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)車機(jī)聯(lián)控和調(diào)度命令、無(wú)線車次號(hào)校核等與行車相關(guān)的無(wú)線數(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)線列調(diào)系統(tǒng)和900 M GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，滿足不同等級(jí)鐵路無(wú)線通信的需求，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、分布式基站加天線或漏纜方式實(shí)現(xiàn)。如何解決好區(qū)間供電問題，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。交流直供是電力專業(yè)在既有電力貫通線上T接箱式變壓器的方式，這種供電方式受限于沿線既有電力供電情況，GSM-R改造工程中能否滿足區(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電力供電情況限制，能滿足區(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線路——最惡劣工況時(shí)允許線路損耗率，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GSM-R改造工程區(qū)間有可利用的通信電纜且滿足以下條件，建議優(yōu)先選用通信電纜。

——截面積滿足傳輸壓降要求；

——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?，?dāng)全區(qū)段絕緣電阻值不滿足要求時(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GSM-R改造工程中的應(yīng)用

以某條線GSM-R改造工程車站A與車站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，本工程在車站A和車站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，在滿足2.4.2節(jié)供電電纜選型要求或局部整治后滿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GSM-R改造工程中，可滿足區(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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