P——等效最遠(yuǎn)處單點(diǎn)峰值功率（W）；

P0——最遠(yuǎn)遠(yuǎn)端電源峰值功率（W）；

L0——最遠(yuǎn)遠(yuǎn)端電源距離（m）；

L1～Ln——#1～#n遠(yuǎn)端電源距離（m）；

P1～Pn——#1～#n遠(yuǎn)端電源功率（W）。

b. 計(jì)算允許最大線(xiàn)路阻抗，公式為：

式中：Rmax——最大電纜環(huán)阻（Ω）；

P——等效最遠(yuǎn)處單點(diǎn)峰值功率（W）；

U——傳輸電壓（V）；

Umin——遠(yuǎn)端電源最低輸入電壓（V），最小取1/2U；

K——峰值功率系數(shù)，取值一般為0.6～1，不得大于1；

K0——預(yù)留功率余量系數(shù)，取值一般為1.05～1.5，不得小于1。

c. 計(jì)算最小電纜截面積，公式為：

式中：Smin——最小電纜截面（mm2）；

ρ——電纜電阻率，銅纜取值0.018 8(Ω·mm2/m) ；

L0——最遠(yuǎn)供電點(diǎn)距離（m），電纜環(huán)阻為兩線(xiàn)串聯(lián)值，需要乘以系數(shù)2；

K1——電纜加長(zhǎng)系數(shù)，考慮電纜鋪設(shè)的張弛度，預(yù)留長(zhǎng)度等，需要考慮加長(zhǎng)，系數(shù)一般取1.03～1.2，不得小于1；

Rmax——最大電纜環(huán)阻（Ω）。

3 直流遠(yuǎn)供電源系統(tǒng)在既有線(xiàn)GSM-R改造工程中的應(yīng)用

以某條線(xiàn)GSM-R改造工程車(chē)站A與車(chē)站B間弱場(chǎng)覆蓋方案為例，討論區(qū)間通信設(shè)備供電方案。區(qū)間RRU設(shè)置情況如圖4所示。

區(qū)間供電電壓按400 V考慮，RRU最大用電功率按300 W計(jì)算，根據(jù)2.4節(jié)相關(guān)內(nèi)容計(jì)算得出以下結(jié)論：

供電點(diǎn)局端設(shè)備輸出功率：P局端=1 866 W

用電點(diǎn)遠(yuǎn)端設(shè)備輸出功率：P遠(yuǎn)端=473 W

供電電纜最小截面：Smin=6.87 mm2

根據(jù)以上計(jì)算，本工程在車(chē)站A和車(chē)站B新增負(fù)荷2 000 W；遠(yuǎn)端設(shè)備輸出功率應(yīng)≥500 W。供電電纜最小截面≥6.87 mm2，通信電纜芯線(xiàn)并聯(lián)后折算截面積為截面積相加后乘以0.85～0.9的系數(shù)，4×4×0.9通信電纜可折算為2×6.48 mm2的電纜，截面積小于6.87 mm2，不滿(mǎn)足要求。7×4×0.9通 信 電 纜 可 折 算 為 2×11.34 mm2的電纜，截面積大于6.87 mm2，因此，采用通信電纜時(shí)需要7×4×0.9；采用電力電纜時(shí)需要VV222×10型電纜。本工程既有線(xiàn)敷設(shè)有HEYFL237×4×0.9+6×2×0.7通信電纜一條，工程實(shí)施時(shí)可測(cè)試電纜導(dǎo)體對(duì)導(dǎo)體、導(dǎo)體對(duì)屏蔽層或地的絕緣電阻值，在滿(mǎn)足2.4.2節(jié)供電電纜選型要求或局部整治后滿(mǎn)足要求的前提下采用既有通信電纜，降低工程造價(jià)。在不滿(mǎn)足要求的區(qū)段可局部與通信光纜同溝敷設(shè)VV222×10型電力電纜。

4 結(jié)束語(yǔ)

直流遠(yuǎn)供電源應(yīng)用到既有線(xiàn)GSM-R改造工程中，可滿(mǎn)足區(qū)間設(shè)備I級(jí)負(fù)荷的供電需求，具有安全性好、可集中監(jiān)控和管理、便于維護(hù)的特點(diǎn)，同時(shí)可利用既有通信電纜作為供電電纜，降低工程造價(jià)，很好地解決了既有線(xiàn)GSM-R改造工程中區(qū)間設(shè)備的用電需求，提高了鐵路移動(dòng)通信網(wǎng)的安全可靠性。

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