軌道交通區(qū)間設(shè)備供電方案研究

盧 瀅

(中鐵上海設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，上海 200070)

1 概 述

軌道交通通信設(shè)備不僅設(shè)置在控制中心、車站及場(chǎng)段內(nèi)，根據(jù)站間距離的不同，區(qū)間也設(shè)有不少設(shè)備，如用于車地通信的RRU、AP、無線直放站等，以及用于安全監(jiān)視的攝像機(jī)等終端。

為適應(yīng)地區(qū)區(qū)域一體化發(fā)展以及建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會(huì)目標(biāo)，滿足區(qū)域交通運(yùn)輸需求，完善綜合運(yùn)輸體系，支持城市群空間布局優(yōu)化，軌道交通線路朝著城際、市域方向發(fā)展，以形成城市群區(qū)域內(nèi)便捷、快速、安全、高效的軌道交通網(wǎng)絡(luò)。城際、市域軌道交通的特點(diǎn)是線路長(zhǎng)、站點(diǎn)少、站間距長(zhǎng)。

2 存在問題

軌道交通區(qū)間通信設(shè)備的供電一般均取自機(jī)房，由于站間距離長(zhǎng)，從機(jī)房到區(qū)間設(shè)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(shí)也增加了建設(shè)、維護(hù)成本。因此，區(qū)間設(shè)備的供電問題需要尋找一個(gè)好的解決方案。

3 直流遠(yuǎn)供電源系統(tǒng)(R-UPS)

直流遠(yuǎn)供電源系統(tǒng)是通過電纜進(jìn)行直流電能遠(yuǎn)距離傳送，為區(qū)間通信設(shè)備供電的電源系統(tǒng)。主要由局端設(shè)備、遠(yuǎn)端設(shè)備、供電電纜及監(jiān)控設(shè)備組成。監(jiān)控設(shè)備包括監(jiān)控服務(wù)器、監(jiān)控終端等。

該系統(tǒng)在兩端車站機(jī)房?jī)?nèi)分別布置一套直流遠(yuǎn)供電源局端設(shè)備，局端設(shè)備分別接取220 V或380 V交流電，轉(zhuǎn)換升壓為400～800 V直流電，兩端局端同時(shí)通過區(qū)間2芯供電電纜向區(qū)間遠(yuǎn)端設(shè)備并網(wǎng)供電。每個(gè)區(qū)間設(shè)備處布置一臺(tái)遠(yuǎn)端設(shè)備，遠(yuǎn)端設(shè)備將高壓直流電源逆變?yōu)橛秒娫O(shè)備所需的電源類型，為區(qū)間設(shè)備供電。 區(qū)間供電電纜需要2芯，另配置2芯備用。

系統(tǒng)具有監(jiān)控功能，區(qū)間配置2芯光纜為監(jiān)控系統(tǒng)組網(wǎng)?？蓪?shí)時(shí)監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，監(jiān)控電纜對(duì)地阻抗。檢修模式分為監(jiān)控平臺(tái)遠(yuǎn)程開啟免去現(xiàn)場(chǎng)、檢修開關(guān)、設(shè)備開關(guān)三種模式，可按需靈活選擇，以方便維護(hù)人員作業(yè)。

4 方案比較

以南京地鐵18號(hào)線最大站間距為23.3 km的區(qū)間為例，對(duì)區(qū)間設(shè)備采用傳統(tǒng)獨(dú)立供電方式和直流遠(yuǎn)供方式進(jìn)行分析比較。重點(diǎn)對(duì)區(qū)間設(shè)備供電電纜進(jìn)行計(jì)算分析比較。

4.1 供電電纜

4.1.1 涉及到區(qū)間設(shè)備的通信系統(tǒng)

軌道交通中涉及到區(qū)間設(shè)備的通信系統(tǒng)有：專用無線系統(tǒng)、車地?zé)o線系統(tǒng)、公安消防無線系統(tǒng)。

專用無線系統(tǒng)一般采用TETRA集群設(shè)備組網(wǎng)。公安無線采用數(shù)字(PDT)集群系統(tǒng)，消防系統(tǒng)采用數(shù)字(PDT)和350 MHz無線常規(guī)中轉(zhuǎn)兼容方式。車地?zé)o線通信系統(tǒng)是一個(gè)傳輸寬帶無線數(shù)據(jù)、語音信息的系統(tǒng)，綜合承載CBTC列車運(yùn)行控制、列車緊急文本、列車運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè)、列車視頻監(jiān)控、寬帶集群(預(yù)留)、乘客信息系統(tǒng)等業(yè)務(wù)，采用基于TD-LTE技術(shù)的車地綜合無線通信系統(tǒng)。

4.1.2 傳統(tǒng)獨(dú)立供電方式

區(qū)間設(shè)備按系統(tǒng)獨(dú)立設(shè)置，各系統(tǒng)區(qū)間終端設(shè)備分別從各自系統(tǒng)機(jī)柜取電，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)供電方式。

按下列公式(1)計(jì)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(zhì)，取銅13；A表示電源線截面積，直放站按200W計(jì)算。

(1)專用無線系統(tǒng)。經(jīng)計(jì)算，專用無線TETRA集群系統(tǒng)在超過1.8 km的區(qū)間需增加區(qū)間中繼設(shè)備，23.3 km區(qū)間需要設(shè)置12個(gè)區(qū)間直放站，直放站從車站機(jī)房取電，按式(1)計(jì)算，最遠(yuǎn)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(tǒng)。經(jīng)計(jì)算，公安無線系統(tǒng)在超過2.5 km的區(qū)間需增加區(qū)間中繼設(shè)備，23.3 km區(qū)間需要設(shè)置9個(gè)區(qū)間直放站，直放站從車站機(jī)房取電，按式(1)計(jì)算，最遠(yuǎn)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?zé)o線通信系統(tǒng)。車地?zé)o線通信系統(tǒng)采用TD-LTE技術(shù)，采用信號(hào)系統(tǒng)、車載視頻、列車緊急文本及狀態(tài)信息、寬帶集群調(diào)度(預(yù)留)、乘客信息系統(tǒng)綜合承載，按分配15 M帶寬計(jì)算。 經(jīng)計(jì)算，一個(gè)RRU覆蓋半徑約為522 m。區(qū)間需要設(shè)置22個(gè)RRU，按式(1)計(jì)算，最遠(yuǎn)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(yuǎn)供電源系統(tǒng)方案

區(qū)間設(shè)備布置示意如圖1所示。

圖1 區(qū)間設(shè)備布置示意圖

(1)將各遠(yuǎn)端設(shè)備用電功率換算為等效最遠(yuǎn)處單點(diǎn)功率，公式為：

(2)

式中，P表示等效最遠(yuǎn)處單點(diǎn)峰值功率，W；P0表示最遠(yuǎn)的遠(yuǎn)端設(shè)備峰值功率，W；L0表示最遠(yuǎn)遠(yuǎn)端設(shè)備距離，m；L1～Ln為1#～n#遠(yuǎn)端設(shè)備距離,m;P1～Pn為1#～n#遠(yuǎn)端設(shè)備功率,W。計(jì)算結(jié)果詳見表1。

表1 區(qū)間設(shè)備等效功率一覽表

由此，得出P=5 250.46W。

(2)計(jì)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(huán)阻,Ω；P表示等效最遠(yuǎn)處單點(diǎn)峰值功率,W；U表示傳輸電壓,V，取800 V；Umin表示遠(yuǎn)端設(shè)備最低輸入電壓,V，取值 3/5U；K表示峰值功率系數(shù)，取0.8；K0表示預(yù)留功率余量系數(shù)，取1.3。

經(jīng)計(jì)算，得出Rmax=28.13 Ω。

(3)計(jì)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(yuǎn)供電點(diǎn)距離,m；K1表示供電電纜加長(zhǎng)系數(shù)，取 1.1。

Smin=33.25mm2

經(jīng)計(jì)算，區(qū)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(hù)、費(fèi)用等方面對(duì)兩種供電方式進(jìn)行比較，見表2。

表2 供電方式比較表

5 結(jié)束語

軌道交通朝著城際、市域方向發(fā)展，具有線路長(zhǎng)、站點(diǎn)少、站間距長(zhǎng)的特點(diǎn)，隨著科技的發(fā)展，特別是互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來，軌道交通的區(qū)間設(shè)備逐漸增多，傳統(tǒng)區(qū)間供電方式已不能很好地適應(yīng)需求，而直流遠(yuǎn)供電源方式不失為一種選擇。本文對(duì)兩種供電方式進(jìn)行了比較，以供進(jìn)行軌道交通區(qū)間設(shè)備供電建設(shè)時(shí)參考。