直流远供电源在既有铁路GSM-R改造工程的应用研究

彭维英

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

1 概述

铁路移动通信系统是铁路通信系统重要组成部分，实现车机联控和调度命令、无线车次号校核等与行车相关的无线数据业务传送。目前国内铁路移动通信主要采用450 M无线列调系统和900 M GSM-R数字移动通信系统，满足不同等级铁路无线通信的需求，并且形成了一套完整的技术体制和相关的设计规范以及管理和维护作业标准。随着国家对450～470 MHz无线电频率资源使用规划调整，既有铁路按照大修或更改的规定，移动通信系统逐步改造为GSM-R数字移动通信系统。

既有铁路GSM-R改造区间弱场覆盖方案主要采用光纤直放站、分布式基站加天线或漏缆方式实现。如何解决好区间供电问题，特别是低成本、高可靠的解决通信设备的供电，是确保铁路移动通信系统安全运行，减少运营成本的课题。直流远供电源系统原理框图如图1所示。

2 区间直流远供供电方案研究

根据《铁路电力设计规范》，GSM-R数字移动通信系统供电等级为I级。目前区间通信设备供电主要有两种方案：交流直供、直流远供。交流直供是电力专业在既有电力贯通线上T接箱式变压器的方式，这种供电方式受限于沿线既有电力供电情况，GSM-R改造工程中能否满足区间光纤直放站、分布式基站供电等级要求主要取决于既有电力资源及电力改造费用。

直流远供是从区间两端车站或基站通信机械室取得稳定的直流电，经远供电源处理升压后，以最大效率的方式通过电缆直接给区间通信设备供电。该供电方式不受既有线电力供电情况限制，能满足区间通信设备I级负荷供电需求，具有一定的蓄电池后备时间和监控功能。

因此，在不具备两路电力贯通线的既有铁路或山区供电条件差的铁路， GSM-R改造工程采用直流远供方式解决区间通信设备供电是相对可靠、经济的手段。

2.1 直流远供电源技术

直流远供是将通信机房内高频开关电源输出的-DC48 V电源，经直流远供电源局端设备升压为高压直流信号（-DC400 V或-DC800 V），经电缆传输至远端用电点，再经直流远供电源远端设备变压至通信设备所需的标准电压，为远端通信设备供电。

2.2 直流远供电源系统组成

直流远供电源系统主要由局端设备、远端设备、供电电缆、监控设备以及监控数据传输链路组成。监控设备包括监控服务器、监控终端等，监控数据传输链路可利用光纤或用电设备提供的传输链路。直流远供电源系统构成如图2所示。

2.3 直流远供电源优点

1）满足I级负荷供电需求

区间设备采用点对点直流远供，可避免供电电缆单点短路、断路时，全线用电设备不停电；系统区间设备故障时，非故障点区间用电设备不停电；局端电源输入侧一端停电或一端局端电源故障无输出，全线区间用电设备不停电；两局端电源输入端设有蓄电池组，保证高频开关电源输入电源有故障时区间用电设备不停电。

2） 运行维护方便，减少维护成本

系统网管能监控系统内主要设备工作状态，并上传状态信息。当局端电源、远端电源、或者传输电缆出现故障时，系统网管能实时识别故障的性质和准确定位，并将信息上传，告警。

3）降低建设成本，经济效益明显

采用400 V传输时，可以利用既有线通信电缆作为供电电缆。既可利旧，更减少电缆购置和敷设费用。对于新敷设的电力电缆，由于采用直流供电，供电电缆可与光缆同槽敷设，且供电电缆截面积比AC220 V传输所需电缆截面积小，可减少线缆建设成本。

2.4 直流远供电源系统应用要素

直流远供系统设计时，应考虑供电点局端设备输出功率、供电电缆程式、线径以及用电点负载功耗等方面的因素。

2.4.1 输出功率

1）局端设备输出功率的计算方式如下：

式中：P局端——局端输出功率；

P区间——区间所有用电设备输入功率总和；

η——电源转换效率，一般取0.9；

K线路——最恶劣工况时允许线路损耗率，一般取 0.3～0.4。

2）远端设备输出功率的计算方式如下：

式中：P远端——电源模块输出功率；

P区间远端——区间设备输入功率；

PF——区间用电设备功率因素，直流设备取值1，交流设备一般取值0.5～0.99（查询区间用电设备数据手册或者实测获得）；

K电源模块——电源模块输出功率余量，一般取0.4～ 1.2。

2.4.2 供电电缆

2.4.2.1 供电电缆选型

供电电缆可采用通信电缆，也可采用电力电缆，既有线GSM-R改造工程区间有可利用的通信电缆且满足以下条件，建议优先选用通信电缆。

——截面积满足传输压降要求；

——电缆导体对导体、导体对屏蔽层或地的绝缘电阻值DC500 V测试电压下应不小于2 MΩ；

——传输电压应不大于400 V。

由于铁路区间直流供电是以区间的远端电源设备位置将通信电缆物理分断后接入使用，当全区段绝缘电阻值不满足要求时，可考虑区间通信电缆物理切断后分段检测整治，使直流远供电源区段绝缘电阻值达标即可。

2.4.2.2 供电电缆截面计算

1）确定距离基点

比较两台局端电源与其相邻远端电源距离，距离较大的局端电源所处位置为距离基点，如图3所示。

2）最小截面积计算

选用电缆最小截面积必须满足最远远端电源输入电压大于其最小工作电压，计算按以下步骤进行。

a.将各远端电源用电功率换算为等效最远处单点功率，公式为：

式中：P——等效最远处单点峰值功率（W）；

P0——最远远端电源峰值功率（W）；

L0——最远远端电源距离（m）；

L1～Ln——#1～#n远端电源距离（m）；

P1～Pn——#1～#n远端电源功率（W）。

b. 计算允许最大线路阻抗，公式为：

式中：Rmax——最大电缆环阻（Ω）；

P——等效最远处单点峰值功率（W）；

U——传输电压（V）；

Umin——远端电源最低输入电压（V），最小取1/2U；

K——峰值功率系数，取值一般为0.6～1，不得大于1；

K0——预留功率余量系数，取值一般为1.05～1.5，不得小于1。

c. 计算最小电缆截面积，公式为：

式中：Smin——最小电缆截面（mm2）；

ρ——电缆电阻率，铜缆取值0.018 8(Ω·mm2/m) ；

L0——最远供电点距离（m），电缆环阻为两线串联值，需要乘以系数2；

K1——电缆加长系数，考虑电缆铺设的张弛度，预留长度等，需要考虑加长，系数一般取1.03～1.2，不得小于1；

Rmax——最大电缆环阻（Ω）。

3 直流远供电源系统在既有线GSM-R改造工程中的应用

以某条线GSM-R改造工程车站A与车站B间弱场覆盖方案为例，讨论区间通信设备供电方案。区间RRU设置情况如图4所示。

区间供电电压按400 V考虑，RRU最大用电功率按300 W计算，根据2.4节相关内容计算得出以下结论：

供电点局端设备输出功率：P局端=1 866 W

用电点远端设备输出功率：P远端=473 W

供电电缆最小截面：Smin=6.87 mm2

根据以上计算，本工程在车站A和车站B新增负荷2 000 W；远端设备输出功率应≥500 W。供电电缆最小截面≥6.87 mm2，通信电缆芯线并联后折算截面积为截面积相加后乘以0.85～0.9的系数，4×4×0.9通信电缆可折算为2×6.48 mm2的电缆，截面积小于6.87 mm2，不满足要求。7×4×0.9通 信 电 缆 可 折 算 为 2×11.34 mm2的电缆，截面积大于6.87 mm2，因此，采用通信电缆时需要7×4×0.9；采用电力电缆时需要VV222×10型电缆。本工程既有线敷设有HEYFL237×4×0.9+6×2×0.7通信电缆一条，工程实施时可测试电缆导体对导体、导体对屏蔽层或地的绝缘电阻值，在满足2.4.2节供电电缆选型要求或局部整治后满足要求的前提下采用既有通信电缆，降低工程造价。在不满足要求的区段可局部与通信光缆同沟敷设VV222×10型电力电缆。

4 结束语

直流远供电源应用到既有线GSM-R改造工程中，可满足区间设备I级负荷的供电需求，具有安全性好、可集中监控和管理、便于维护的特点，同时可利用既有通信电缆作为供电电缆，降低工程造价，很好地解决了既有线GSM-R改造工程中区间设备的用电需求，提高了铁路移动通信网的安全可靠性。

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