哈大鐵路客運(yùn)專線通信電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

李雅靜

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電化電信處，天津 300251)

1 概述

雖然通信電源在整個(gè)鐵路通信行業(yè)中所占的比例不大，但它是整個(gè)鐵路通信網(wǎng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，是通信網(wǎng)絡(luò)上一個(gè)完整而又不可替代的獨(dú)立系統(tǒng)。

一般通信設(shè)備發(fā)生故障的影響面較小，是局部性的，但是如果電源系統(tǒng)發(fā)生供電中斷故障，則影響幾乎是災(zāi)難性的，很可能會(huì)造成整個(gè)鐵路通信系統(tǒng)的通信中斷。因此，通信電源系統(tǒng)需要在各個(gè)環(huán)節(jié)多重備份，保證供電可靠，尤其在重要節(jié)點(diǎn)的電源設(shè)計(jì)中要做到多路、多種、多套備用電源及后備電池，并合理選擇通信電源系統(tǒng)的輸入輸出線纜。

由此可見，電源的安全、可靠是保證通信系統(tǒng)正常運(yùn)行的重要條件，尤其在鐵路樞紐包括調(diào)度所、通信站、核心網(wǎng)機(jī)房等重要節(jié)點(diǎn)的通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中具有無可比擬的重要作用。

2 電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)重點(diǎn)及難點(diǎn)

作為哈大客運(yùn)專線沈大段核心節(jié)點(diǎn)，哈大客運(yùn)專線工程將既有沈陽(yáng)通信站一層、三層重新裝修，利用一層既有房屋新建電源室及蓄電池室，利用三層既有房屋新建沈陽(yáng)通信站及GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房。

沈陽(yáng)通信站及GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房設(shè)有獨(dú)立的電源室及蓄電池室，配置了包括交流配電屏、－48 V高頻開關(guān)整流設(shè)備、直流配電屏、UPS交流不間斷電源設(shè)備、閥控式鉛酸蓄電池組等電源設(shè)備，便于集中管理。再由直流配電柜和交流配電柜為三層機(jī)房各個(gè)直流列頭柜和交流列頭柜供電。

沈陽(yáng)通信站及GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

本次設(shè)計(jì)的主要難點(diǎn)在于以下幾點(diǎn):

(1)計(jì)算站內(nèi)直流設(shè)備所需高頻開關(guān)電源及蓄電池組容量;

(2)計(jì)算站內(nèi)交流設(shè)備所需UPS不間斷電源及蓄電池組容量;

(3)如何設(shè)計(jì)GSM－R核心網(wǎng)設(shè)備所需1+1雙母線并機(jī)供電方案;

(4)如何確定直流列頭柜和交流列頭柜的容量;

(5)在傳輸距離較長(zhǎng)、傳輸損耗較大的情況下，如何準(zhǔn)確計(jì)算各系統(tǒng)電源配線。

圖1 沈陽(yáng)通信站及GSM-R核心網(wǎng)機(jī)房電源系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

3 直流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)設(shè)置

沈陽(yáng)通信站及核心網(wǎng)機(jī)房采用集中供電方式，由電力專業(yè)新建66 kVA變配電所經(jīng)站內(nèi)電力低壓配電設(shè)備提供兩路穩(wěn)定可靠的獨(dú)立外供電源，三相五線制，Ⅰ類負(fù)荷，同時(shí)預(yù)留遠(yuǎn)期擴(kuò)容條件[1-2]。

沈陽(yáng)通信站及GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房電源室直流供電系統(tǒng)由高頻開關(guān)電源設(shè)備、直流配電設(shè)備及閥控式密封鉛酸蓄電池組構(gòu)成;高頻開關(guān)電源又包括交流配電柜、整流設(shè)備及直流配電柜，內(nèi)部由銅排相連。高頻開關(guān)整流設(shè)備及蓄電池組的容量，按近期負(fù)荷配置;直流配電設(shè)備的容量，按照遠(yuǎn)期負(fù)荷配置[1]。

沈陽(yáng)通信站及GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房共用主機(jī)房和電源室，故在本次直流供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中共用1套高頻開關(guān)電源設(shè)備(包括交流配電柜、整流柜、直流分配柜)。

3.2 蓄電池組容量計(jì)算

根據(jù)《鐵路通信電源設(shè)計(jì)規(guī)范》，沈陽(yáng)通信站及GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房－48 V高頻開關(guān)電源設(shè)備配置2組蓄電池組，并聯(lián)使用，且2組蓄電池組的容量相等，每組蓄電池組的容量為總?cè)萘康亩种?，蓄電池組的后備時(shí)間按1 h設(shè)計(jì)[1-2]。

－48 V 蓄電池組容量的計(jì)算公式如式(1)[1，3]:

式中Q——蓄電池容量，AH;

K——安全系數(shù)，取1.25;

I——負(fù)荷電流，A;

T——放電小時(shí)率(小時(shí)數(shù))，即蓄電池組的備用時(shí)間，h;

η——蓄電池放電容量系數(shù);

μ——蓄電池溫度系統(tǒng)，，當(dāng)放電小時(shí)率≥10時(shí)，取0.006;當(dāng)10＞放電小時(shí)率≥1時(shí)，取0.008;當(dāng)放電小時(shí)率＜1時(shí)，取0.01;

t——蓄電池所在地最低環(huán)境溫度數(shù)值，所在地有采暖設(shè)備時(shí)，按15℃考慮;沒有采暖設(shè)備時(shí)，按5℃考慮。

其中，對(duì)于通信站，蓄電池放電小時(shí)數(shù)T=1 h，η=0.55;

對(duì)于中間站，蓄電池放電小時(shí)數(shù)T=3 h，η=0.75。

如不考慮溫度影響，對(duì)于通信站，計(jì)算公式可簡(jiǎn)化為

沈陽(yáng)通信站及GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房直流用電設(shè)備由傳輸系統(tǒng)、接入系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)、調(diào)度通信系統(tǒng)、GSM－R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)核心網(wǎng)設(shè)備等部分構(gòu)成，總功耗約為40 kW。

由式(2)經(jīng)計(jì)算可知，沈陽(yáng)通信站及GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房－48 V高頻開關(guān)電源配置2組蓄電池，每組1 000 AH，各為蓄電池總?cè)萘康?0%，后備時(shí)間1 h。

3.3 整流設(shè)備容量計(jì)算

沈陽(yáng)通信站及GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房高頻開關(guān)電源整流模塊按N+1冗余方式配置。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)N≤10時(shí)，備用1塊;當(dāng)N＞10時(shí)，每10只備用1 塊[1]。

電源輸出總電流是由N個(gè)整流模塊并聯(lián)輸出得到，并考慮整流器的N+1備份保護(hù)設(shè)計(jì)，則高頻開關(guān)電源整流模塊計(jì)算公式

式中I負(fù)荷——負(fù)載電流;

I充電——蓄電池最大充電電流;

IR——整流模塊的額定電流;

ceil——向上取整函數(shù)。

其中，電池最大充電電流值為電池充電的允許值，即限流值I充電，計(jì)算公式

式中，充電系數(shù)K按0.1選取(正常范圍為0.1～0.2，對(duì)于電網(wǎng)較好的通信站或車站，該系數(shù)選擇0.1);Q為蓄電池容量。

由式(3)和式(4)經(jīng)計(jì)算可知，沈陽(yáng)通信站及GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房高頻開關(guān)電源總?cè)萘繛?－48 V/1 100 A(配置100 A/整流模塊)。

4 交流電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1 UPS電源容量計(jì)算

沈陽(yáng)通信站及GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房共用主機(jī)房和電源室，故在本次交流供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中共用1套UPS不間斷電源設(shè)備和交流分配柜(除GRIS設(shè)備，GRIS設(shè)備電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案見4.2)。

UPS交流不間斷電源容量計(jì)算公式

式中，功率因數(shù)＞0.8;轉(zhuǎn)換效率≥90%[2]。

對(duì)于不間斷電源UPS，當(dāng)輸出功率為UPS的額定輸出功率的60% ～80%時(shí)，UPS工作在最佳運(yùn)行狀態(tài)，且 UPS的實(shí)際功率不宜長(zhǎng)期超過額定功率的 80%[5]。

沈陽(yáng)通信站及GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房交流用電設(shè)備由綜合視頻、綜合網(wǎng)管、時(shí)間同步、電源及環(huán)境監(jiān)控、數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)管、OMC－R、接口檢測(cè)服務(wù)器、接口監(jiān)測(cè)存儲(chǔ)器、接口監(jiān)測(cè)采集器、無線網(wǎng)管中心端等部分構(gòu)成，總功耗為54 kW(除GRIS設(shè)備及網(wǎng)管終端的功耗3 kW)。

由式(5)經(jīng)計(jì)算可知，沈陽(yáng)通信站及GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房UPS交流不間斷電源設(shè)備總?cè)萘繛?0 kVA。

4.2 1+1雙母線并機(jī)方案設(shè)計(jì)

沈陽(yáng)GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房GRIS設(shè)備采用1+1并機(jī)雙總線供電方案，故為GRIS設(shè)備單獨(dú)設(shè)置4套20 kVA UPS不間斷電源設(shè)備，構(gòu)成1+1并機(jī)雙總線供電方案，如圖2所示。

圖2 UPS電源系統(tǒng)1+1雙母線并機(jī)方案

4套20 kVA UPS設(shè)備的交流輸入由高頻開關(guān)電源的交流分配柜提供。UPS1和UPS2共用1組蓄電池和交流輸出分配柜;UPS3和UPS4共用1組蓄電池和交流輸出分配柜。2個(gè)STS切換柜PDU配電單元同時(shí)為負(fù)載供電，最終實(shí)現(xiàn)1+1雙母線并機(jī)方案。

4.3 UPS蓄電池組容量計(jì)算

沈陽(yáng)通信站及GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房UPS蓄電池組的設(shè)計(jì)采用恒電流法，后備時(shí)間按1h設(shè)計(jì)[1-2]，詳細(xì)計(jì)算公式

式中Q——蓄電池容量，Ah;

P——負(fù)載功率，W;

T——備用小時(shí)數(shù)，h;

K——蓄電池放電系數(shù)(當(dāng)備電時(shí)間T=1～3 h，K=0.6;當(dāng)備電時(shí)間T=3 ～5 h，K=0.8;當(dāng)備電時(shí)間T=5～10 h，K=0.85;當(dāng)備電時(shí)間T＞10 h，K=1);

V——蓄電池輸入電壓(VDC);

η——蓄電池逆變效率，一般取0.92。

根據(jù)以上公式，沈陽(yáng)通信站及GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房配置90 kVA UPS，后備時(shí)間1 h，根據(jù)規(guī)范要求，配置2組蓄電池且并聯(lián)使用。

由式(6)分別計(jì)算可知，沈陽(yáng)通信站及GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房90 kVA UPS電源共配置12 V 200 Ah蓄電池2組，每組60只;核心網(wǎng) GRIS設(shè)備4組20 kVA UPS電源共配置12 V 100 Ah蓄電池2組，每組32只。

4.4 高頻開關(guān)電源交流輸入配電柜容量計(jì)算

高頻開關(guān)電源交流配電柜容量計(jì)算

式中，V交流取值為380 V或220 V，通信站均為380 V;功率因數(shù)按0.8計(jì)算;轉(zhuǎn)換效率按0.9計(jì)算[2]。

由式(7)經(jīng)計(jì)算可知，沈陽(yáng)通信站及GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房應(yīng)配置380 V/400 A交流配電柜，為高頻開關(guān)電源整流設(shè)備和UPS設(shè)備供電。

5 電源配線設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)由于電源室與沈陽(yáng)通信站及GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房的距離較大，傳輸線的微小電阻也會(huì)造成很大的壓降和功率損耗，造成電源傳輸損耗大、線纜芯徑粗等問題。由于與交流電源相比，直流電源電壓較小，因此這一問題對(duì)直流電源配線的影響更為嚴(yán)重。

考慮到通信電源系統(tǒng)的供電方式不同，在對(duì)通信設(shè)備供電電源線纜選型時(shí)，應(yīng)該逐段進(jìn)行分析計(jì)算，逐段確定電源線纜的型號(hào)。

電源線纜的選擇需要考慮以下兩點(diǎn)。

(1)《鐵路通信電源設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10072—2000)規(guī)定:－48 V電源供電饋線的截面設(shè)計(jì)應(yīng)滿足通信設(shè)備供電需要、強(qiáng)度要求，直流放電回路全程最大電壓降宜按 3.2 V 計(jì)算。[1]

(2)交流供電饋線的截面設(shè)計(jì)應(yīng)考慮電纜允許的通流量的大小:70 mm2以下的電纜按照4 A/mm2的通流量計(jì)算;90 mm2以上的電纜按照2.5 A/mm2的通流量計(jì)算。

5.1 直流電源配線計(jì)算

5.1.1 直流列頭柜容量計(jì)算

對(duì)于沈陽(yáng)通信站及GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房，核心網(wǎng)設(shè)備列總功耗最大，包括MSC、SGSN、GGSN及GPRS接入路由器等設(shè)備，設(shè)備功耗共計(jì)2.3 kW，故以此為例說明－48 V直流列頭柜容量的具體計(jì)算方法。

對(duì)于直流列頭柜，總?cè)蹟嗥鞯娜萘恳话銥榱蓄^柜負(fù)載的1.1～1.5倍(一般取1.3倍)。經(jīng)計(jì)算可知，設(shè)備載流量共計(jì)約480 A，根據(jù)列頭柜廠家設(shè)備規(guī)格，最終選定總?cè)蹟嗥鳛?00 A的直流列頭柜，其可承載的負(fù)載電流在450～500 A。

以上計(jì)算中采用的是廠家設(shè)備機(jī)柜的滿載額定功耗，設(shè)備實(shí)際功耗≤滿載額定功耗，核心網(wǎng)設(shè)備列運(yùn)行后實(shí)際負(fù)載電流約為300 A≤480 A，故列頭柜容量設(shè)計(jì)符合需要，且具有一定的預(yù)留，可滿足核心網(wǎng)設(shè)備滿載情況下的使用。

對(duì)于其他設(shè)備列，如果機(jī)柜位置和列頭柜支路空開未用滿，輸出分路的數(shù)量一般情況下按照實(shí)際負(fù)載數(shù)量再做20%～30%的預(yù)留。

5.1.2 直流列頭柜電源配線計(jì)算

直流電源的基礎(chǔ)電壓為－48 V，通信設(shè)備電壓允許的波動(dòng)范圍一般在－40～－57 V，比如傳輸設(shè)備的安全電壓范圍在－43～－56.7 V。

直流供電回路導(dǎo)線截面一般按電流矩法進(jìn)行計(jì)算[3]，對(duì)于銅線、銅芯電纜及銅排，截面積的計(jì)算公式

式中S——電源線的線徑，mm2;

∑I——電源線負(fù)荷電流，A;

L——導(dǎo)線長(zhǎng)度，m;

∑I×L——該計(jì)算段應(yīng)計(jì)入的各段負(fù)荷電流與各段導(dǎo)線長(zhǎng)度的乘積之和，即電流矩;

K——電源線的導(dǎo)電率，m/Ω × mm2，銅線為57(銅的電阻率是0.001 75 Ωm);

ΔU——在計(jì)算區(qū)段內(nèi)導(dǎo)線上允許的電壓降，V。

根據(jù)規(guī)范規(guī)定，－48 V電源供電饋線的直流放電回路全程最大電壓降宜按3.2 V計(jì)算[1]。－48 V電源供電饋線的直流放電回路上允許的電壓降，其數(shù)值等于直流放電回路全程最大電壓降減去串接在回路中各種配電設(shè)備和元件的總電壓降[3]。

由式(8)可知，對(duì)于同樣的來說，即是影響S的主要因素。對(duì)于沈陽(yáng)通信站及GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房，核心網(wǎng)設(shè)備列所用－48 V直流列頭柜的數(shù)值最大，故以此為例說明直流電源線截面積的具體計(jì)算方法。

核心網(wǎng)設(shè)備列－48 V直流列頭柜直流放電回路的傳輸距離為120 m，核心網(wǎng)設(shè)備列總功耗為2.3 kW。由式(8)經(jīng)計(jì)算可知，核心網(wǎng)設(shè)備列－48 V直流列頭柜電源線采用兩正兩負(fù)共計(jì)4根300 mm2的直流電源線。

5.2 交流列頭柜電源配線計(jì)算

對(duì)于交流設(shè)備來說，負(fù)載電流和電源線截面積的大小對(duì)傳輸距離并不敏感，可以采用常規(guī)算法進(jìn)行計(jì)算[3]。

220 V單相交流電電源線截面積的計(jì)算

380 V三相交流電電源線截面積的計(jì)算

相線截面積

零線截面積

也可根據(jù)IEC60950—1999要求[6]選擇線纜型號(hào)，連接到交流電源上的軟線應(yīng)符合表1。

表1 交流導(dǎo)線截面查詢表[6]

對(duì)于沈陽(yáng)通信站及GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房，以有線通信交流設(shè)備列為例說明交流電源線截面積的具體計(jì)算方法，該列由電源及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)、綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)、時(shí)間同步系統(tǒng)、數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)管服務(wù)器等設(shè)備構(gòu)成，設(shè)備功耗共計(jì)2.3 kW。

由式(9)經(jīng)計(jì)算可知，該列交流列頭柜應(yīng)采用截面積為50 mm2的交流電源線;查表1可知，125 A＜I≤160 A對(duì)應(yīng)的交流電源線截面積為50 mm2，兩者結(jié)果相同。

故有線通信交流設(shè)備列～220 V交流列頭柜電源線采用主備2根50 mm2的交流電源線。

6 通信電源系統(tǒng)優(yōu)化

沈陽(yáng)通信站及GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房作為哈大客運(yùn)專線的核心節(jié)點(diǎn)，為了保證通信電源系統(tǒng)更安全、穩(wěn)定、有效，針對(duì)設(shè)計(jì)過程中的重點(diǎn)難點(diǎn)，提出以下建議及優(yōu)化方案，以供參考。

GSM－R核心網(wǎng)機(jī)房、路局調(diào)度所及路局通信站等樞紐節(jié)點(diǎn)，建議直流和交流供電均采用雙電源雙總線系統(tǒng)進(jìn)行冗余供電，即需要配置2套相互獨(dú)立的高頻開關(guān)電源、UPS不間斷電源和配電系統(tǒng)。目前哈大客運(yùn)專線僅對(duì)于核心網(wǎng)關(guān)鍵設(shè)備保證了1+1雙總線并機(jī)方案設(shè)計(jì)，高頻開關(guān)電源僅配置了1套，故在今后的設(shè)計(jì)中此方面仍可進(jìn)行優(yōu)化。

另外，由于哈大客運(yùn)專線是利用既有房屋進(jìn)行重新裝修后新建電源室和主機(jī)房，故直流分配柜至直流列頭柜的電源線傳輸距離較長(zhǎng)，在設(shè)計(jì)中發(fā)現(xiàn)直流電源線截面積過大，造成電源線不易敷設(shè)的問題，建議在今后的設(shè)計(jì)中可以考慮在主機(jī)房單獨(dú)設(shè)置電源二次分配柜，輸入端與電源室的配電柜相連，輸出端與各個(gè)列頭柜相連，減少電源線的傳輸距離，亦可減少敷設(shè)難度和傳輸損耗。

7 結(jié)語(yǔ)

近年來，通信電源技術(shù)和產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展，圍繞提高效率、提高性能、小型輕量化、安全可靠、減少電磁干擾和電噪聲等方向進(jìn)行著不懈研究。鐵路通信電源系統(tǒng)從體制、規(guī)范、維護(hù)、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等方面不斷引進(jìn)新技術(shù)，為我國(guó)鐵路通信系統(tǒng)的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。對(duì)于鐵路通信系統(tǒng)尤其是鐵路樞紐通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，通信電源系統(tǒng)必將發(fā)揮著越來越重要的作用。

[1]中華人民共和國(guó)鐵道部.TB 10072—2000鐵路通信電源設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)鐵道出版社，2000.

[2]中華人民共和國(guó)鐵道部運(yùn)輸局.運(yùn)基通信[2010]35號(hào) 鐵路客運(yùn)專線通信技術(shù)裝備標(biāo)準(zhǔn)(試行)[S].北京:中華人民共和國(guó)鐵道部運(yùn)輸局，2010:47-49.

[3]鐵道部通信信號(hào)公司設(shè)計(jì)研究院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè) 通信(上冊(cè))[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，1991:530-531，550-561.

[4]中華人民共和國(guó)信息產(chǎn)業(yè)部.YD/T 5040—2005 通信電源設(shè)備安裝設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:北京郵電大學(xué)出版社，2006.

[5]杜娟.淺談UPS在通信系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].科技通訊.2004(2):25-27.

[6]IEC.IEC60950 －1999 Safety of Information Technology Equipment[S].1999.

[7]伍素琦.通信電源[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，1990.

[8]艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司.NetSure801系列電源系統(tǒng)用戶手冊(cè)(V1.3)[M].北京:艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司，2008.

[9]艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司.NXr UPS單機(jī)及并機(jī)系統(tǒng)30～160 kVA用戶手冊(cè)(V1.0)[M].北京:艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司，2009.

[10]艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司.iTrust Adapt 15 kVA和20 kVA UPS用戶手冊(cè)(V1.0)[M].北京:艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司，2009.