李雅靜

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司電化電信處，天津 300251)

1 概述

雖然通信電源在整個鐵路通信行業(yè)中所占的比例不大，但它是整個鐵路通信網(wǎng)的關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，是通信網(wǎng)絡(luò)上一個完整而又不可替代的獨立系統(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，很可能會造成整個鐵路通信系統(tǒng)的通信中斷。因此，通信電源系統(tǒng)需要在各個環(huán)節(jié)多重備份，保證供電可靠，尤其在重要節(jié)點的電源設(shè)計中要做到多路、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)機房等重要節(jié)點的通信系統(tǒng)設(shè)計中具有無可比擬的重要作用。

2 電源系統(tǒng)設(shè)計重點及難點

作為哈大客運專線沈大段核心節(jié)點，哈大客運專線工程將既有沈陽通信站一層、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通信站及GSM－R核心網(wǎng)機房。

沈陽通信站及GSM－R核心網(wǎng)機房設(shè)有獨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房各個直流列頭柜和交流列頭柜供電。

沈陽通信站及GSM－R核心網(wǎng)機房電源系統(tǒng)總體設(shè)計方案如圖1所示。

本次設(shè)計的主要難點在于以下幾點:

(1)計算站內(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GSM－R核心網(wǎng)設(shè)備所需1+1雙母線并機供電方案;

(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、傳輸損耗較大的情況下，如何準(zhǔn)確計算各系統(tǒng)電源配線。

圖1 沈陽通信站及GSM-R核心網(wǎng)機房電源系統(tǒng)總體設(shè)計方案

3 直流電源系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)設(shè)置

沈陽通信站及核心網(wǎng)機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)定可靠的獨立外供電源，三相五線制，Ⅰ類負(fù)荷，同時預(yù)留遠(yuǎn)期擴容條件[1-2]。

沈陽通信站及GSM－R核心網(wǎng)機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]。

沈陽通信站及GSM－R核心網(wǎng)機房共用主機房和電源室，故在本次直流供電系統(tǒng)的設(shè)計中共用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 蓄電池組容量計算

根據(jù)《鐵路通信電源設(shè)計規(guī)范》，沈陽通信站及GSM－R核心網(wǎng)機房－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?，蓄電池組的后備時間按1 h設(shè)計[1-2]。

－48 V 蓄電池組容量的計算公式如式(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——放電小時率(小時數(shù))，即蓄電池組的備用時間，h;

η——蓄電池放電容量系數(shù);

μ——蓄電池溫度系統(tǒng)，，當(dāng)放電小時率≥10時，取0.006;當(dāng)10＞放電小時率≥1時，取0.008;當(dāng)放電小時率＜1時，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，按15℃考慮;沒有采暖設(shè)備時，按5℃考慮。

其中，對于通信站，蓄電池放電小時數(shù)T=1 h，η=0.55;

對于中間站，蓄電池放電小時數(shù)T=3 h，η=0.75。

如不考慮溫度影響，對于通信站，計算公式可簡化為

沈陽通信站及GSM－R核心網(wǎng)機房直流用電設(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)計算可知，沈陽通信站及GSM－R核心網(wǎng)機房－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%，后備時間1 h。

3.3 整流設(shè)備容量計算

沈陽通信站及GSM－R核心網(wǎng)機房高頻開關(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，備用1塊;當(dāng)N＞10時，每10只備用1 塊[1]。

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

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)計算可知，沈陽通信站及GSM－R核心網(wǎng)機房高頻開關(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

4.1 UPS電源容量計算

沈陽通信站及GSM－R核心網(wǎng)機房共用主機房和電源室，故在本次交流供電系統(tǒng)的設(shè)計中共用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)計方案見4.2)。

UPS交流不間斷電源容量計算公式

式中，功率因數(shù)＞0.8;轉(zhuǎn)換效率≥90%[2]。

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

沈陽通信站及GSM－R核心網(wǎng)機房交流用電設(shè)備由綜合視頻、綜合網(wǎng)管、時間同步、電源及環(huán)境監(jiān)控、數(shù)據(jù)網(wǎng)網(wǎng)管、OMC－R、接口檢測服務(wù)器、接口監(jiān)測存儲器、接口監(jiān)測采集器、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)計算可知，沈陽通信站及GSM－R核心網(wǎng)機房UPS交流不間斷電源設(shè)備總?cè)萘繛?0 kVA。

4.2 1+1雙母線并機方案設(shè)計

沈陽GSM－R核心網(wǎng)機房GRIS設(shè)備采用1+1并機雙總線供電方案，故為GRIS設(shè)備單獨設(shè)置4套20 kVA UPS不間斷電源設(shè)備，構(gòu)成1+1并機雙總線供電方案，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STS切換柜PDU配電單元同時為負(fù)載供電，最終實現(xiàn)1+1雙母線并機方案。

4.3 UPS蓄電池組容量計算

沈陽通信站及GSM－R核心網(wǎng)機房UPS蓄電池組的設(shè)計采用恒電流法，后備時間按1h設(shè)計[1-2]，詳細(xì)計算公式

式中Q——蓄電池容量，Ah;

P——負(fù)載功率，W;

T——備用小時數(shù)，h;

K——蓄電池放電系數(shù)(當(dāng)備電時間T=1～3 h，K=0.6;當(dāng)備電時間T=3 ～5 h，K=0.8;當(dāng)備電時間T=5～10 h，K=0.85;當(dāng)備電時間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，沈陽通信站及GSM－R核心網(wǎng)機房配置90 kVA UPS，后備時間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)分別計算可知，沈陽通信站及GSM－R核心網(wǎng)機房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算

高頻開關(guān)電源交流配電柜容量計算

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計算;轉(zhuǎn)換效率按0.9計算[2]。

由式(7)經(jīng)計算可知，沈陽通信站及GSM－R核心網(wǎng)機房應(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

本次設(shè)計由于電源室與沈陽通信站及GSM－R核心網(wǎng)機房的距離較大，傳輸線的微小電阻也會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，在對通信設(shè)備供電電源線纜選型時，應(yīng)該逐段進行分析計算，逐段確定電源線纜的型號。

電源線纜的選擇需要考慮以下兩點。

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

(2)交流供電饋線的截面設(shè)計應(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的通流量計算;90 mm2以上的電纜按照2.5 A/mm2的通流量計算。

5.1 直流電源配線計算

5.1.1 直流列頭柜容量計算

對于沈陽通信站及GSM－R核心網(wǎng)機房，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2.3 kW，故以此為例說明－48 V直流列頭柜容量的具體計算方法。

對于直流列頭柜，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)計算可知，設(shè)備載流量共計約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。

以上計算中采用的是廠家設(shè)備機柜的滿載額定功耗，設(shè)備實際功耗≤滿載額定功耗，核心網(wǎng)設(shè)備列運行后實際負(fù)載電流約為300 A≤480 A，故列頭柜容量設(shè)計符合需要，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。

對于其他設(shè)備列，如果機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行計算[3]，對于銅線、銅芯電纜及銅排，截面積的計算公式

式中S——電源線的線徑，mm2;

∑I——電源線負(fù)荷電流，A;

L——導(dǎo)線長度，m;

∑I×L——該計算段應(yīng)計入的各段負(fù)荷電流與各段導(dǎo)線長度的乘積之和，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，對于同樣的來說，即是影響S的主要因素。對于沈陽通信站及GSM－R核心網(wǎng)機房，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4根300 mm2的直流電源線。

5.2 交流列頭柜電源配線計算

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

220 V單相交流電電源線截面積的計算

380 V三相交流電電源線截面積的計算

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，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]

對于沈陽通信站及GSM－R核心網(wǎng)機房，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2.3 kW。

由式(9)經(jīng)計算可知，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

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

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

另外，由于哈大客運專線是利用既有房屋進行重新裝修后新建電源室和主機房，故直流分配柜至直流列頭柜的電源線傳輸距離較長，在設(shè)計中發(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)計中可以考慮在主機房單獨設(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

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行著不懈研究。鐵路通信電源系統(tǒng)從體制、規(guī)范、維護、產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)等方面不斷引進新技術(shù)，為我國鐵路通信系統(tǒng)的發(fā)展奠定了堅實的基礎(chǔ)。對于鐵路通信系統(tǒng)尤其是鐵路樞紐通信系統(tǒng)的設(shè)計，通信電源系統(tǒng)必將發(fā)揮著越來越重要的作用。

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