铁路通信系统节能分析

蔡海燕

(中铁第一勘察设计院集团有限公司通信信号处,西安 710043)

1 概述

根据我国《“十二五”节能减排综合性工作方案》，“十二五”期间节能减排的主要目标是：到2015年，要实现全国万元国内生产总值能耗要比2010年下降16%。然而全国各行各业(包括铁路行业)，其节能减排的主要措施之一是实现信息化，信息化是依靠于现在通信提供的各方面的增值和各方面更先进的通信技术来实现的。有专家提出，信息技术有助于帮助其他产业节能减排，但信息技术自身环保问题不容忽视，信息产业已成为全球第五大耗能产业，二氧化碳排放占全世界排放2.5%。这个数字跟全世界航空运输业相当[1]。

根据《中长期铁路网规划》，到2020年，全国铁路营业里程达到12万km以上，复线率和电化率分别达到50%和60%以上，主要繁忙干线实现客货分线，基本形成布局合理、结构清晰、功能完善、衔接顺畅的铁路网络，运输能力满足国民经济和社会发展需要，主要技术装备达到或接近国际先进水平。与此同时，铁路行业要完成“十二五”节能减排的目标，任务非常艰巨，因此节能的理念必须贯彻到铁路各个环节[2]。

2 铁路通信行业能源消耗的特点

铁路通信是铁路运输的重要技术基础，是铁路运输指挥的中枢神经。铁路通信系统是铁路运输生产、调度指挥、经营管理、保证安全、提高效率时时刻刻都不能离开的技术装备和生产手段[3]。铁路通信主要包括了传输、接入网、电话交换、数字调度、无线通信、数据网、会议、应急通信、视频监控、电源等十多个子系统，其主要作用是满足铁路运输的需要，提供包括话音、数据、图像等各种信息的通信业务。

铁路行业近年来对于节能设计非常重视，目前铁路现行的《铁路工程节能设计规范》(TB10016—2006)中已明确了通信专业的节能设计标准，同时要求在进行设计方案比选时，将节约能源作为重要因素，对能耗指标进行评估。规范中要求：通信电源应采用智能化设备，整流器应具有监控通信接口功能，整流设备的效率值不应小于0.9。根据环境许可的地点，通信电源可采用太阳能电源或其他能源供电[4]。

在铁路工程设计中，通信专业设计执行了节能设计规范和专业设计标准的要求，采用了各种有效的节能措施。鉴于铁路行业的特殊性，铁路通信系统能源消耗方面存在着4个主要特点。

(1)通信系统的高安全性和高可靠性要求加大了能源消耗

铁路通信系统是铁路系统运营指挥、管理、服务乘客的平台，是铁路系统正常运转的神经系统，是维持铁路正常运营、保证列车运行安全、提高运输效率的必要条件，因此必须具有很高的安全性和可靠性。正是因为通信系统的这种功能定位，使得通信设备必须24 h全天候不间断运行，同时重要设备必须双机热备，在加大了自身能源消耗的同时，也加大了机房空调的能耗。

(2)铁路通信系统的预留设计加大了能源消耗

由于铁路是国家重要的基础设施和国民经济的大动脉，铁路建设必须考虑适当预留，以适应国民经济发展和市场竞争的需要。所以铁路通信系统设计需考虑预留发展的需要。通信线路、通信房屋等基础设施等宜按20年设计；外供电源和不易改、扩建的设备宜按10年设计；对于容易改、扩建的通信设备可按5年设计。

这种预留设计同时也为节能带来了难题。例如通信机房等基础设施的预留设计，使得初期开通时通信机房空间大，空调控制区域加大，能耗加大。再如铁路枢纽内易改扩容的通信设备，由于建设项目、周期、方式存在差异，往往出现多套同类型、同用途设备堆叠在同一机房，造成投资和能源的浪费。

(3)无线通信技术的改进加大了能源消耗

随着铁路运输现代化和信息化的发展，铁路各运营部门都需要使用无线通信手段，辅助提高生产效率，保障运输安全。虽然目前使用最广泛的还是列车无线调度通信系统和站场调车通信系统，但是铁路数字移动通信系统(GSM-R)凭借优越的数字通信性能已应用于客运专线铁路和部分重要干线铁路。这样，区间的通信设备能源消耗就从少量的弱场补强设备变为大量的无线基站设备，标准越高、线路越长、基站越多、能耗越大[5]。

(4)信息化技术的发展加大了能源消耗

目前铁路其他专业部门提出的节能减排的主要措施之一，就是专业设备产品信息化、智能化，这就使得通信专业为实现相关专业的信息通道，增加接口板数量或转换设备。由于我国铁路维护管理体制的要求，单个车站需要提供的不同类型通道常常多达十几种，无形中加大了通信专业的能源消耗。

从上面的分析可以看出，通信系统的节能不能仅仅考虑通信设备能耗本身，还应与铁路工程建设紧密结合，在满足相关专业需求和通信系统性能的前提下，根据所在地区的能源政策和资源条件，采用高效低能耗的新产品、新技术及可再生能源，为铁路运输指挥现代化和铁路信息化提供基础保障。

3 铁路通信系统能源消耗分析

铁路通信系统的能耗主要由通信设备能耗和机房空调能耗组成，为了确保通信系统设备的正常运转，需要使用空调等设施来控制机房的温度和湿度，而通信设备能耗又决定了通信机房空调数量及能耗。

铁路通信机房设备用电类型有2种：一种是-48 V直流用电设备；一种是220 V/380 V交流用电设备。一般电源设备均设置在通信机房内，这样可以深入负荷区域，有利于减少至通信设备的电源线缆长度，所以至通信设备的导线的发热损耗大大减少，而电池与电源设备就近布置，同样减少了至电池的导线发热损耗，从而减少了电源线缆的电能损耗[6]。

以某客运专线典型车站通信机房及区间无线基站为例，直流用电的通信设备能耗情况如表1所示。

表1 车站通信机房及区间无线基站通信设备能耗情况

根据《铁路通信电源设计规范》(TB10072—2000)和《高速铁路设计规范(试行)》(TB10621—2009)中规定的蓄电池后备时间计算：车站通信机房蓄电池后备时间为1 h，经计算，应配置180 A的高频开关电源和2组200 Ah蓄电池组；区间无线基站蓄电池后备时间为3 h。经计算，应配置90A的高频开关电源和2组100 Ah蓄电池组。采用交流供电的设备主要有综合视频监控系统设备、会议电视设备等，经计算，车站通信机房配置16 kVA的UPS，区间无线基站配置3 kVA的UPS，蓄电池的备用时间满足规范要求。

通常开关电源设备在采购的过程中会考虑系统整流模块N+1备份及后期扩容等需求，往往开关电源的容量选型大于当前通信设备实际负载，没有对冗余开关电源模块进行识别、休眠软关断和智能控制功能，结果导致电源实际工作负载率较低。基站开关电源在绝大部分情况下工作在浮充状态，整个系统输出占总容量的20%～40%，而模块的最佳能量转换状态在40%以上的负载率。

4 铁路通信行业的节能减排措施

铁路通信行业的节能减排，从对社会来说整体上可以分成两大部分：第一大部分是整个铁路通信行业的发展对铁路及社会节能减排的作用；第二大部分是整个铁路通信行业自身在节能减排中的作用。

总体上来说，通信的发展实际上本身会对整个铁路及社会节能减排起到一个倍增器的作用，通信发展1倍可能对于整个铁路及社会的节能减排是数倍或者十数倍的作用。近年来，随着通信设备发展，一批节能减耗的新技术正在逐步的推广使用，为通信设备节能降耗乃至社会的节能减排做出了应有的贡献。经分析铁路通信系统可从以下4个方面着手，仍有望获得可观的节能减排效果。

4.1 提高电源设备电能转换工作效率，降低通信运营成本

对于高频开关电源，可根据实际负荷大小，开启适当数量的整流模块，使每个模块工作在40%～55%的最大负荷状态下，这样既节约了能源，又减小了对设备的消耗；整流模块散热风扇改造，可以将高频开关电源整流模块上的散热风扇改造成根据设备温度自动调节转速的风扇，这样就能有效的避免了散热风扇长期无间歇的运转而消耗大量的能源；合理安排开关电源蓄电池的充电时段，在用电低谷时段对蓄电池进行均充，即节约了电费又对设备无影响，节电效果明显。

对于UPS电源设备，如果运行负载率大于50%，UPS电源的效率一般可达90%以上[7]。因此，避免在购买UPS电源的时候，为追求UPS的绝对效率，盲目扩大UPS的装机容量。要根据实际需要合理的选择UPS电源的容量，提高其负载率，进而提高了其运行效率，节约了能源。

4.2 蓄电池的新技术应用

在铁路通信机房、基站都大量使用着铅酸蓄电池。铅酸蓄电池本身具有可逆性好，使用寿命长的特性。但是，在实际使用中铅酸蓄电池的寿命却大大降低，其主要原因是供电质量差、维护方式不合理及缺乏修复的手段造成的。由于蓄电池持续性欠充电，导致电池内硫酸铅晶体逐步硫化，硫化会导致内阻增大，从而使电池容量下降。

目前，一种铅酸蓄电池脉冲除硫技术正在进行实践验证[8]。作为高效型的消除铅酸蓄电池硫化现象的电子脉冲装置，其工作原理是采用电子技术产生特殊脉冲，“冲刷清洗”掉极板上硫酸铅结晶体。使电池始终保持全新高效的工作状态，延长铅酸蓄电池使用寿命。脉冲除硫器本身对电池无任何损害，适用于12～48 V任何容量的铅酸蓄电池。可对任意一组铅酸蓄电池均可进行针对性细调，获得最佳使用效率。

4.3 机房空调的节能

由于通信设备需要成年累月不间断地运行，除了通信设备自身耗电量巨大外，为满足机房环境温度、湿度、空气含尘浓度的要求，机房内要独立设置空调调节系统，加上用于机房环境条件技术保障的其他设备，这些最终导致机房成为电力消耗的“大户”。

铁路通信专业的机房、基站等场所，为保证设备及其附件正常、安全、连续运行，需要保持机房内的温度、湿度和洁净度在设备允许的工作范围内[9]，因此这些机房多使用空调来维持机房所需的人工环境[10]。以基站为例，维持基站温湿度环境所需的空调能耗占到了总能耗的40%～50%；通信站、铁路局调度所由于设备密集，散热量大，空调能耗同样占很大比例。目前，机房空调大多选用普通舒适性空调，能效比低，因此空调与机房普遍存在不匹配现象，再加上基站机房数量多、设备散热量高、空调冷负荷较大，具有巨大的节能潜力。例如采用面向对象的冷却方法的基站设备分布式冷却系统DCS，就非常适合于无人值守的工作环境，较常规空调能耗大幅降低30%以上[11]。

4.4 建立节能管理制度

铁路通信行业的节能一方面要靠先进的节能技术，另一方面则是靠先进的节能管理机制的建立[12]。通过建立一系列节能管理制度，从各方面采取措施，与人密切的相关环节入手，与设备节能相结合，开展节能降耗的各项具体工作，可以起到更好的节能效果，使通信行业的整体节能更上一层台阶。

首先，制定鼓励员工节能降耗的相关政策，鼓励、引导员工积极主动地节能降耗，从平时的一点一滴做起，为企业和国家做出应有的贡献；其次，重视通信电源的节能降耗管理，加强用电管理、提高使用效率、降低维护成本；第三，定期对机房进行整治，停用、拆除和掉电一些不用的或旧的设备。

5 结语

随着铁路通信的不断发展和网络规模的不断扩大，越来越多的专业需求和越来越复杂的通信设备也带来了越来越大的能源消耗，能源消耗已严重影响到铁路部门的效益和发展。铁路通信行业应积极响应政府号召，在推动经济繁荣发展的同时，最大限度地减少通信行业对环境的影响，提高通信设备的能源使用效率，进一步扩大通信产业在服务铁路发展大局、推动可持续发展方面发挥的重要作用和影响，为铁路工程建设的节能创造先决条件，为整个铁路行业的节能减排打下坚实的基础，为建设资源节约型社会做出贡献。

[1] 李洁，石友康.通信行业节能减排问题研究[J].通信管理与技术，2010(4)：11-14．

[2] 陈军.学习《铁路工程节能设计规范》(TB10016—2006)的几点体会[J].铁道标准设计，2008，(5)：113-115．

[3] 中华人民共和国铁道部.铁建设[2005]66号 铁路运输通信设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2005．

[4] 中华人民共和国铁道部.铁建设[2007]38号 铁路工程节能设计规范[S].北京：中国铁道出版社，2007．

[5] 陈振环，郑淦祥，倪伟新.初议通信基站节能方法[C]∥通信电源学术研讨会论文集.重庆:中国通信学会，2008：544-550．

[6] 宋福峰，刘宝昌.通信电源系统设计及运行维护中节能方案探讨[J].建筑节能，2010，38(11)：69-71．

[7] 丁强.我国通信电源系统节能技术研究[C]∥通信电源学术研讨会论文集.重庆:中国通信学会，2008:638-643.

[8] 徐培俊.通信配套设备的节能减耗新技术[C]∥中国通信学会信息通信网络技术委员会年会论文集.西安：中国通信学会，2009:1160-1164．

[9] 马国杰，刘东，金瑛.通信基站机房节能方案的实测与模拟研究[J].电信工程技术与标准化，2010，23(3)：44-48．

[10] 冯红梅，沈念俊.通信基站节能设计探讨[J].安徽建筑，2010，17(5)：35．

[11] 黄海峰.通信业近期节能创新配套产品关注[J].通信世界，2010(12)：35．

[12] 罗大林.打造通信节能的新时代[J].中国科技博览，2010(31)：607-608．