吳觀華

(中鐵十一局集團電務(wù)工程有限公司 湖北武漢 430071)

1 前言

無線通信系統(tǒng)為軌道交通內(nèi)部固定工作人員與流動工作人員之間以及流動工作人員之間提供移動語音和數(shù)據(jù)通信服務(wù)[1]，通信系統(tǒng)的穩(wěn)定運行是列車穩(wěn)定運行的重要保障。

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，無線通信系統(tǒng)采用1.8 GHz TD-LTE寬帶數(shù)字集群系統(tǒng)，主要由無線中心設(shè)備、無線基站設(shè)備(含車站、區(qū)間、段場)、手持臺、車載臺、車站固定臺及天饋系統(tǒng)等組成。

其中區(qū)間設(shè)備包含區(qū)間RRU射頻拉遠單元、光電箱、合路器及漏泄同軸電纜，為區(qū)間通信提供有效保障，實現(xiàn)列車員、車站值班員、OCC調(diào)度員三方通信，是無線通信系統(tǒng)的重要組成部分。

作為第四代移動通信系統(tǒng)LTE技術(shù)，以其高寬帶、高速率、高可靠等特性[2]，奠定了LTE技術(shù)高承載能力，一張網(wǎng)可同時承載區(qū)間多業(yè)務(wù)需求，而多業(yè)務(wù)承載則需要其具備可靠性更高的供電系統(tǒng)。

2 工程概況

廣州市軌道交通18和22號線為串聯(lián)廣州海陸空重要交通樞紐、連接廣州市中心城區(qū)和南沙自貿(mào)區(qū)的高速大動脈。22號線起始于番禺區(qū)番禺廣場，終止于荔灣區(qū)白鵝潭，線路全長30.8 km，均為地下線。設(shè)站8座，換乘站4座，平均站間距4.2 km，最大站間距7.2 km，為祈福至廣州南站區(qū)間；最小站間距2.1 km，為西三至東沙工業(yè)園區(qū)間。該項目整體區(qū)間長度較大，若采用傳統(tǒng)220 VAC交流供電存在末端壓降大、電化干擾嚴(yán)重、造價過高、供電不穩(wěn)定、故障面積易擴大、后期不易維護的特點[3]。為了保證區(qū)間設(shè)備供電穩(wěn)定性，廣州18和22號線采用交流供電、直流供電方式相結(jié)合的區(qū)間通信系統(tǒng)設(shè)備供電方案。

3 區(qū)間傳統(tǒng)交流供電技術(shù)

3.1 交流供電原理

城市軌道交通專用通信系統(tǒng)為了充分考慮系統(tǒng)的可靠性，各系統(tǒng)獨立設(shè)計、獨立供電、獨立運行。其中交流供電系統(tǒng)(見圖1)從兩端車站機房采用交流220 V獨立電纜拉遠供電，通過在3芯供電線纜上并聯(lián)接一串用電設(shè)備。

圖1 傳統(tǒng)交流供電系統(tǒng)

3.2 交流供電方案分析

日常通信系統(tǒng)設(shè)備采用低壓交流系統(tǒng)供電，這種供電系統(tǒng)組網(wǎng)邏輯簡單明了。但存在以下缺點:(1)難以實現(xiàn)大功率遠距離的電能傳輸且末端壓降大；(2)區(qū)間傳輸線纜或設(shè)備短路、開路故障易造成大面積停電；(3)故障定位、排除耗時較多；(4)未預(yù)留接口，擴容區(qū)間設(shè)備需要重新敷設(shè)線纜[4－6]。

隨著用電負荷加大及距離延長，常規(guī)銅導(dǎo)線的線損將逐漸加大，其導(dǎo)致的壓降難以保證設(shè)備正常運行；另一方面因為區(qū)間安全性及經(jīng)濟性問題，為降低線損又不能無限制地加大線徑[7]，一般弱電系統(tǒng)采用的供電電纜不宜大于10 mm2。

供電電纜采用10 mm2線徑時末端設(shè)備供電電壓處于設(shè)備工作電壓范圍內(nèi)的供電距離最大在3.5 km左右，采用6 mm2線徑電纜時供電半徑約為2.5 km左右，超過此距離末端設(shè)備壓降可能過大、供電電壓不穩(wěn)定導(dǎo)致設(shè)備不能正常工作?？紤]到隧道設(shè)備的實際運行環(huán)境，在保留足夠余量的前提下，采用常規(guī)電纜的供電半徑不宜大于3 km。

3.3 交流供電方案應(yīng)用實例

以22號線“西塱－白鵝潭”區(qū)間為例，采用3×6 mm2電纜供電，本文對區(qū)間電纜供電進行實際電纜規(guī)格計算。

西塱－白鵝潭區(qū)間距離為4 187 m，設(shè)置4臺RRU設(shè)備，每臺功率540 W，按間距900 m分布。其中白鵝潭站供電2臺RRU，以白鵝潭供電點位置為零點，2臺RRU位于距離787 m、1 687 m處。電纜波形系數(shù):電纜考慮布置彎曲度及接引線時，其長度大于物理距離，取物理距離1.05倍；銅材電阻率:考慮電纜溫升，按40℃考慮，溫升修正后電阻率取0.018 6(Ω˙mm2/m)；功率因數(shù):RRU設(shè)備采用高頻開關(guān)電源，負載功率因素不低于0.99，計算時主要考慮UPS輸出功率因數(shù)影響，按受電端不低于0.95計算；壓降:根據(jù)eRRU3232技術(shù)指標(biāo)，設(shè)備可長期正常運行允許壓降為50%，低至110 VAC，考慮一定的工程余量，按末端允許40%壓降計算，末端設(shè)備供電電壓不低于132 VAC[8]，本計算示例按此值計算。

(1)將分布式功率負載計算為最遠點等效功率

式中:P為等效最遠距離單點功率(W)；P0為最遠供電點功率(W)；L0為最遠供電點距離(m)；L1～Ln為各分布供電點距離(m)；P1～Pn為各分布供電點功率(W)。

(2)工作電流

(3)允許最大回路阻抗

Ud為允許壓降，取40%即88 V。

此阻抗為雙芯線回路電阻，單芯線電阻為:

(4)最小電纜截面積

其中電纜長度考慮波形系數(shù)后從1 687 m增加到1 771 m。

考慮電纜規(guī)格梯級，實際采用電纜規(guī)格為3×6 mm2。

根據(jù)上述算法，計算得出22號線從車站引出需供電2臺RRU的電纜采用3×6 mm2規(guī)格即可滿足區(qū)間設(shè)備供電需求。

漏泄同軸電纜(LSC)有兩個重要指標(biāo)，即傳輸衰減和耦合損耗。漏泄同軸電纜的系統(tǒng)損耗是傳輸衰減和耦合損耗的總和。在狹長系統(tǒng)如隧道或地鐵內(nèi)，隧道或地鐵本身能幫助提高漏泄同軸電纜的耦合性能，因此耦合損耗設(shè)計一般為75～85 dB，1－5/8同軸電纜的最大傳輸距離一般不超500 m。

供電電纜采用10 mm2線徑時末端設(shè)備供電電壓處于設(shè)備工作電壓范圍內(nèi)的供電距離最大在3.5 km左右，則:

本項目考慮到適用于160 km/h車速的大盾構(gòu)區(qū)間無線信號強度衰減，每相鄰RRU設(shè)備間距按900 m進行設(shè)計，即:

車站站臺區(qū)域無線信號由弱電電纜引入間內(nèi)RRU設(shè)備覆蓋，則:

n＝4時，信號覆蓋范圍最大至3.5 km(RRU布局可適當(dāng)調(diào)整)。

同理，采用6 mm2線徑電纜時供電半徑約為2.5 km，則:

車站站臺區(qū)域無線信號由弱電電纜引入間內(nèi)RRU設(shè)備覆蓋，則:

n＝3時，信號覆蓋范圍最大至2.5 km(RRU布局可適當(dāng)調(diào)整)。

4 區(qū)間直流供電技術(shù)

廣州18和22號線作為國內(nèi)首條160 km/h地鐵供電項目，其中18號線萬頃沙－南村萬博段各區(qū)間、沙石區(qū)間、22號線番禺廣場－廣州南站段各區(qū)間長度均超過5 km，屬于城市軌道交通罕見的大長區(qū)間。根據(jù)設(shè)備具體布點情況，區(qū)間設(shè)備最小供電半徑均大于3 000 m。傳統(tǒng)供電系統(tǒng)無法滿足遠距離穩(wěn)定供電需求，因此廣州18和22號線選擇在大于5 km的大長區(qū)間引入直流遠供供電系統(tǒng)，解決末端電壓不穩(wěn)定情況，提高供電可靠性、安全性。

4.1 直流系統(tǒng)供電原理

直流遠供系統(tǒng)通過設(shè)置在兩個車站機房的局端設(shè)備分別接取220 V或380 V交流電，轉(zhuǎn)換升壓為400～800 V直流電，通過區(qū)間直流總線連通，遠端逆變設(shè)備設(shè)置在區(qū)間用電負荷旁，將直流電逆變成220 VAC為RRU供電[9]。

車站局端設(shè)備雙向同時向區(qū)間電纜供電，構(gòu)建區(qū)間一級負荷母線。區(qū)間用電點的遠端設(shè)備將直流線路上的220 V或380 V交流電逆變?yōu)橛秒娫O(shè)備所需的電源類型，為區(qū)間設(shè)備供電(見圖2)。

圖2 直流遠供系統(tǒng)

4.2 直流供電系統(tǒng)性能分析

直流遠供系統(tǒng)中局端及區(qū)間遠端設(shè)備具有自動配網(wǎng)、逐級啟動、冗余保障等功能，詳細性能分析如下:

(1)滿足一級負荷供電等級要求。直流交流供電系統(tǒng)按照雙局端并網(wǎng)供電設(shè)計，只需兩端機房的任何一路電源能夠供電，均可保障區(qū)間供電來源，實現(xiàn)外電源冗余保障[10]。

(2)保障區(qū)間設(shè)備運行穩(wěn)定。局端、遠端設(shè)備對外電源、鐵路電氣化干擾等需實施針對性凈化，更加凈化的電源供電可降低區(qū)間設(shè)備運行意外死機概率，區(qū)間設(shè)備使用壽命可得以更好地保障或延長[11]。

(3)降低維護勞動強度的技術(shù)手段。供電系統(tǒng)有故障不停電，實時上報監(jiān)控系統(tǒng)報警，絕大部分故障可延后處理，無需應(yīng)急處理[12]。區(qū)間設(shè)備運行死機時，可通過監(jiān)控系統(tǒng)操作遙控重啟，不需去現(xiàn)場重啟。遠端設(shè)備具有自動重合閘(自復(fù)式保險)功能設(shè)計，當(dāng)區(qū)間設(shè)備意外情況需斷開供電時，遠端先斷電，待自動檢測符合供電條件后自動恢復(fù)供電，避免人工去現(xiàn)場合閘或更換保險。

4.3 直流供電系統(tǒng)應(yīng)用實例

直流遠供設(shè)備供電系統(tǒng)主要針對地鐵通信信號設(shè)備供電，主要由局端設(shè)備、遠端設(shè)備、供電電纜、監(jiān)控設(shè)備等組成。以廣州18和22號線為例，供電系統(tǒng)設(shè)備配置如下:

(1)局端設(shè)備

輸入電壓:220 VAC。

輸出電壓:400 VDC至800 VDC可調(diào)。

最大功率:1 500～30 000 W(組合)。

安裝方式:嵌入式通信機房機柜安裝。

(2)遠端設(shè)備

輸出電壓:220 VAC。

輸出功率:200 VA、500 VA、1 000 VA。

安裝方式:遠端設(shè)備采用區(qū)間壁掛式。

根據(jù)直流遠供所需線纜截面積的計算公式:

式中:R為電纜環(huán)阻(Ω)；ΔUmax為系統(tǒng)最大許可壓降(V)；Umin為遠端最小許可輸入電壓(V)；P為等效負載功率(W)；η為遠端電源轉(zhuǎn)換效率(參照廠家指標(biāo))；L為遠供距離(m)；S為橫截面積(mm2)；ρ為電阻系數(shù)(Ω˙mm2/m)；I為供電電流(A)[13]。

可見，直流供電所需線纜的截面積S與遠供距離、傳輸材質(zhì)、負載功率、線纜壓降等有關(guān)。

以橫瀝－應(yīng)急救援點1為例，已知局端設(shè)備輸入電壓AC220 V，輸出電壓提升為DC400 V～800 V，連續(xù)可調(diào)；遠端輸出電壓為AC220 V，遠端轉(zhuǎn)換效率95%；遠端設(shè)備負載功耗為1 000 W(區(qū)間無線RRU設(shè)備的額定功耗為540 W)。橫瀝－應(yīng)急救援點1(DK8＋823～DK19＋509)間距為10 686 m，為滿足區(qū)間信號強度覆蓋，該區(qū)間RRU設(shè)備布置10臺，以橫瀝站左線電纜引入間RRU安裝位置為零點，則最遠處RRU距離為L0＝9 800 m。

根據(jù)區(qū)間負荷計算，遠端負載距局端設(shè)備間距≤6 742 m時，采用2×6 mm2電纜，其他直流遠供區(qū)間均采用2×10 mm2低煙無鹵阻燃鎧裝電纜。

5 區(qū)間無線通信供電方案

廣州18和22號線充分考慮交流供電、直流供電系統(tǒng)的優(yōu)缺點及性能分析，決定在18號線萬頃沙－南村萬博段各區(qū)間及沙石區(qū)間、22號線番禺廣場－廣州南站段各區(qū)間大于5 km的大長區(qū)間采用直流遠供供電，采用R-UPS供電系統(tǒng)，在RRU位置設(shè)置1 000 W遠端；其余區(qū)間采用交流遠供供電，區(qū)間設(shè)備供電直接來自鄰近車站220 VAC電源電纜，具體見表1。

表1 廣州18和22號線無線通信供電分布

6 結(jié)論

廣州地鐵18和22號線項目采用基于LTE技術(shù)的寬帶數(shù)字集群通信系統(tǒng)，通過小區(qū)間采用傳統(tǒng)交流供電系統(tǒng)、大長區(qū)間(超5 km)采用直流供電系統(tǒng)的冗余供電方案，保證區(qū)間無線設(shè)備供電穩(wěn)定性，解決了長大區(qū)間采用傳統(tǒng)交流供電方式末端壓降大、造價高、供電不穩(wěn)定等問題，為后續(xù)的類似城市軌道施工提供了寶貴經(jīng)驗，提高區(qū)間無線設(shè)備的可靠性、安全性，最終實現(xiàn)城市軌道交通安全穩(wěn)定運行。