上海軌道交通新建線路主變電所的資源優(yōu)化共享

鄭 欣

(上海申通地鐵集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，201103，上海∥工程師)

隨著我國城市化進(jìn)程和城市人口的不斷加快增長，城市軌道交通已成為解決城市交通問題的重要手段。至2014年年底，上海已建成14 條軌道交通線路，運(yùn)營線路長548 km，車站337 座;至2020年，上海將建成18 條軌道交通線路，運(yùn)營線路長880 km，車站543 座。

與此同時，城市電網(wǎng)的電力資源也越來越稀缺，城市電網(wǎng)資源的合理利用、綜合配置已是城市發(fā)展和城市軌道交通發(fā)展的共同需求。隨著城市軌道交通運(yùn)營里程和線網(wǎng)密度的增加，為城市軌道交通主變電所共享創(chuàng)造了條件。為節(jié)省城市軌道交通建設(shè)的總投資，需要對城市軌道交通外部、內(nèi)部電力資源進(jìn)行優(yōu)化整合、統(tǒng)籌部署、合理布局，以實(shí)現(xiàn)供電資源共享、高效實(shí)用和保護(hù)環(huán)境的目的。實(shí)際上城市軌道交通資源共享概念的提出已有十幾年了，資源共享的基本原則也有人提出了［1］。一般來說，主變電所供電資源共享可以分為土地資源共享和電氣共享兩種。兩種共享方式各有優(yōu)缺點(diǎn)。主變電所資源共享設(shè)計的重點(diǎn)在于:①確定外部電源共享宜采用的電壓等級和主變電所的接線方式［2］;②進(jìn)行共享前后土地和電力資源的經(jīng)濟(jì)性分析，確定共享后與城市電力資源的配套問題［3］;③確定共享后在故障情況下支援供電的工作方式［4］，并進(jìn)行可靠性分析［5］;④確定共享主變電所的電費(fèi)計量和日常運(yùn)營管理等問題［3］。

本文將根據(jù)上海軌道交通線路規(guī)劃情況，按照資源共享設(shè)計的基本原則，結(jié)合既有線路主變電所共享的實(shí)際經(jīng)驗，對在建線路的主變電所設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，給出上海在建線路工程主變電所資源共享優(yōu)化設(shè)計方案，并提出在實(shí)施過程中需要注意的問題。

1 主變電所資源優(yōu)化共享的基本原則

城市軌道交通主變電所資源優(yōu)化共享的基本原則如下:

1)主變電所資源共享必須以滿足城市軌道交通本身的功能要求為前提，不能過分強(qiáng)調(diào)資源共享而忽視功能性的本質(zhì)，或以犧牲可靠性為代價。

2)城市軌道交通主變電所的布局規(guī)劃應(yīng)考慮線網(wǎng)層面的總體協(xié)調(diào)，應(yīng)與城市軌道交通近遠(yuǎn)期建設(shè)規(guī)劃相匹配。同時，城市軌道交通供電系統(tǒng)應(yīng)與城市電力變配電系統(tǒng)相互協(xié)調(diào)、共同規(guī)劃建設(shè)。

3)主變電所共享的站址應(yīng)盡可能設(shè)計在負(fù)荷中心，并綜合全線、全網(wǎng)統(tǒng)籌;同時，主變電所應(yīng)盡量設(shè)置在線路交匯車站附近，應(yīng)結(jié)合電力系統(tǒng)的供電資源，研究一個主變電所同時向多條城市軌道交通線路供電的可能性。

4)根據(jù)線路分布、供電范圍、客流預(yù)測和行車組織預(yù)測用電負(fù)荷，考慮相鄰主變電所解列情況下支援供電所需要的容量來選擇主變電所的安裝容量。

5)當(dāng)資源共享出現(xiàn)矛盾和沖突時應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行分析，通過方案對比，綜合經(jīng)濟(jì)及社會效益比較后確定。

2 主變電所資源優(yōu)化共享的設(shè)計

2.1 主變壓器容量計算

每座主變電所引入的二路電源互為備用，當(dāng)其中一路發(fā)生故障或檢修停電時，另外一路能承擔(dān)主變電所供電范圍內(nèi)的一、二級負(fù)荷供電。當(dāng)為城市軌道交通線路供電的主變電所發(fā)生故障解列時，相鄰主變電所的供電能力應(yīng)能滿足對其支援供電的要求。

2.2 主變電所共享后的運(yùn)營方式

根據(jù)城市軌道交通供電系統(tǒng)共享主變電所的設(shè)置，其電力調(diào)度管理按照先建為主的基本原則實(shí)施。先建成線路的電力調(diào)度系統(tǒng)負(fù)責(zé)共享變電所內(nèi)所有110 kV 供電設(shè)備和35 kV 供電設(shè)備的監(jiān)控管理;后建的城市軌道交通線路的電力調(diào)度系統(tǒng)對共享主變電所110 kV 供電設(shè)備、35 kV 供電設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視。

共享主變電所與后建城市軌道交通線路主變電所的環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)由后建線路的電力調(diào)度系統(tǒng)進(jìn)行控制，相關(guān)信息發(fā)送至先建線路的電力調(diào)度系統(tǒng)。

2.3 兩種主變電所共享方案的可靠性和經(jīng)濟(jì)性分析

城市軌道交通客流量大、人員較集中，一旦中斷供電，不僅會造成城市軌道交通運(yùn)輸?shù)闹袛啵€會對社會產(chǎn)生巨大的負(fù)面影響。因此，高度安全可靠而又經(jīng)濟(jì)合理的城市供電系統(tǒng)是保證城市軌道交通正常運(yùn)營的必要條件。對主變電所資源優(yōu)化共享，也需要對其可靠性和經(jīng)濟(jì)性作綜合考慮后，再確定最終的優(yōu)化方案。兩種主變電所資源共享方案的可靠性和經(jīng)濟(jì)性比較見表1所示。

表1 兩種主變電所資源共享方案的可靠性和經(jīng)濟(jì)性比較

3 上海城市軌道交通既有主變電所共享狀況及評價

上海城市軌道交通采用集中式供電方式:1 條城市軌道交通線路只需配置少量的受電點(diǎn)，采用110 kV 電壓等級的外部電源進(jìn)線，經(jīng)主變電所將110 kV 降壓到35 kV 后，向城市軌道交通線路內(nèi)部的35 kV 級中壓電網(wǎng)供電。采用集中式供電方式的優(yōu)勢在于集中度高，1 條長30～40 km 的城市軌道交通線路通常只需要配置2 個受電點(diǎn)。因此，設(shè)置的主變電所數(shù)量少，便于統(tǒng)一調(diào)度和集中管理;另外，集中式供電方式的電壓等級高、線路損耗較小，其抑制諧波的效果較好、供電設(shè)備的可靠性強(qiáng)。

按照上海城市軌道交通的線路遠(yuǎn)期規(guī)劃，未來將建成21 條線路，線路總長約1 000 km。即使采用集中式供電方式，仍需要配置55 個集中受電點(diǎn)［6］，這對城市電網(wǎng)資源的壓力較大，故對主變電所進(jìn)行共享優(yōu)化設(shè)計勢在必行。對上海城市軌道交通來說，主變電所共享的電氣共享方案可以選擇在110 kV 側(cè)共享和35 kV 側(cè)共享兩種方式，其技術(shù)分析比較如表2所示。

上海城市軌道交通有多條已建線路共享主變電所的應(yīng)用案例(見表3)。從表3 中可以看出，目前上海已有7 處主變電所進(jìn)行了資源共享，共享電壓等級為35 kV 側(cè)，這種共享方式減少了外部110 kV 電源的進(jìn)線數(shù)量，但是相應(yīng)地增加了主變電所的容量。目 前上海軌道交通還沒有110 kV 電壓側(cè)共享的案例。

表2 主變電所電氣共享方案中不同電壓等級共享的技術(shù)分析

表3 上海城市軌道交通已建線路主變電所資源共享情況表

近年來的運(yùn)營維護(hù)經(jīng)驗表明，采用35 kV 等級主變電所資源共享后，110 kV 主變電所的數(shù)量減少了;實(shí)行資源共享的主變電所由原來承擔(dān)1 條城市軌道交通線供電的方式，變成了同時承擔(dān)2 條或2條以上城市軌道交通線的供電方式，使供電的范圍擴(kuò)大了。同時，當(dāng)該共享主變電所故障解列或由于110 kV 進(jìn)線電源發(fā)生故障或停電時，供電支援的難度較大，降低了供電的可靠性。另外，因為不同線路的建造年限不同，為滿足共享后的新增容量，需要對主變壓器進(jìn)行更換，增加了機(jī)電設(shè)備的投資。

綜上所述，上海在建的城市軌道交通進(jìn)行主變電所資源共享時，應(yīng)綜合考慮供電系統(tǒng)的可靠性、資源優(yōu)化配置和經(jīng)濟(jì)效益，從中尋找出最合適的主變電所共享方案。

4 上海在建線路主變電所共享應(yīng)用案例

上海市目前擬建的城市軌道交通線工程有:5號線南延伸、10號線二期，以及 14、15、17、18號線等，將可新增332 km 軌道交通線路。規(guī)劃中對不少有共享條件的交叉線路和鄰近線路可進(jìn)行主變電所供電資源共享。現(xiàn)以在建的羅山路主變電所和元江路主變電所為例進(jìn)行主變電所共享方案介紹。在這2 個主變電所的方案中，以保證供電可靠性和減少未來運(yùn)營維護(hù)的難度為原則，優(yōu)先考慮土建共享——“共地不共電”，在條件允許的情況下考慮共享110 kV 外部進(jìn)線電源。

4.1 羅山路主變電所11、16、18號線三線共享

羅山路主變電所目前與11、16號線共享，即2條線路主變電所通過建立35 kV 開關(guān)站實(shí)現(xiàn)資源共享，目前已投入使用。

在未來 11、16、18號線三線共享模式中，18號線僅與羅山路主變電所實(shí)現(xiàn)土建共享。18號線屬于在建工程，線路走向為南北走向，其主變電所資源共享方案為在既有羅山路主變電所旁新征地塊內(nèi)新建18號線羅山路主變電所。該主變電所內(nèi)設(shè)置2臺110 kV/35 kV 變壓器，外部電源接線形式考慮單獨(dú)引入兩路110 kV 外部電源方案，110 kV 側(cè)主接線采用線路變壓器接線形式，并在以后實(shí)施過程中考慮是否有外部電源電纜通道公用的可能性。

4.2 15號線與規(guī)劃16號線主變電所共享

上海軌道交通15號線是一條南北向貫穿上海市西部中心城區(qū)的線路，由3 座110 kV 主變電所和2 座35 kV 開關(guān)站構(gòu)成。

15號線將在元江路車輛場建造1 座110 kV 主變電所，元江路車輛段110 kV 主變電所由公用電網(wǎng)220 kV 變電站各提供二回110 kV 專用線路，預(yù)留與規(guī)劃16號線共享主變電所的條件。共享主變電所按照110 kV 外線電源和房建資源共享(土建共享)模式實(shí)施，各線路110 kV/35 kV 主變壓器及35 kV 開關(guān)柜獨(dú)立設(shè)置。

4.3 主變電所資源共享實(shí)施過程中需解決的問題

主變電所進(jìn)行電氣共享設(shè)計，共享后主變電所容量大大增加，每一路110 kV 進(jìn)線將從市供電網(wǎng)絡(luò)的220 kV 變電站引入幾乎翻倍(與共享之前相比)的負(fù)荷。這樣對于已經(jīng)建成的市供電網(wǎng)220 kV 的變電站造成了壓力，部分220 kV 變電站的容量如不能滿足城市軌道交通的用電需求，則需要擴(kuò)容。

與此同時也衍生了城市軌道交通建設(shè)和市電網(wǎng)建設(shè)在用電容量和建設(shè)時間節(jié)點(diǎn)相互配合問題。因此，為了適應(yīng)城市軌道交通的快速發(fā)展，需要與城市電力配電系統(tǒng)加強(qiáng)溝通，相互配合、共同發(fā)展。

5 結(jié)語

城市軌道交通實(shí)現(xiàn)主變電所資源共享的前提是必須滿足城市軌道交通系統(tǒng)正常情況下的用電和故障情況下相鄰主變電所相互支援供電的需求，供電可靠性應(yīng)符合國家規(guī)范的要求，以保證整個供電網(wǎng)絡(luò)的可靠、安全運(yùn)行。

總體來說，城市軌道交通供電系統(tǒng)的共享優(yōu)化設(shè)計有利于減少主變電所的投資，提高供電設(shè)備的利用率和經(jīng)濟(jì)效益。對主變電所進(jìn)行資源共享優(yōu)化設(shè)計后，可減少新建主變電所的數(shù)量，從而減少了市政土地資源，節(jié)約了公共電網(wǎng)資源，減少了大量的高壓電纜和相應(yīng)通道的投入;并為城市發(fā)展節(jié)省了寶貴的資源，產(chǎn)生了“額外”的社會效益。城市軌道交通主變電所共享在保證工程建設(shè)和供電可靠性的前提下值得大力推廣和實(shí)施。

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