哈大鐵路客運專線通信電源系統設計及優化

李雅靜

(鐵道第三勘察設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中所占的比例不大，但它是整個鐵路通信網的關鍵基礎設施，是通信網絡上一個完整而又不可替代的獨立系統。

一般通信設備發生故障的影響面較小，是局部性的，但是如果電源系統發生供電中斷故障，則影響幾乎是災難性的，很可能會造成整個鐵路通信系統的通信中斷。因此，通信電源系統需要在各個環節多重備份，保證供電可靠，尤其在重要節點的電源設計中要做到多路、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正常運行的重要條件，尤其在鐵路樞紐包括調度所、通信站、核心網機房等重要節點的通信系統設計中具有無可比擬的重要作用。

2 電源系統設計重點及難點

作為哈大客運專線沈大段核心節點，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核心網機房。

沈陽通信站及GSM－R核心網機房設有獨立的電源室及蓄電池室，配置了包括交流配電屏、－48 V高頻開關整流設備、直流配電屏、UPS交流不間斷電源設備、閥控式鉛酸蓄電池組等電源設備，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核心網機房電源系統總體設計方案如圖1所示。

本次設計的主要難點在于以下幾點:

(1)計算站內直流設備所需高頻開關電源及蓄電池組容量;

(2)計算站內交流設備所需UPS不間斷電源及蓄電池組容量;

(3)如何設計GSM－R核心網設備所需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，如何準確計算各系統電源配線。

圖1 沈陽通信站及GSM-R核心網機房電源系統總體設計方案

3 直流電源系統設計

3.1 系統設置

沈陽通信站及核心網機房采用集中供電方式，由電力專業新建66 kVA變配電所經站內電力低壓配電設備提供兩路穩定可靠的獨立外供電源，三相五線制，Ⅰ類負荷，同時預留遠期擴容條件[1-2]。

沈陽通信站及GSM－R核心網機房電源室直流供電系統由高頻開關電源設備、直流配電設備及閥控式密封鉛酸蓄電池組構成;高頻開關電源又包括交流配電柜、整流設備及直流配電柜，內部由銅排相連。高頻開關整流設備及蓄電池組的容量，按近期負荷配置;直流配電設備的容量，按照遠期負荷配置[1]。

沈陽通信站及GSM－R核心網機房共用主機房和電源室，故在本次直流供電系統的設計中共用1套高頻開關電源設備(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《鐵路通信電源設計規范》，沈陽通信站及GSM－R核心網機房－48 V高頻開關電源設備配置2組蓄電池組，并聯使用，且2組蓄電池組的容量相等，每組蓄電池組的容量為總容量的二分之一，蓄電池組的后備時間按1 h設計[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，取1.25;

I——負荷電流，A;

T——放電小時率(小時數)，即蓄電池組的備用時間，h;

η——蓄電池放電容量系數;

μ——蓄電池溫度系統，，當放電小時率≥10時，取0.006;當10＞放電小時率≥1時，取0.008;當放電小時率＜1時，取0.01;

t——蓄電池所在地最低環境溫度數值，所在地有采暖設備時，按15℃考慮;沒有采暖設備時，按5℃考慮。

其中，對于通信站，蓄電池放電小時數T=1 h，η=0.55;

對于中間站，蓄電池放電小時數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核心網機房直流用電設備由傳輸系統、接入系統、數據網、調度通信系統、GSM－R數字移動通信系統核心網設備等部分構成，總功耗約為40 kW。

由式(2)經計算可知，沈陽通信站及GSM－R核心網機房－48 V高頻開關電源配置2組蓄電池，每組1 000 AH，各為蓄電池總容量的50%，后備時間1 h。

3.3 整流設備容量計算

沈陽通信站及GSM－R核心網機房高頻開關電源整流模塊按N+1冗余方式配置。根據規范規定，當N≤10時，備用1塊;當N＞10時，每10只備用1 塊[1]。

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

式中I負荷——負載電流;

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。

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K按0.1選取(正常范圍為0.1～0.2，對于電網較好的通信站或車站，該系數選擇0.1);Q為蓄電池容量。

由式(3)和式(4)經計算可知，沈陽通信站及GSM－R核心網機房高頻開關電源總容量為 －48 V/1 100 A(配置100 A/整流模塊)。

4 交流電源系統設計

4.1 UPS電源容量計算

沈陽通信站及GSM－R核心網機房共用主機房和電源室，故在本次交流供電系統的設計中共用1套UPS不間斷電源設備和交流分配柜(除GRIS設備，GRIS設備電源系統設計方案見4.2)。

UPS交流不間斷電源容量計算公式

式中，功率因數＞0.8;轉換效率≥90%[2]。

對于不間斷電源UPS，當輸出功率為UPS的額定輸出功率的60% ～80%時，UPS工作在最佳運行狀態，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核心網機房交流用電設備由綜合視頻、綜合網管、時間同步、電源及環境監控、數據網網管、OMC－R、接口檢測服務器、接口監測存儲器、接口監測采集器、無線網管中心端等部分構成，總功耗為54 kW(除GRIS設備及網管終端的功耗3 kW)。

由式(5)經計算可知，沈陽通信站及GSM－R核心網機房UPS交流不間斷電源設備總容量為90 kVA。

4.2 1+1雙母線并機方案設計

沈陽GSM－R核心網機房GRIS設備采用1+1并機雙總線供電方案，故為GRIS設備單獨設置4套20 kVA UPS不間斷電源設備，構成1+1并機雙總線供電方案，如圖2所示。

圖2 UPS電源系統1+1雙母線并機方案

4套20 kVA UPS設備的交流輸入由高頻開關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配電單元同時為負載供電，最終實現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核心網機房UPS蓄電池組的設計采用恒電流法，后備時間按1h設計[1-2]，詳細計算公式

式中Q——蓄電池容量，Ah;

P——負載功率，W;

T——備用小時數，h;

K——蓄電池放電系數(當備電時間T=1～3 h，K=0.6;當備電時間T=3 ～5 h，K=0.8;當備電時間T=5～10 h，K=0.85;當備電時間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。

根據以上公式，沈陽通信站及GSM－R核心網機房配置90 kVA UPS，后備時間1 h，根據規范要求，配置2組蓄電池且并聯使用。

由式(6)分別計算可知，沈陽通信站及GSM－R核心網機房90 kVA UPS電源共配置12 V 200 Ah蓄電池2組，每組60只;核心網 GRIS設備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 高頻開關電源交流輸入配電柜容量計算

高頻開關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;功率因數按0.8計算;轉換效率按0.9計算[2]。

由式(7)經計算可知，沈陽通信站及GSM－R核心網機房應配置380 V/400 A交流配電柜，為高頻開關電源整流設備和UPS設備供電。

5 電源配線設計

本次設計由于電源室與沈陽通信站及GSM－R核心網機房的距離較大，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重。

考慮到通信電源系統的供電方式不同，在對通信設備供電電源線纜選型時，應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)《鐵路通信電源設計規范》(TB 10072—2000)規定:－48 V電源供電饋線的截面設計應滿足通信設備供電需要、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計應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核心網機房，核心網設備列總功耗最大，包括MSC、SGSN、GGSN及GPRS接入路由器等設備，設備功耗共計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，總熔斷器的容量一般為列頭柜負載的1.1～1.5倍(一般取1.3倍)。經計算可知，設備載流量共計約480 A，根據列頭柜廠家設備規格，最終選定總熔斷器為600 A的直流列頭柜，其可承載的負載電流在450～500 A。

以上計算中采用的是廠家設備機柜的滿載額定功耗，設備實際功耗≤滿載額定功耗，核心網設備列運行后實際負載電流約為300 A≤480 A，故列頭柜容量設計符合需要，且具有一定的預留，可滿足核心網設備滿載情況下的使用。

對于其他設備列，如果機柜位置和列頭柜支路空開未用滿，輸出分路的數量一般情況下按照實際負載數量再做20%～30%的預留。

5.1.2 直流列頭柜電源配線計算

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

直流供電回路導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——電源線負荷電流，A;

L——導線長度，m;

∑I×L——該計算段應計入的各段負荷電流與各段導線長度的乘積之和，即電流矩;

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

ΔU——在計算區段內導線上允許的電壓降，V。

根據規范規定，－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核心網機房，核心網設備列所用－48 V直流列頭柜的數值最大，故以此為例說明直流電源線截面積的具體計算方法。

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

5.2 交流列頭柜電源配線計算

對于交流設備來說，負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IEC60950—1999要求[6]選擇線纜型號，連接到交流電源上的軟線應符合表1。

表1 交流導線截面查詢表[6]

對于沈陽通信站及GSM－R核心網機房，以有線通信交流設備列為例說明交流電源線截面積的具體計算方法，該列由電源及環境監控系統、綜合視頻監控系統、時間同步系統、數據網網管服務器等設備構成，設備功耗共計2.3 kW。

由式(9)經計算可知，該列交流列頭柜應采用截面積為50 mm2的交流電源線;查表1可知，125 A＜I≤160 A對應的交流電源線截面積為50 mm2，兩者結果相同。

故有線通信交流設備列～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 通信電源系統優化

沈陽通信站及GSM－R核心網機房作為哈大客運專線的核心節點，為了保證通信電源系統更安全、穩定、有效，針對設計過程中的重點難點，提出以下建議及優化方案，以供參考。

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

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，在設計中發現直流電源線截面積過大，造成電源線不易敷設的問題，建議在今后的設計中可以考慮在主機房單獨設置電源二次分配柜，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，亦可減少敷設難度和傳輸損耗。

7 結語

近年來，通信電源技術和產業飛速發展，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。鐵路通信電源系統從體制、規范、維護、產品標準等方面不斷引進新技術，為我國鐵路通信系統的發展奠定了堅實的基礎。對于鐵路通信系統尤其是鐵路樞紐通信系統的設計，通信電源系統必將發揮著越來越重要的作用。

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