鐵路通信系統(tǒng)節(jié)能分析

蔡海燕

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司通信信號處,西安 710043)

1 概述

根據我國《“十二五”節(jié)能減排綜合性工作方案》，“十二五”期間節(jié)能減排的主要目標是：到2015年，要實現(xiàn)全國萬元國內生產總值能耗要比2010年下降16%。然而全國各行各業(yè)(包括鐵路行業(yè))，其節(jié)能減排的主要措施之一是實現(xiàn)信息化，信息化是依靠于現(xiàn)在通信提供的各方面的增值和各方面更先進的通信技術來實現(xiàn)的。有專家提出，信息技術有助于幫助其他產業(yè)節(jié)能減排，但信息技術自身環(huán)保問題不容忽視，信息產業(yè)已成為全球第五大耗能產業(yè)，二氧化碳排放占全世界排放2.5%。這個數字跟全世界航空運輸業(yè)相當[1]。

根據《中長期鐵路網規(guī)劃》，到2020年，全國鐵路營業(yè)里程達到12萬km以上，復線率和電化率分別達到50%和60%以上，主要繁忙干線實現(xiàn)客貨分線，基本形成布局合理、結構清晰、功能完善、銜接順暢的鐵路網絡，運輸能力滿足國民經濟和社會發(fā)展需要，主要技術裝備達到或接近國際先進水平。與此同時，鐵路行業(yè)要完成“十二五”節(jié)能減排的目標，任務非常艱巨，因此節(jié)能的理念必須貫徹到鐵路各個環(huán)節(jié)[2]。

2 鐵路通信行業(yè)能源消耗的特點

鐵路通信是鐵路運輸的重要技術基礎，是鐵路運輸指揮的中樞神經。鐵路通信系統(tǒng)是鐵路運輸生產、調度指揮、經營管理、保證安全、提高效率時時刻刻都不能離開的技術裝備和生產手段[3]。鐵路通信主要包括了傳輸、接入網、電話交換、數字調度、無線通信、數據網、會議、應急通信、視頻監(jiān)控、電源等十多個子系統(tǒng)，其主要作用是滿足鐵路運輸的需要，提供包括話音、數據、圖像等各種信息的通信業(yè)務。

鐵路行業(yè)近年來對于節(jié)能設計非常重視，目前鐵路現(xiàn)行的《鐵路工程節(jié)能設計規(guī)范》(TB10016—2006)中已明確了通信專業(yè)的節(jié)能設計標準，同時要求在進行設計方案比選時，將節(jié)約能源作為重要因素，對能耗指標進行評估。規(guī)范中要求：通信電源應采用智能化設備，整流器應具有監(jiān)控通信接口功能，整流設備的效率值不應小于0.9。根據環(huán)境許可的地點，通信電源可采用太陽能電源或其他能源供電[4]。

在鐵路工程設計中，通信專業(yè)設計執(zhí)行了節(jié)能設計規(guī)范和專業(yè)設計標準的要求，采用了各種有效的節(jié)能措施。鑒于鐵路行業(yè)的特殊性，鐵路通信系統(tǒng)能源消耗方面存在著4個主要特點。

(1)通信系統(tǒng)的高安全性和高可靠性要求加大了能源消耗

鐵路通信系統(tǒng)是鐵路系統(tǒng)運營指揮、管理、服務乘客的平臺，是鐵路系統(tǒng)正常運轉的神經系統(tǒng)，是維持鐵路正常運營、保證列車運行安全、提高運輸效率的必要條件，因此必須具有很高的安全性和可靠性。正是因為通信系統(tǒng)的這種功能定位，使得通信設備必須24 h全天候不間斷運行，同時重要設備必須雙機熱備，在加大了自身能源消耗的同時，也加大了機房空調的能耗。

(2)鐵路通信系統(tǒng)的預留設計加大了能源消耗

由于鐵路是國家重要的基礎設施和國民經濟的大動脈，鐵路建設必須考慮適當預留，以適應國民經濟發(fā)展和市場競爭的需要。所以鐵路通信系統(tǒng)設計需考慮預留發(fā)展的需要。通信線路、通信房屋等基礎設施等宜按20年設計；外供電源和不易改、擴建的設備宜按10年設計；對于容易改、擴建的通信設備可按5年設計。

這種預留設計同時也為節(jié)能帶來了難題。例如通信機房等基礎設施的預留設計，使得初期開通時通信機房空間大，空調控制區(qū)域加大，能耗加大。再如鐵路樞紐內易改擴容的通信設備，由于建設項目、周期、方式存在差異，往往出現(xiàn)多套同類型、同用途設備堆疊在同一機房，造成投資和能源的浪費。

(3)無線通信技術的改進加大了能源消耗

隨著鐵路運輸現(xiàn)代化和信息化的發(fā)展，鐵路各運營部門都需要使用無線通信手段，輔助提高生產效率，保障運輸安全。雖然目前使用最廣泛的還是列車無線調度通信系統(tǒng)和站場調車通信系統(tǒng)，但是鐵路數字移動通信系統(tǒng)(GSM-R)憑借優(yōu)越的數字通信性能已應用于客運專線鐵路和部分重要干線鐵路。這樣，區(qū)間的通信設備能源消耗就從少量的弱場補強設備變?yōu)榇罅康臒o線基站設備，標準越高、線路越長、基站越多、能耗越大[5]。

(4)信息化技術的發(fā)展加大了能源消耗

目前鐵路其他專業(yè)部門提出的節(jié)能減排的主要措施之一，就是專業(yè)設備產品信息化、智能化，這就使得通信專業(yè)為實現(xiàn)相關專業(yè)的信息通道，增加接口板數量或轉換設備。由于我國鐵路維護管理體制的要求，單個車站需要提供的不同類型通道常常多達十幾種，無形中加大了通信專業(yè)的能源消耗。

從上面的分析可以看出，通信系統(tǒng)的節(jié)能不能僅僅考慮通信設備能耗本身，還應與鐵路工程建設緊密結合，在滿足相關專業(yè)需求和通信系統(tǒng)性能的前提下，根據所在地區(qū)的能源政策和資源條件，采用高效低能耗的新產品、新技術及可再生能源，為鐵路運輸指揮現(xiàn)代化和鐵路信息化提供基礎保障。

3 鐵路通信系統(tǒng)能源消耗分析

鐵路通信系統(tǒng)的能耗主要由通信設備能耗和機房空調能耗組成，為了確保通信系統(tǒng)設備的正常運轉，需要使用空調等設施來控制機房的溫度和濕度，而通信設備能耗又決定了通信機房空調數量及能耗。

鐵路通信機房設備用電類型有2種：一種是-48 V直流用電設備；一種是220 V/380 V交流用電設備。一般電源設備均設置在通信機房內，這樣可以深入負荷區(qū)域，有利于減少至通信設備的電源線纜長度，所以至通信設備的導線的發(fā)熱損耗大大減少，而電池與電源設備就近布置，同樣減少了至電池的導線發(fā)熱損耗，從而減少了電源線纜的電能損耗[6]。

以某客運專線典型車站通信機房及區(qū)間無線基站為例，直流用電的通信設備能耗情況如表1所示。

表1 車站通信機房及區(qū)間無線基站通信設備能耗情況

根據《鐵路通信電源設計規(guī)范》(TB10072—2000)和《高速鐵路設計規(guī)范(試行)》(TB10621—2009)中規(guī)定的蓄電池后備時間計算：車站通信機房蓄電池后備時間為1 h，經計算，應配置180 A的高頻開關電源和2組200 Ah蓄電池組；區(qū)間無線基站蓄電池后備時間為3 h。經計算，應配置90A的高頻開關電源和2組100 Ah蓄電池組。采用交流供電的設備主要有綜合視頻監(jiān)控系統(tǒng)設備、會議電視設備等，經計算，車站通信機房配置16 kVA的UPS，區(qū)間無線基站配置3 kVA的UPS，蓄電池的備用時間滿足規(guī)范要求。

通常開關電源設備在采購的過程中會考慮系統(tǒng)整流模塊N+1備份及后期擴容等需求，往往開關電源的容量選型大于當前通信設備實際負載，沒有對冗余開關電源模塊進行識別、休眠軟關斷和智能控制功能，結果導致電源實際工作負載率較低?；鹃_關電源在絕大部分情況下工作在浮充狀態(tài)，整個系統(tǒng)輸出占總容量的20%～40%，而模塊的最佳能量轉換狀態(tài)在40%以上的負載率。

4 鐵路通信行業(yè)的節(jié)能減排措施

鐵路通信行業(yè)的節(jié)能減排，從對社會來說整體上可以分成兩大部分：第一大部分是整個鐵路通信行業(yè)的發(fā)展對鐵路及社會節(jié)能減排的作用；第二大部分是整個鐵路通信行業(yè)自身在節(jié)能減排中的作用。

總體上來說，通信的發(fā)展實際上本身會對整個鐵路及社會節(jié)能減排起到一個倍增器的作用，通信發(fā)展1倍可能對于整個鐵路及社會的節(jié)能減排是數倍或者十數倍的作用。近年來，隨著通信設備發(fā)展，一批節(jié)能減耗的新技術正在逐步的推廣使用，為通信設備節(jié)能降耗乃至社會的節(jié)能減排做出了應有的貢獻。經分析鐵路通信系統(tǒng)可從以下4個方面著手，仍有望獲得可觀的節(jié)能減排效果。

4.1 提高電源設備電能轉換工作效率，降低通信運營成本

對于高頻開關電源，可根據實際負荷大小，開啟適當數量的整流模塊，使每個模塊工作在40%～55%的最大負荷狀態(tài)下，這樣既節(jié)約了能源，又減小了對設備的消耗；整流模塊散熱風扇改造，可以將高頻開關電源整流模塊上的散熱風扇改造成根據設備溫度自動調節(jié)轉速的風扇，這樣就能有效的避免了散熱風扇長期無間歇的運轉而消耗大量的能源；合理安排開關電源蓄電池的充電時段，在用電低谷時段對蓄電池進行均充，即節(jié)約了電費又對設備無影響，節(jié)電效果明顯。

對于UPS電源設備，如果運行負載率大于50%，UPS電源的效率一般可達90%以上[7]。因此，避免在購買UPS電源的時候，為追求UPS的絕對效率，盲目擴大UPS的裝機容量。要根據實際需要合理的選擇UPS電源的容量，提高其負載率，進而提高了其運行效率，節(jié)約了能源。

4.2 蓄電池的新技術應用

在鐵路通信機房、基站都大量使用著鉛酸蓄電池。鉛酸蓄電池本身具有可逆性好，使用壽命長的特性。但是，在實際使用中鉛酸蓄電池的壽命卻大大降低，其主要原因是供電質量差、維護方式不合理及缺乏修復的手段造成的。由于蓄電池持續(xù)性欠充電，導致電池內硫酸鉛晶體逐步硫化，硫化會導致內阻增大，從而使電池容量下降。

目前，一種鉛酸蓄電池脈沖除硫技術正在進行實踐驗證[8]。作為高效型的消除鉛酸蓄電池硫化現(xiàn)象的電子脈沖裝置，其工作原理是采用電子技術產生特殊脈沖，“沖刷清洗”掉極板上硫酸鉛結晶體。使電池始終保持全新高效的工作狀態(tài)，延長鉛酸蓄電池使用壽命。脈沖除硫器本身對電池無任何損害，適用于12～48 V任何容量的鉛酸蓄電池?？蓪θ我庖唤M鉛酸蓄電池均可進行針對性細調，獲得最佳使用效率。

4.3 機房空調的節(jié)能

由于通信設備需要成年累月不間斷地運行，除了通信設備自身耗電量巨大外，為滿足機房環(huán)境溫度、濕度、空氣含塵濃度的要求，機房內要獨立設置空調調節(jié)系統(tǒng)，加上用于機房環(huán)境條件技術保障的其他設備，這些最終導致機房成為電力消耗的“大戶”。

鐵路通信專業(yè)的機房、基站等場所，為保證設備及其附件正常、安全、連續(xù)運行，需要保持機房內的溫度、濕度和潔凈度在設備允許的工作范圍內[9]，因此這些機房多使用空調來維持機房所需的人工環(huán)境[10]。以基站為例，維持基站溫濕度環(huán)境所需的空調能耗占到了總能耗的40%～50%；通信站、鐵路局調度所由于設備密集，散熱量大，空調能耗同樣占很大比例。目前，機房空調大多選用普通舒適性空調，能效比低，因此空調與機房普遍存在不匹配現(xiàn)象，再加上基站機房數量多、設備散熱量高、空調冷負荷較大，具有巨大的節(jié)能潛力。例如采用面向對象的冷卻方法的基站設備分布式冷卻系統(tǒng)DCS，就非常適合于無人值守的工作環(huán)境，較常規(guī)空調能耗大幅降低30%以上[11]。

4.4 建立節(jié)能管理制度

鐵路通信行業(yè)的節(jié)能一方面要靠先進的節(jié)能技術，另一方面則是靠先進的節(jié)能管理機制的建立[12]。通過建立一系列節(jié)能管理制度，從各方面采取措施，與人密切的相關環(huán)節(jié)入手，與設備節(jié)能相結合，開展節(jié)能降耗的各項具體工作，可以起到更好的節(jié)能效果，使通信行業(yè)的整體節(jié)能更上一層臺階。

首先，制定鼓勵員工節(jié)能降耗的相關政策，鼓勵、引導員工積極主動地節(jié)能降耗，從平時的一點一滴做起，為企業(yè)和國家做出應有的貢獻；其次，重視通信電源的節(jié)能降耗管理，加強用電管理、提高使用效率、降低維護成本；第三，定期對機房進行整治，停用、拆除和掉電一些不用的或舊的設備。

5 結語

隨著鐵路通信的不斷發(fā)展和網絡規(guī)模的不斷擴大，越來越多的專業(yè)需求和越來越復雜的通信設備也帶來了越來越大的能源消耗，能源消耗已嚴重影響到鐵路部門的效益和發(fā)展。鐵路通信行業(yè)應積極響應政府號召，在推動經濟繁榮發(fā)展的同時，最大限度地減少通信行業(yè)對環(huán)境的影響，提高通信設備的能源使用效率，進一步擴大通信產業(yè)在服務鐵路發(fā)展大局、推動可持續(xù)發(fā)展方面發(fā)揮的重要作用和影響，為鐵路工程建設的節(jié)能創(chuàng)造先決條件，為整個鐵路行業(yè)的節(jié)能減排打下堅實的基礎，為建設資源節(jié)約型社會做出貢獻。

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