地鐵中民用通信系統(tǒng)供電方式探討

韓建芳，姚利民

（1.廣州杰賽科技股份有限公司通信規(guī)劃設(shè)計(jì)院，廣東 廣州 510310；2.中國(guó)聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)通信有限公司江西省分公司，江西 南昌 336000）

0 引 言

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，越來越多的城市進(jìn)入了地鐵時(shí)代。在地鐵內(nèi)建設(shè)民用通信系統(tǒng)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)公用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，滿足人民群眾對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的需求，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)、社會(huì)發(fā)展，實(shí)現(xiàn)“網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)”戰(zhàn)略具有重要意義。

地鐵內(nèi)民用通信系統(tǒng)一般由通信運(yùn)營(yíng)商和鐵塔公司進(jìn)行建設(shè)，民用通信設(shè)備的供電設(shè)施由鐵塔公司建設(shè)，由于涉及到多家單位，民用通信系統(tǒng)的供電方式如何確定就是一個(gè)值得研究的話題，本文以X地鐵線路中B車站為例進(jìn)行說明。

1 設(shè)計(jì)范圍及分工

1.1 設(shè)計(jì)范圍

本工程以X號(hào)線A站——B站——C站中的B站為例進(jìn)行設(shè)計(jì)，僅解決通信設(shè)備供電問題，設(shè)備側(cè)DCDU及電源線由各運(yùn)營(yíng)商解決。

1.2 分工界面

本工程各單位分工界面具體如下。

1.2.1 地鐵公司負(fù)責(zé)內(nèi)容

（1）機(jī)房：每車站提供民用通信機(jī)房一處（裝修工藝由鐵塔公司提出，地鐵公司實(shí)施），面積≥50 m2，層高3 m以上；機(jī)房?jī)?nèi)預(yù)留兩處接地端子；提供機(jī)房制冷空調(diào)、消防設(shè)施等。

（2）電源：提供兩路380 V市電電源（容量由鐵塔公司提供，等級(jí)與地鐵通信用電相同）。

（3）布線路由：提供各種通信漏纜、電纜、光纜敷設(shè)用走線架，預(yù)留走線位置。

（4）其他專業(yè)要求另行提出。

1.2.2 鐵塔公司負(fù)責(zé)內(nèi)容

（1）統(tǒng)籌各運(yùn)營(yíng)商用電需求、機(jī)房工藝設(shè)計(jì)提供給地鐵公司。

（2）民用通信系統(tǒng)供電設(shè)施建設(shè)，包括48 V直流供電系統(tǒng)、UPS供電系統(tǒng)、各種交直流配電柜/箱以及之間的連接電纜。

（3）各運(yùn)營(yíng)商用電設(shè)備至前一級(jí)配電柜/箱的電力電纜由運(yùn)營(yíng)商負(fù)責(zé)提供，鐵塔公司負(fù)責(zé)安裝實(shí)施。

（4）動(dòng)環(huán)監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)。

1.2.3 運(yùn)營(yíng)商建設(shè)內(nèi)容

（1）提供主設(shè)備及各自設(shè)備配套的連接線纜。

（2）配合工程建設(shè)相關(guān)事宜。

2 需 求

各隧道斷點(diǎn)間距如圖1所示，無線、傳輸專業(yè)提供的設(shè)備電壓、功耗需求如表1、表2所示。

圖1 隧道斷點(diǎn)間距示意圖

表1 無線專業(yè)用電信息表

表2 設(shè)備用電信息表

為了減少民用通信系統(tǒng)長(zhǎng)期運(yùn)行帶來的電能損耗，隧道斷點(diǎn)設(shè)備供電采用就近原則，從兩端最近的機(jī)房引電。B站機(jī)房負(fù)責(zé)斷點(diǎn)3～斷點(diǎn)10一共8個(gè)隧道斷點(diǎn)民用通信設(shè)備、B站廳/機(jī)房?jī)?nèi)所有民用通信設(shè)備的用電需求，如表2所示。

3 需要明確的問題

3.1 負(fù)荷等級(jí)

在通信行業(yè)相關(guān)規(guī)范和工程實(shí)踐中一般將本工程用電負(fù)荷作為三級(jí)負(fù)荷，但在GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]第16.10.3條規(guī)定：通信設(shè)備應(yīng)按一級(jí)負(fù)荷供電。

這在工程實(shí)施中比較困難，且工程投資成倍增長(zhǎng)，對(duì)鐵塔公司及各運(yùn)營(yíng)商來說是無法接受的。根據(jù)以往建設(shè)經(jīng)驗(yàn)及運(yùn)行情況，經(jīng)鐵塔公司和各運(yùn)營(yíng)商確定按三級(jí)負(fù)荷考慮。

3.2 備電時(shí)間

各運(yùn)營(yíng)商對(duì)通信設(shè)備備電時(shí)間不一致，移動(dòng)一般要求備電時(shí)間2～4 h，電信、聯(lián)通對(duì)是否備電無要求，根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]第16.10.6條第3款要求：蓄電池組的容量應(yīng)按近期負(fù)荷配置，并應(yīng)保證連續(xù)供電不少于2 h。本工程考慮2個(gè)供電方案，具體如下。

（1）方案1：站廳/機(jī)房直流設(shè)備采用48 V直流供電方式，站廳/機(jī)房交流設(shè)備采用逆變器供電方式，無線設(shè)備備電時(shí)長(zhǎng)按2 h考慮，傳輸設(shè)備按4 h考慮；隧道斷點(diǎn)設(shè)備采用不備電方案，由市電直接供電。

（2）方案2：站廳/機(jī)房直流設(shè)備采用48 V直流供電方式，站廳/機(jī)房交流設(shè)備及隧道斷點(diǎn)設(shè)備采用UPS供電方式，無線設(shè)備備電時(shí)長(zhǎng)按2 h考慮，傳輸設(shè)備按4 h考慮。

3.3 電量計(jì)量

由于電源系統(tǒng)由鐵塔公司建設(shè)，電費(fèi)由運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行分?jǐn)?，各家分?jǐn)傠娰M(fèi)多少一直是個(gè)難題，因此提出3種電量計(jì)量方案，如表3所示。

表3 計(jì)量方案對(duì)比

4 建設(shè)方案

4.1 方案1

方案描述：站廳/機(jī)房直流設(shè)備采用48V直流供電方式，站廳/機(jī)房交流設(shè)備采用逆變器供電方式，無線設(shè)備備電時(shí)長(zhǎng)按2 h考慮，傳輸設(shè)備按4 h考慮；隧道斷點(diǎn)設(shè)備采用不備電方案，由市電直接供電。

4.1.1 蓄電池配置

根據(jù)表1用電設(shè)備功率以及GB 51194—2016《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中蓄電池容量計(jì)算公式可得開關(guān)電源蓄電池計(jì)算容量為1 669 Ah，配置2組48 V/800 Ah（2 V/節(jié)，24節(jié)/組）閥控式鉛酸蓄電池組。

4.1.2 開關(guān)電源配置

根據(jù)表1用電設(shè)備功率、蓄電池配置，配置1臺(tái)600 A組合式開關(guān)電源，含12個(gè)50 A高效整流模塊，開關(guān)電源具備分用戶計(jì)量、二次下電功能。

若后期還有新增直流負(fù)荷需求，可將蓄電池充電從10小時(shí)率調(diào)整為20小時(shí)率，以滿足新增負(fù)荷用電需求（此方式將降低蓄電池后備時(shí)間，需進(jìn)行評(píng)估）；若開關(guān)電源容量不足，則再新增一套開關(guān)電源及蓄電池組，本期預(yù)留好位置。

4.1.3 逆變器配置

根據(jù)GB 51194—2016《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]第6.1.1條：要求交流不間斷供電的通信負(fù)荷，宜采用交流不間斷電源（UPS）供電系統(tǒng)供電，容量小于10 kVA時(shí)可采用逆變器供電系統(tǒng)供電。由于站廳/機(jī)房交流負(fù)荷較小，考慮通過逆變器供電方式解決交流用電設(shè)備需求，每運(yùn)營(yíng)商各配置2臺(tái)5 kVA逆變器，組成1+1并機(jī)方式，各配置1個(gè)交流輸出配電單元，逆變器、交流輸出配電單元安裝在綜合柜內(nèi)。

4.1.4 直流系統(tǒng)壓降計(jì)算

48 V系統(tǒng)全程壓降要求不大于3.2 V，經(jīng)核算從開關(guān)電源蓄電池到機(jī)房最遠(yuǎn)點(diǎn)用電設(shè)備的壓降不超過3.2 V。

4.1.5 隧道斷點(diǎn)供電

隧道斷點(diǎn)供電方式有3種，具體如下。

（1）星型供電方式：即每個(gè)隧道斷點(diǎn)內(nèi)交流配電箱均從地鐵機(jī)房?jī)?nèi)引出，點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)方式。此方式各斷點(diǎn)用電互不影響，安全可靠性較高，但是電纜投資較大。

（2）鏈型供電方式：即下一個(gè)隧道斷點(diǎn)內(nèi)交流配電箱輸入從上一級(jí)交流配電箱的輸出端子引出，一般級(jí)聯(lián)方式不超過3級(jí)。此方式可節(jié)省電纜投資，但是安全性較差，上一級(jí)交流配電箱故障可能會(huì)影響下一級(jí)設(shè)備供電。

（3）T型供電方式：即同一方向敷設(shè)一根主干電纜，各隧道斷點(diǎn)交流配電箱從主干電纜采用T接方式引出。此方式可節(jié)省電纜投資，同時(shí)上、下級(jí)供電也互不影響，安全性較高，但是T接時(shí)需采用專用T接頭，避免連接不可靠引起的安全性問題。

圖2為隧道斷點(diǎn)供電方式示意圖。

圖2 隧道斷點(diǎn)供電方式示意圖

隧道斷點(diǎn)設(shè)備采用不備電方案，由市電直接供電。根據(jù)就近供電原則，B站機(jī)房負(fù)責(zé)斷點(diǎn)3～斷點(diǎn)10共8個(gè)隧道斷點(diǎn)民用通信設(shè)備供電，同一方向斷點(diǎn)采用1根電纜供電，斷點(diǎn)處交流配電箱T接引出（即T型供電方式）。

根據(jù)YD/T 1051—2018《通信局（站）電源系統(tǒng)總技術(shù)要求》[3]第7.2.3條額定電壓的允許變動(dòng)范圍：使用低壓交流電的通信設(shè)備和電源設(shè)備以及建筑用電設(shè)備，在其電源輸入端子處測(cè)量的電壓允許變動(dòng)范圍為額定電壓值的-15%～+10%。

經(jīng)過計(jì)算，采用4×10 mm2電纜在斷點(diǎn)9或斷點(diǎn)10（最遠(yuǎn)點(diǎn)）的電壓為350 V（壓降8%），符合規(guī)范要求。

下面對(duì)隧道斷點(diǎn)設(shè)備兩種不同的電源分配方式進(jìn)行對(duì)比，方式1斷點(diǎn)配電箱內(nèi)各相電源對(duì)應(yīng)不同的運(yùn)營(yíng)商，方式2斷點(diǎn)配電箱內(nèi)各相電源對(duì)應(yīng)固定的運(yùn)營(yíng)商。根據(jù)《中國(guó)移動(dòng)通信電源、空調(diào)維護(hù)管理規(guī)定（2014版試行）》[4]對(duì)變壓器負(fù)載三相電流不平衡度要求應(yīng)≤15%。其中三相電流不平衡度計(jì)算公式如下：

通過表4、表5可以看出，采用方式2固定分配方式不滿足中國(guó)移動(dòng)要求，因此本工程采用方式1不固定分配方式。

方式1可能給后期運(yùn)維帶來一定困難，在建設(shè)時(shí)可通過配電電源端子用不同的顏色標(biāo)識(shí)、貼上對(duì)應(yīng)的標(biāo)簽進(jìn)行解決。

4.1.6 交流容量

根據(jù)計(jì)算，地鐵公司需提供兩路容量不小于85 kVA的380 V市電。

4.1.7 供電系統(tǒng)圖

圖3為方案1供電系統(tǒng)圖。

4.2 方案2

站廳/機(jī)房直流設(shè)備采用48 V直流供電方式，站廳/機(jī)房交流設(shè)備及隧道斷點(diǎn)設(shè)備采用UPS供電方式，無線設(shè)備備電時(shí)長(zhǎng)按2 h考慮，傳輸設(shè)備按4 h考慮。

4.2.1 直流供電系統(tǒng)

根據(jù)表1用電設(shè)備功率以及GB 51194—2016《通信電源設(shè)備安裝工程設(shè)計(jì)規(guī)范》[2]中蓄電池容量計(jì)算公式可得開關(guān)電源蓄電池計(jì)算容量為1 076 Ah，配置2組48 V/500 Ah（2 V/節(jié)，24節(jié)/組）蓄電池。配置1臺(tái)600 A開關(guān)電源（含8個(gè)50 A高效模塊），其他說明與方案1類似，本方案不作說明。

4.2.2 UPS供電系統(tǒng)

8個(gè)隧道斷點(diǎn)設(shè)備+站廳/機(jī)房交流設(shè)備負(fù)荷共47 kW，折合52.5 kVA（功率因素0.9），按UPS最大負(fù)載率90%，配置1臺(tái)80 kVA UPS單機(jī)運(yùn)行方式（若遠(yuǎn)期有交流負(fù)荷新增需求，也可采用模塊化UPS或后期通過并機(jī)方式進(jìn)行擴(kuò)容）。

表4 隧道斷點(diǎn)設(shè)備不同分配方式對(duì)比（2個(gè)斷點(diǎn)設(shè)備之和分析）

表5 隧道斷點(diǎn)設(shè)備不同分配方式對(duì)比（8個(gè)斷點(diǎn)設(shè)備之和分析）

圖3 方案1供電系統(tǒng)圖

UPS蓄電池容量按實(shí)際負(fù)荷容量計(jì)算（設(shè)計(jì)規(guī)范為按UPS額定容量），通過計(jì)算需配置1組480 V/500 Ah（2 V/節(jié)，240節(jié)/組）蓄電池，滿足備電2 h要求。UPS輸入直接從地鐵機(jī)房配電箱輸出端子引入，UPS輸出配置1臺(tái)UPS輸出配電屏。

4.2.3 隧道斷點(diǎn)供電

隧道斷點(diǎn)供電方式同方式1，只是隧道斷點(diǎn)交流配電箱引入從UPS輸出配電屏引入。

下面對(duì)隧道斷點(diǎn)設(shè)備兩種不同的電源分配方式進(jìn)行對(duì)比，方式1斷點(diǎn)配電箱內(nèi)各相電源對(duì)應(yīng)不同的運(yùn)營(yíng)商，方式2斷點(diǎn)配電箱內(nèi)各相電源對(duì)應(yīng)固定的運(yùn)營(yíng)商。根據(jù)《中國(guó)移動(dòng)通信電源、空調(diào)維護(hù)管理規(guī)定（2014版試行）》[4]對(duì)變壓器負(fù)載三相電流不平衡度要求應(yīng)≤15%。

通過表6可以看出，采用固定分配方式不滿足中國(guó)移動(dòng)要求，因此本工程采用不固定分配方式。負(fù)載容量比的計(jì)算公式如下：

從表7可以看出，方式1與方式2各相負(fù)載均未超過相關(guān)要求，但是方式1負(fù)載分配更均衡。

4.2.4 交流容量

地鐵公司需提供兩路容量不小于90 kVA的380 V市電。

表6 隧道斷點(diǎn)設(shè)備不同分配方式對(duì)比（8個(gè)斷點(diǎn)設(shè)備之和分析）

表7 UPS各相負(fù)載容量比

圖4 方案2供電系統(tǒng)圖

4.2.5 供電系統(tǒng)圖

圖4為方案2供電系統(tǒng)圖。

5 結(jié) 論

供電方案：推薦采用方案1，即站廳/機(jī)房直流設(shè)備采用48 V直流供電方式，站廳/機(jī)房交流設(shè)備采用逆變器供電方式，隧道斷點(diǎn)設(shè)備采用不備電方案，由市電直接供電。

計(jì)量方案：站廳/機(jī)房?jī)?nèi)通信設(shè)備用電采用電源設(shè)備自帶計(jì)量功能進(jìn)行計(jì)量，斷點(diǎn)通信設(shè)備用電采用抽樣計(jì)量方案。