軌道交通區間設備供電方案研究

盧 瀅

(中鐵上海設計院集團有限公司，上海 200070)

1 概 述

軌道交通通信設備不僅設置在控制中心、車站及場段內，根據站間距離的不同，區間也設有不少設備，如用于車地通信的RRU、AP、無線直放站等，以及用于安全監視的攝像機等終端。

為適應地區區域一體化發展以及建設資源節約型和環境友好型社會目標，滿足區域交通運輸需求，完善綜合運輸體系，支持城市群空間布局優化，軌道交通線路朝著城際、市域方向發展，以形成城市群區域內便捷、快速、安全、高效的軌道交通網絡。城際、市域軌道交通的特點是線路長、站點少、站間距長。

2 存在問題

軌道交通區間通信設備的供電一般均取自機房，由于站間距離長，從機房到區間設備的供電電纜線徑將加粗，這給電纜成端、施工、維修帶來了難度，同時也增加了建設、維護成本。因此，區間設備的供電問題需要尋找一個好的解決方案。

3 直流遠供電源系統(R-UPS)

直流遠供電源系統是通過電纜進行直流電能遠距離傳送，為區間通信設備供電的電源系統。主要由局端設備、遠端設備、供電電纜及監控設備組成。監控設備包括監控服務器、監控終端等。

該系統在兩端車站機房內分別布置一套直流遠供電源局端設備，局端設備分別接取220 V或380 V交流電，轉換升壓為400～800 V直流電，兩端局端同時通過區間2芯供電電纜向區間遠端設備并網供電。每個區間設備處布置一臺遠端設備，遠端設備將高壓直流電源逆變為用電設備所需的電源類型，為區間設備供電。 區間供電電纜需要2芯，另配置2芯備用。

系統具有監控功能，區間配置2芯光纜為監控系統組網。可實時監控設備運行狀態，監控電纜對地阻抗。檢修模式分為監控平臺遠程開啟免去現場、檢修開關、設備開關三種模式，可按需靈活選擇，以方便維護人員作業。

4 方案比較

以南京地鐵18號線最大站間距為23.3 km的區間為例，對區間設備采用傳統獨立供電方式和直流遠供方式進行分析比較。重點對區間設備供電電纜進行計算分析比較。

4.1 供電電纜

4.1.1 涉及到區間設備的通信系統

軌道交通中涉及到區間設備的通信系統有：專用無線系統、車地無線系統、公安消防無線系統。

專用無線系統一般采用TETRA集群設備組網。公安無線采用數字(PDT)集群系統，消防系統采用數字(PDT)和350 MHz無線常規中轉兼容方式。車地無線通信系統是一個傳輸寬帶無線數據、語音信息的系統，綜合承載CBTC列車運行控制、列車緊急文本、列車運行狀態監測、列車視頻監控、寬帶集群(預留)、乘客信息系統等業務，采用基于TD-LTE技術的車地綜合無線通信系統。

4.1.2 傳統獨立供電方式

區間設備按系統獨立設置，各系統區間終端設備分別從各自系統機柜取電，采用點對點供電方式。

按下列公式(1)計算電源線線徑:

ΔU=ΣPL/CA

(1)

式中：ΔU表示壓降，取5%；ΣP表示功耗總和；L表示距離；C表示纜線材質，取銅13；A表示電源線截面積，直放站按200W計算。

(1)專用無線系統。經計算，專用無線TETRA集群系統在超過1.8 km的區間需增加區間中繼設備，23.3 km區間需要設置12個區間直放站，直放站從車站機房取電，按式(1)計算，最遠直放站距車站10.8 km，A=33.23 mm2，選用35 mm2截面電力電纜；最近直放站距車站1.7 km，A=5.23 mm2，選用6 mm2截面電力電纜。

(2)公安消防無線系統。經計算，公安無線系統在超過2.5 km的區間需增加區間中繼設備，23.3 km區間需要設置9個區間直放站，直放站從車站機房取電，按式(1)計算，最遠直放站距車站11.65 km，A=35.85 mm2，選用50 mm2截面電力電纜；最近直放站距車站1.65 km，A=5.07 mm2，選用6 mm2截面電力電纜。

(3)車地無線通信系統。車地無線通信系統采用TD-LTE技術，采用信號系統、車載視頻、列車緊急文本及狀態信息、寬帶集群調度(預留)、乘客信息系統綜合承載，按分配15 M帶寬計算。 經計算，一個RRU覆蓋半徑約為522 m。區間需要設置22個RRU，按式(1)計算，最遠RRU距車站11.128 km，A=34.24 mm2，選用35 mm2截面電力電纜；最近直放站距車站0.688 km，A=2.12 mm2，選用4 mm2截面電力電纜。

4.1.3 直流遠供電源系統方案

區間設備布置示意如圖1所示。

圖1 區間設備布置示意圖

(1)將各遠端設備用電功率換算為等效最遠處單點功率，公式為：

(2)

式中，P表示等效最遠處單點峰值功率，W；P0表示最遠的遠端設備峰值功率，W；L0表示最遠遠端設備距離，m；L1～Ln為1#～n#遠端設備距離,m;P1～Pn為1#～n#遠端設備功率,W。計算結果詳見表1。

表1 區間設備等效功率一覽表

由此，得出P=5 250.46W。

(2)計算允許最大供電電纜線路阻抗，公式為：

式中：Rmax表示最大供電電纜環阻,Ω；P表示等效最遠處單點峰值功率,W；U表示傳輸電壓,V，取800 V；Umin表示遠端設備最低輸入電壓,V，取值 3/5U；K表示峰值功率系數，取0.8；K0表示預留功率余量系數，取1.3。

經計算，得出Rmax=28.13 Ω。

(3)計算最小供電電纜截面積，公式為：

(3)

式中：Smin表示最小供電電纜截面,mm2；ρ表示供電電纜電阻率，銅纜取值 0.0188 Ω·mm2/m；L0表示最遠供電點距離,m；K1表示供電電纜加長系數，取 1.1。

Smin=33.25mm2

經計算，區間所需電纜芯線截面面積為33.25 mm2，配置35 mm2按截面電力電纜。

4.2 方案比較

從抗干擾、施工、維護、費用等方面對兩種供電方式進行比較，見表2。

表2 供電方式比較表

5 結束語

軌道交通朝著城際、市域方向發展，具有線路長、站點少、站間距長的特點，隨著科技的發展，特別是互聯網時代的到來，軌道交通的區間設備逐漸增多，傳統區間供電方式已不能很好地適應需求，而直流遠供電源方式不失為一種選擇。本文對兩種供電方式進行了比較，以供進行軌道交通區間設備供電建設時參考。