哈大铁路客运专线通信电源系统设计及优化

李雅静

(铁道第三勘察设计院集团有限公司电化电信处，天津 300251)

1 概述

虽然通信电源在整个铁路通信行业中所占的比例不大，但它是整个铁路通信网的关键基础设施，是通信网络上一个完整而又不可替代的独立系统。

一般通信设备发生故障的影响面较小，是局部性的，但是如果电源系统发生供电中断故障，则影响几乎是灾难性的，很可能会造成整个铁路通信系统的通信中断。因此，通信电源系统需要在各个环节多重备份，保证供电可靠，尤其在重要节点的电源设计中要做到多路、多种、多套备用电源及后备电池，并合理选择通信电源系统的输入输出线缆。

由此可见，电源的安全、可靠是保证通信系统正常运行的重要条件，尤其在铁路枢纽包括调度所、通信站、核心网机房等重要节点的通信系统设计中具有无可比拟的重要作用。

2 电源系统设计重点及难点

作为哈大客运专线沈大段核心节点，哈大客运专线工程将既有沈阳通信站一层、三层重新装修，利用一层既有房屋新建电源室及蓄电池室，利用三层既有房屋新建沈阳通信站及GSM－R核心网机房。

沈阳通信站及GSM－R核心网机房设有独立的电源室及蓄电池室，配置了包括交流配电屏、－48 V高频开关整流设备、直流配电屏、UPS交流不间断电源设备、阀控式铅酸蓄电池组等电源设备，便于集中管理。再由直流配电柜和交流配电柜为三层机房各个直流列头柜和交流列头柜供电。

沈阳通信站及GSM－R核心网机房电源系统总体设计方案如图1所示。

本次设计的主要难点在于以下几点:

(1)计算站内直流设备所需高频开关电源及蓄电池组容量;

(2)计算站内交流设备所需UPS不间断电源及蓄电池组容量;

(3)如何设计GSM－R核心网设备所需1+1双母线并机供电方案;

(4)如何确定直流列头柜和交流列头柜的容量;

(5)在传输距离较长、传输损耗较大的情况下，如何准确计算各系统电源配线。

图1 沈阳通信站及GSM-R核心网机房电源系统总体设计方案

3 直流电源系统设计

3.1 系统设置

沈阳通信站及核心网机房采用集中供电方式，由电力专业新建66 kVA变配电所经站内电力低压配电设备提供两路稳定可靠的独立外供电源，三相五线制，Ⅰ类负荷，同时预留远期扩容条件[1-2]。

沈阳通信站及GSM－R核心网机房电源室直流供电系统由高频开关电源设备、直流配电设备及阀控式密封铅酸蓄电池组构成;高频开关电源又包括交流配电柜、整流设备及直流配电柜，内部由铜排相连。高频开关整流设备及蓄电池组的容量，按近期负荷配置;直流配电设备的容量，按照远期负荷配置[1]。

沈阳通信站及GSM－R核心网机房共用主机房和电源室，故在本次直流供电系统的设计中共用1套高频开关电源设备(包括交流配电柜、整流柜、直流分配柜)。

3.2 蓄电池组容量计算

根据《铁路通信电源设计规范》，沈阳通信站及GSM－R核心网机房－48 V高频开关电源设备配置2组蓄电池组，并联使用，且2组蓄电池组的容量相等，每组蓄电池组的容量为总容量的二分之一，蓄电池组的后备时间按1 h设计[1-2]。

－48 V 蓄电池组容量的计算公式如式(1)[1，3]:

式中Q——蓄电池容量，AH;

K——安全系数，取1.25;

I——负荷电流，A;

T——放电小时率(小时数)，即蓄电池组的备用时间，h;

η——蓄电池放电容量系数;

μ——蓄电池温度系统，，当放电小时率≥10时，取0.006;当10＞放电小时率≥1时，取0.008;当放电小时率＜1时，取0.01;

t——蓄电池所在地最低环境温度数值，所在地有采暖设备时，按15℃考虑;没有采暖设备时，按5℃考虑。

其中，对于通信站，蓄电池放电小时数T=1 h，η=0.55;

对于中间站，蓄电池放电小时数T=3 h，η=0.75。

如不考虑温度影响，对于通信站，计算公式可简化为

沈阳通信站及GSM－R核心网机房直流用电设备由传输系统、接入系统、数据网、调度通信系统、GSM－R数字移动通信系统核心网设备等部分构成，总功耗约为40 kW。

由式(2)经计算可知，沈阳通信站及GSM－R核心网机房－48 V高频开关电源配置2组蓄电池，每组1 000 AH，各为蓄电池总容量的50%，后备时间1 h。

3.3 整流设备容量计算

沈阳通信站及GSM－R核心网机房高频开关电源整流模块按N+1冗余方式配置。根据规范规定，当N≤10时，备用1块;当N＞10时，每10只备用1 块[1]。

电源输出总电流是由N个整流模块并联输出得到，并考虑整流器的N+1备份保护设计，则高频开关电源整流模块计算公式

式中I负荷——负载电流;

I充电——蓄电池最大充电电流;

IR——整流模块的额定电流;

ceil——向上取整函数。

其中，电池最大充电电流值为电池充电的允许值，即限流值I充电，计算公式

式中，充电系数K按0.1选取(正常范围为0.1～0.2，对于电网较好的通信站或车站，该系数选择0.1);Q为蓄电池容量。

由式(3)和式(4)经计算可知，沈阳通信站及GSM－R核心网机房高频开关电源总容量为 －48 V/1 100 A(配置100 A/整流模块)。

4 交流电源系统设计

4.1 UPS电源容量计算

沈阳通信站及GSM－R核心网机房共用主机房和电源室，故在本次交流供电系统的设计中共用1套UPS不间断电源设备和交流分配柜(除GRIS设备，GRIS设备电源系统设计方案见4.2)。

UPS交流不间断电源容量计算公式

式中，功率因数＞0.8;转换效率≥90%[2]。

对于不间断电源UPS，当输出功率为UPS的额定输出功率的60% ～80%时，UPS工作在最佳运行状态，且 UPS的实际功率不宜长期超过额定功率的 80%[5]。

沈阳通信站及GSM－R核心网机房交流用电设备由综合视频、综合网管、时间同步、电源及环境监控、数据网网管、OMC－R、接口检测服务器、接口监测存储器、接口监测采集器、无线网管中心端等部分构成，总功耗为54 kW(除GRIS设备及网管终端的功耗3 kW)。

由式(5)经计算可知，沈阳通信站及GSM－R核心网机房UPS交流不间断电源设备总容量为90 kVA。

4.2 1+1双母线并机方案设计

沈阳GSM－R核心网机房GRIS设备采用1+1并机双总线供电方案，故为GRIS设备单独设置4套20 kVA UPS不间断电源设备，构成1+1并机双总线供电方案，如图2所示。

图2 UPS电源系统1+1双母线并机方案

4套20 kVA UPS设备的交流输入由高频开关电源的交流分配柜提供。UPS1和UPS2共用1组蓄电池和交流输出分配柜;UPS3和UPS4共用1组蓄电池和交流输出分配柜。2个STS切换柜PDU配电单元同时为负载供电，最终实现1+1双母线并机方案。

4.3 UPS蓄电池组容量计算

沈阳通信站及GSM－R核心网机房UPS蓄电池组的设计采用恒电流法，后备时间按1h设计[1-2]，详细计算公式

式中Q——蓄电池容量，Ah;

P——负载功率，W;

T——备用小时数，h;

K——蓄电池放电系数(当备电时间T=1～3 h，K=0.6;当备电时间T=3 ～5 h，K=0.8;当备电时间T=5～10 h，K=0.85;当备电时间T＞10 h，K=1);

V——蓄电池输入电压(VDC);

η——蓄电池逆变效率，一般取0.92。

根据以上公式，沈阳通信站及GSM－R核心网机房配置90 kVA UPS，后备时间1 h，根据规范要求，配置2组蓄电池且并联使用。

由式(6)分别计算可知，沈阳通信站及GSM－R核心网机房90 kVA UPS电源共配置12 V 200 Ah蓄电池2组，每组60只;核心网 GRIS设备4组20 kVA UPS电源共配置12 V 100 Ah蓄电池2组，每组32只。

4.4 高频开关电源交流输入配电柜容量计算

高频开关电源交流配电柜容量计算

式中，V交流取值为380 V或220 V，通信站均为380 V;功率因数按0.8计算;转换效率按0.9计算[2]。

由式(7)经计算可知，沈阳通信站及GSM－R核心网机房应配置380 V/400 A交流配电柜，为高频开关电源整流设备和UPS设备供电。

5 电源配线设计

本次设计由于电源室与沈阳通信站及GSM－R核心网机房的距离较大，传输线的微小电阻也会造成很大的压降和功率损耗，造成电源传输损耗大、线缆芯径粗等问题。由于与交流电源相比，直流电源电压较小，因此这一问题对直流电源配线的影响更为严重。

考虑到通信电源系统的供电方式不同，在对通信设备供电电源线缆选型时，应该逐段进行分析计算，逐段确定电源线缆的型号。

电源线缆的选择需要考虑以下两点。

(1)《铁路通信电源设计规范》(TB 10072—2000)规定:－48 V电源供电馈线的截面设计应满足通信设备供电需要、强度要求，直流放电回路全程最大电压降宜按 3.2 V 计算。[1]

(2)交流供电馈线的截面设计应考虑电缆允许的通流量的大小:70 mm2以下的电缆按照4 A/mm2的通流量计算;90 mm2以上的电缆按照2.5 A/mm2的通流量计算。

5.1 直流电源配线计算

5.1.1 直流列头柜容量计算

对于沈阳通信站及GSM－R核心网机房，核心网设备列总功耗最大，包括MSC、SGSN、GGSN及GPRS接入路由器等设备，设备功耗共计2.3 kW，故以此为例说明－48 V直流列头柜容量的具体计算方法。

对于直流列头柜，总熔断器的容量一般为列头柜负载的1.1～1.5倍(一般取1.3倍)。经计算可知，设备载流量共计约480 A，根据列头柜厂家设备规格，最终选定总熔断器为600 A的直流列头柜，其可承载的负载电流在450～500 A。

以上计算中采用的是厂家设备机柜的满载额定功耗，设备实际功耗≤满载额定功耗，核心网设备列运行后实际负载电流约为300 A≤480 A，故列头柜容量设计符合需要，且具有一定的预留，可满足核心网设备满载情况下的使用。

对于其他设备列，如果机柜位置和列头柜支路空开未用满，输出分路的数量一般情况下按照实际负载数量再做20%～30%的预留。

5.1.2 直流列头柜电源配线计算

直流电源的基础电压为－48 V，通信设备电压允许的波动范围一般在－40～－57 V，比如传输设备的安全电压范围在－43～－56.7 V。

直流供电回路导线截面一般按电流矩法进行计算[3]，对于铜线、铜芯电缆及铜排，截面积的计算公式

式中S——电源线的线径，mm2;

∑I——电源线负荷电流，A;

L——导线长度，m;

∑I×L——该计算段应计入的各段负荷电流与各段导线长度的乘积之和，即电流矩;

K——电源线的导电率，m/Ω × mm2，铜线为57(铜的电阻率是0.001 75 Ωm);

ΔU——在计算区段内导线上允许的电压降，V。

根据规范规定，－48 V电源供电馈线的直流放电回路全程最大电压降宜按3.2 V计算[1]。－48 V电源供电馈线的直流放电回路上允许的电压降，其数值等于直流放电回路全程最大电压降减去串接在回路中各种配电设备和元件的总电压降[3]。

由式(8)可知，对于同样的来说，即是影响S的主要因素。对于沈阳通信站及GSM－R核心网机房，核心网设备列所用－48 V直流列头柜的数值最大，故以此为例说明直流电源线截面积的具体计算方法。

核心网设备列－48 V直流列头柜直流放电回路的传输距离为120 m，核心网设备列总功耗为2.3 kW。由式(8)经计算可知，核心网设备列－48 V直流列头柜电源线采用两正两负共计4根300 mm2的直流电源线。

5.2 交流列头柜电源配线计算

对于交流设备来说，负载电流和电源线截面积的大小对传输距离并不敏感，可以采用常规算法进行计算[3]。

220 V单相交流电电源线截面积的计算

380 V三相交流电电源线截面积的计算

相线截面积

零线截面积

也可根据IEC60950—1999要求[6]选择线缆型号，连接到交流电源上的软线应符合表1。

表1 交流导线截面查询表[6]

对于沈阳通信站及GSM－R核心网机房，以有线通信交流设备列为例说明交流电源线截面积的具体计算方法，该列由电源及环境监控系统、综合视频监控系统、时间同步系统、数据网网管服务器等设备构成，设备功耗共计2.3 kW。

由式(9)经计算可知，该列交流列头柜应采用截面积为50 mm2的交流电源线;查表1可知，125 A＜I≤160 A对应的交流电源线截面积为50 mm2，两者结果相同。

故有线通信交流设备列～220 V交流列头柜电源线采用主备2根50 mm2的交流电源线。

6 通信电源系统优化

沈阳通信站及GSM－R核心网机房作为哈大客运专线的核心节点，为了保证通信电源系统更安全、稳定、有效，针对设计过程中的重点难点，提出以下建议及优化方案，以供参考。

GSM－R核心网机房、路局调度所及路局通信站等枢纽节点，建议直流和交流供电均采用双电源双总线系统进行冗余供电，即需要配置2套相互独立的高频开关电源、UPS不间断电源和配电系统。目前哈大客运专线仅对于核心网关键设备保证了1+1双总线并机方案设计，高频开关电源仅配置了1套，故在今后的设计中此方面仍可进行优化。

另外，由于哈大客运专线是利用既有房屋进行重新装修后新建电源室和主机房，故直流分配柜至直流列头柜的电源线传输距离较长，在设计中发现直流电源线截面积过大，造成电源线不易敷设的问题，建议在今后的设计中可以考虑在主机房单独设置电源二次分配柜，输入端与电源室的配电柜相连，输出端与各个列头柜相连，减少电源线的传输距离，亦可减少敷设难度和传输损耗。

7 结语

近年来，通信电源技术和产业飞速发展，围绕提高效率、提高性能、小型轻量化、安全可靠、减少电磁干扰和电噪声等方向进行着不懈研究。铁路通信电源系统从体制、规范、维护、产品标准等方面不断引进新技术，为我国铁路通信系统的发展奠定了坚实的基础。对于铁路通信系统尤其是铁路枢纽通信系统的设计，通信电源系统必将发挥着越来越重要的作用。

[1]中华人民共和国铁道部.TB 10072—2000铁路通信电源设计规范[S].北京:中国铁道出版社，2000.

[2]中华人民共和国铁道部运输局.运基通信[2010]35号 铁路客运专线通信技术装备标准(试行)[S].北京:中华人民共和国铁道部运输局，2010:47-49.

[3]铁道部通信信号公司设计研究院.铁路工程设计技术手册 通信(上册)[M].北京:中国铁道出版社，1991:530-531，550-561.

[4]中华人民共和国信息产业部.YD/T 5040—2005 通信电源设备安装设计规范[S].北京:北京邮电大学出版社，2006.

[5]杜娟.浅谈UPS在通信系统中的应用[J].科技通讯.2004(2):25-27.

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

[7]伍素琦.通信电源[M].北京:中国铁道出版社，1990.

[8]艾默生网络能源有限公司.NetSure801系列电源系统用户手册(V1.3)[M].北京:艾默生网络能源有限公司，2008.

[9]艾默生网络能源有限公司.NXr UPS单机及并机系统30～160 kVA用户手册(V1.0)[M].北京:艾默生网络能源有限公司，2009.

[10]艾默生网络能源有限公司.iTrust Adapt 15 kVA和20 kVA UPS用户手册(V1.0)[M].北京:艾默生网络能源有限公司，2009.