160 km/h城市轨道交通区间无线设备供电技术应用研究

吴观华

(中铁十一局集团电务工程有限公司 湖北武汉 430071)

1 前言

无线通信系统为轨道交通内部固定工作人员与流动工作人员之间以及流动工作人员之间提供移动语音和数据通信服务[1]，通信系统的稳定运行是列车稳定运行的重要保障。

随着移动通信技术的发展，无线通信系统采用1.8 GHz TD-LTE宽带数字集群系统，主要由无线中心设备、无线基站设备(含车站、区间、段场)、手持台、车载台、车站固定台及天馈系统等组成。

其中区间设备包含区间RRU射频拉远单元、光电箱、合路器及漏泄同轴电缆，为区间通信提供有效保障，实现列车员、车站值班员、OCC调度员三方通信，是无线通信系统的重要组成部分。

作为第四代移动通信系统LTE技术，以其高宽带、高速率、高可靠等特性[2]，奠定了LTE技术高承载能力，一张网可同时承载区间多业务需求，而多业务承载则需要其具备可靠性更高的供电系统。

2 工程概况

广州市轨道交通18和22号线为串联广州海陆空重要交通枢纽、连接广州市中心城区和南沙自贸区的高速大动脉。22号线起始于番禺区番禺广场，终止于荔湾区白鹅潭，线路全长30.8 km，均为地下线。设站8座，换乘站4座，平均站间距4.2 km，最大站间距7.2 km，为祈福至广州南站区间；最小站间距2.1 km，为西三至东沙工业园区间。该项目整体区间长度较大，若采用传统220 VAC交流供电存在末端压降大、电化干扰严重、造价过高、供电不稳定、故障面积易扩大、后期不易维护的特点[3]。为了保证区间设备供电稳定性，广州18和22号线采用交流供电、直流供电方式相结合的区间通信系统设备供电方案。

3 区间传统交流供电技术

3.1 交流供电原理

城市轨道交通专用通信系统为了充分考虑系统的可靠性，各系统独立设计、独立供电、独立运行。其中交流供电系统(见图1)从两端车站机房采用交流220 V独立电缆拉远供电，通过在3芯供电线缆上并联接一串用电设备。

图1 传统交流供电系统

3.2 交流供电方案分析

日常通信系统设备采用低压交流系统供电，这种供电系统组网逻辑简单明了。但存在以下缺点:(1)难以实现大功率远距离的电能传输且末端压降大；(2)区间传输线缆或设备短路、开路故障易造成大面积停电；(3)故障定位、排除耗时较多；(4)未预留接口，扩容区间设备需要重新敷设线缆[4－6]。

随着用电负荷加大及距离延长，常规铜导线的线损将逐渐加大，其导致的压降难以保证设备正常运行；另一方面因为区间安全性及经济性问题，为降低线损又不能无限制地加大线径[7]，一般弱电系统采用的供电电缆不宜大于10 mm2。

供电电缆采用10 mm2线径时末端设备供电电压处于设备工作电压范围内的供电距离最大在3.5 km左右，采用6 mm2线径电缆时供电半径约为2.5 km左右，超过此距离末端设备压降可能过大、供电电压不稳定导致设备不能正常工作。考虑到隧道设备的实际运行环境，在保留足够余量的前提下，采用常规电缆的供电半径不宜大于3 km。

3.3 交流供电方案应用实例

以22号线“西塱－白鹅潭”区间为例，采用3×6 mm2电缆供电，本文对区间电缆供电进行实际电缆规格计算。

西塱－白鹅潭区间距离为4 187 m，设置4台RRU设备，每台功率540 W，按间距900 m分布。其中白鹅潭站供电2台RRU，以白鹅潭供电点位置为零点，2台RRU位于距离787 m、1 687 m处。电缆波形系数:电缆考虑布置弯曲度及接引线时，其长度大于物理距离，取物理距离1.05倍；铜材电阻率:考虑电缆温升，按40℃考虑，温升修正后电阻率取0.018 6(Ω˙mm2/m)；功率因数:RRU设备采用高频开关电源，负载功率因素不低于0.99，计算时主要考虑UPS输出功率因数影响，按受电端不低于0.95计算；压降:根据eRRU3232技术指标，设备可长期正常运行允许压降为50%，低至110 VAC，考虑一定的工程余量，按末端允许40%压降计算，末端设备供电电压不低于132 VAC[8]，本计算示例按此值计算。

(1)将分布式功率负载计算为最远点等效功率

式中:P为等效最远距离单点功率(W)；P0为最远供电点功率(W)；L0为最远供电点距离(m)；L1～Ln为各分布供电点距离(m)；P1～Pn为各分布供电点功率(W)。

(2)工作电流

(3)允许最大回路阻抗

Ud为允许压降，取40%即88 V。

此阻抗为双芯线回路电阻，单芯线电阻为:

(4)最小电缆截面积

其中电缆长度考虑波形系数后从1 687 m增加到1 771 m。

考虑电缆规格梯级，实际采用电缆规格为3×6 mm2。

根据上述算法，计算得出22号线从车站引出需供电2台RRU的电缆采用3×6 mm2规格即可满足区间设备供电需求。

漏泄同轴电缆(LSC)有两个重要指标，即传输衰减和耦合损耗。漏泄同轴电缆的系统损耗是传输衰减和耦合损耗的总和。在狭长系统如隧道或地铁内，隧道或地铁本身能帮助提高漏泄同轴电缆的耦合性能，因此耦合损耗设计一般为75～85 dB，1－5/8同轴电缆的最大传输距离一般不超500 m。

供电电缆采用10 mm2线径时末端设备供电电压处于设备工作电压范围内的供电距离最大在3.5 km左右，则:

本项目考虑到适用于160 km/h车速的大盾构区间无线信号强度衰减，每相邻RRU设备间距按900 m进行设计，即:

车站站台区域无线信号由弱电电缆引入间内RRU设备覆盖，则:

n＝4时，信号覆盖范围最大至3.5 km(RRU布局可适当调整)。

同理，采用6 mm2线径电缆时供电半径约为2.5 km，则:

车站站台区域无线信号由弱电电缆引入间内RRU设备覆盖，则:

n＝3时，信号覆盖范围最大至2.5 km(RRU布局可适当调整)。

4 区间直流供电技术

广州18和22号线作为国内首条160 km/h地铁供电项目，其中18号线万顷沙－南村万博段各区间、沙石区间、22号线番禺广场－广州南站段各区间长度均超过5 km，属于城市轨道交通罕见的大长区间。根据设备具体布点情况，区间设备最小供电半径均大于3 000 m。传统供电系统无法满足远距离稳定供电需求，因此广州18和22号线选择在大于5 km的大长区间引入直流远供供电系统，解决末端电压不稳定情况，提高供电可靠性、安全性。

4.1 直流系统供电原理

直流远供系统通过设置在两个车站机房的局端设备分别接取220 V或380 V交流电，转换升压为400～800 V直流电，通过区间直流总线连通，远端逆变设备设置在区间用电负荷旁，将直流电逆变成220 VAC为RRU供电[9]。

车站局端设备双向同时向区间电缆供电，构建区间一级负荷母线。区间用电点的远端设备将直流线路上的220 V或380 V交流电逆变为用电设备所需的电源类型，为区间设备供电(见图2)。

图2 直流远供系统

4.2 直流供电系统性能分析

直流远供系统中局端及区间远端设备具有自动配网、逐级启动、冗余保障等功能，详细性能分析如下:

(1)满足一级负荷供电等级要求。直流交流供电系统按照双局端并网供电设计，只需两端机房的任何一路电源能够供电，均可保障区间供电来源，实现外电源冗余保障[10]。

(2)保障区间设备运行稳定。局端、远端设备对外电源、铁路电气化干扰等需实施针对性净化，更加净化的电源供电可降低区间设备运行意外死机概率，区间设备使用寿命可得以更好地保障或延长[11]。

(3)降低维护劳动强度的技术手段。供电系统有故障不停电，实时上报监控系统报警，绝大部分故障可延后处理，无需应急处理[12]。区间设备运行死机时，可通过监控系统操作遥控重启，不需去现场重启。远端设备具有自动重合闸(自复式保险)功能设计，当区间设备意外情况需断开供电时，远端先断电，待自动检测符合供电条件后自动恢复供电，避免人工去现场合闸或更换保险。

4.3 直流供电系统应用实例

直流远供设备供电系统主要针对地铁通信信号设备供电，主要由局端设备、远端设备、供电电缆、监控设备等组成。以广州18和22号线为例，供电系统设备配置如下:

(1)局端设备

输入电压:220 VAC。

输出电压:400 VDC至800 VDC可调。

最大功率:1 500～30 000 W(组合)。

安装方式:嵌入式通信机房机柜安装。

(2)远端设备

输出电压:220 VAC。

输出功率:200 VA、500 VA、1 000 VA。

安装方式:远端设备采用区间壁挂式。

根据直流远供所需线缆截面积的计算公式:

式中:R为电缆环阻(Ω)；ΔUmax为系统最大许可压降(V)；Umin为远端最小许可输入电压(V)；P为等效负载功率(W)；η为远端电源转换效率(参照厂家指标)；L为远供距离(m)；S为横截面积(mm2)；ρ为电阻系数(Ω˙mm2/m)；I为供电电流(A)[13]。

可见，直流供电所需线缆的截面积S与远供距离、传输材质、负载功率、线缆压降等有关。

以横沥－应急救援点1为例，已知局端设备输入电压AC220 V，输出电压提升为DC400 V～800 V，连续可调；远端输出电压为AC220 V，远端转换效率95%；远端设备负载功耗为1 000 W(区间无线RRU设备的额定功耗为540 W)。横沥－应急救援点1(DK8＋823～DK19＋509)间距为10 686 m，为满足区间信号强度覆盖，该区间RRU设备布置10台，以横沥站左线电缆引入间RRU安装位置为零点，则最远处RRU距离为L0＝9 800 m。

根据区间负荷计算，远端负载距局端设备间距≤6 742 m时，采用2×6 mm2电缆，其他直流远供区间均采用2×10 mm2低烟无卤阻燃铠装电缆。

5 区间无线通信供电方案

广州18和22号线充分考虑交流供电、直流供电系统的优缺点及性能分析，决定在18号线万顷沙－南村万博段各区间及沙石区间、22号线番禺广场－广州南站段各区间大于5 km的大长区间采用直流远供供电，采用R-UPS供电系统，在RRU位置设置1 000 W远端；其余区间采用交流远供供电，区间设备供电直接来自邻近车站220 VAC电源电缆，具体见表1。

表1 广州18和22号线无线通信供电分布

6 结论

广州地铁18和22号线项目采用基于LTE技术的宽带数字集群通信系统，通过小区间采用传统交流供电系统、大长区间(超5 km)采用直流供电系统的冗余供电方案，保证区间无线设备供电稳定性，解决了长大区间采用传统交流供电方式末端压降大、造价高、供电不稳定等问题，为后续的类似城市轨道施工提供了宝贵经验，提高区间无线设备的可靠性、安全性，最终实现城市轨道交通安全稳定运行。