城市軌道交通主變電所資源共享問題研究

龔曉冬

(上海市隧道工程軌道交通設計研究院,200235,上海∥工程師)

?

城市軌道交通主變電所資源共享問題研究

龔曉冬

(上海市隧道工程軌道交通設計研究院,200235,上海∥工程師)

為優化利用日益寶貴的城市電力、土地等資源,應在建設規劃階段對線網主變電所(以下簡稱“主變”)設置進行優化,并有必要開展主變資源共享問題研究。對主變資源共享原則進行分析和梳理,提出了開展主變共享研究的技術路線和值得關注的若干關鍵問題。最后,結合工程實例,對實施主變資源共享后供電系統的可靠性及經濟效益作了進一步分析。

城市軌道交通; 網絡化; 主變電所; 資源共享

Author′s address Shanghai Tunnel Engineering & Rail Transit Design and Research Institute,200235,Shanghai,China

隨著軌道交通網絡化的發展,新建線路主變電所(以下簡稱“主變”)的設置與城市電力資源稀缺、中心城區用地緊缺等外部條件間的矛盾也愈發凸顯。究其原因，一方面是由于城市軌道交通建設早期僅考慮了單線建設模式；另一方面則是由于建設規劃階段不同，故現階段建設未考慮對后期規劃新線的統一納入考慮,從而導致未對整個線網進行主變布局。近年來,如何在城市軌道交通網絡化發展過程中實現主變資源共享,并在滿足供電可靠性前提下節約投資已成為線網規劃階段的重要研究課題之一。上海、廣州、深圳等城市已分別于近年完成了軌道交通線網規劃中針對主變資源優化共享的專項課題并取得了階段性成果。

1 主變資源共享的原則及技術路線

1.1 總體原則

(1) 主變資源共享必須以保證軌道交通供電系統的必要功能及可靠性為前提,切不可“為了共享而共享”。

(2) 主變布局應與軌道交通線網規劃相匹配,按照遠景網絡規劃進行主變布局,結合中、遠期線路建設時序進行方案設計。

(3) 主變布局應與城市電網發展相互協調、共同建設,并與城市規劃部門及時溝通,確保主變用地的落實。

(4) 每條軌道交通線路一般應設2座或2座以上主變(含35 kV開關站),且盡可能位于線路負荷中心,以保證供電質量。當2條軌道交通線路相交或相鄰時,宜考慮主變資源共享。

1.1.1 外部電源設計原則

(1) 每座主變應從城市電網引入兩回相對獨立的電源,其中至少有一回為專用電源。兩回電源可引自不同的城市電網變電站,也可引自同一城市電網變電站的不同母線。

(2) 兩線(多線)共享的主變,其2路電源進線宜(應)采用不同溝電纜排管的敷設方式引入。

(3) 每座主變引入的2路電源應互為備用,當其中一路發生故障或檢修停電時,另1路電源應能承擔該主變供電范圍內的一、二級負荷。

1.1.2 主變選址原則

(1) 主變選址應對外電源位置、供電能力、規劃要求、征地條件、負荷位置等多方面進行經濟、技術綜合分析后最終確定。

(2) 當主變選址與城市用地發生矛盾時,應服從城市規劃總體要求。

(3) 為減少拆遷、降低投資,應盡量避免在用地緊張的中心城區建設主變。

(4) 主變應盡量靠近軌道交通車站布置,以降低中壓電纜通道設置難度。

(5) 對于處于線網外圍的市郊線路,在征地困難情況下,若車輛段位置相對合理,可在車輛段內設置主變。

1.1.3 主變容量設計原則

(1) 主變容量應基于本線路負荷分布、供電范圍、行車組織等因素,同時考慮支援供電方式下所需容量,綜合分析后確定。

(2) 主變設2臺及以上主變壓器,正常情況下各主變壓器分列運行,向各自供電分區的牽引與動力照明負荷供電。

(3) 當1臺主變壓器退出運行時,另1臺主變壓器應能承擔本主變供電范圍內的一、二級負荷。

(4) 當1座主變退出運行時(不考慮中壓母線同時故障),其相鄰主變應越區供電以承擔故障區域內的一、二級負荷;對于同時向幾條軌道交通線路供電的共享主變,容量確定僅考慮與其相鄰的1座主變解列的情況。

1.1.4 供電可靠性設計原則

(1) 為保證線網運行的可靠性,一般共享主變供電線路不宜超過3條。

(2) 不考慮整個線網中有2座及以上主變同時解列的情況。

(3) 正常供電方式下,主變供電半徑宜為15～20 km;向相鄰主變支援供電時,為保證末端壓降不大于5%,供電半徑最遠不超過30 km。對于共享主變,特別是3線共享主變,由于受到總容量的限制,應適當縮短其在每條線路中的供電范圍。

(4) 主變110 kV側接線宜簡化,可采用線路-變壓器組、橋接等方式。共享主變35 kV側可采用T接、一級母線方式、兩級母線方式等。

(5) 后建線路可采用35 kV開關站模式,其兩路進線電源引自共享主變的兩段35 kV母線。

1.2 技術路線

根據以往城市軌道交通線網主變規劃的設計經驗,提出制定線網主變資源共享方案的方法和步驟。具體技術路線見圖1。

圖1 主變資源共享技術路線圖

(1) 資料搜集與分析。搜集城市規劃、軌道交通線網規劃、既有及已規劃主變布點方案、城市電網既有及規劃布局、運營及在建工程供電系統設計方案等相關基礎資料。對資料進行歸納整理、分類分析,尤其是要理清線網中各條線路的建設時序。

(2) 主變布點。結合既有及已規劃主變所址,并根據主變資源共享原則及要求,以滿足供電可靠性為前提對線網主變進行布點并優化。

(3) 供電可靠性分析及供電能力校核。根據主所布點情況,校核每座主變在支援供電情況下的供電半徑是否滿足供電能力要求。若不滿足,則返回步驟(2),調整主變布點,直至滿足要求為止。

(4) 外電源引入條件。研究主變建設時序與城市電網建設規劃的匹配性,分析主變是否具備接入上級電源的條件。若不具備,則返回步驟(2)。

(5) 征地條件。根據城市規劃并結合周邊用地及環境情況,分析主變選擇的可行性。若不滿足,返回步驟(2),調整主變布點。

(6) 供電分區劃分。對各線路35 kV中壓環網進行詳細的供電分區劃分,確定各主變在正常運行方式下及支援供電方式下的供電范圍。供電分區劃分的合理性將直接影響供電系統的可靠性、工程投資、運營管理和成本等。

(7) 主變容量設計。綜合考慮線路負荷分布、供電范圍、行車組織和共享線路負荷等因素初步確定主變安裝容量。

(8) 效益分析。對單線模式和資源共享模式下的主變規劃布局進行社會、經濟效益對比分析。

2 主變資源共享的關鍵問題探討

2.1 主變與線網的建設時序配合

軌道交通線路的建設期一般為3～5年。考慮到主變的固定電費和空載損耗,共享主變的建設應與共享線路建設時序相配合,并經技術經濟綜合比較后選擇合理的建設模式。

若兩條或多條共享線路的建設時序較接近,則共享主變可由先建線路一次建成,再由后續線路分攤費用。若2條或多條共享線路的建設時序相差較大,則一次建成模式會因設備輕載而造成大量浪費。此時,共享主變的容量可按先建線路的規模建設,并按多線共享模式進行土建預留。共享主變的110 kV進線電纜、110 kV開關、繼電保護、電力監控系統等電氣設備按照最終規模一次建成，并預留接口;35 kV開關分期實施，并在土建專業予以預留。

2.2 主變外電源可靠性

非共享主變解列退出時,其僅影響本線路部分區段的供電運行。而共享主變解列時,其影響范圍將涉及到多條線路。因此,共享主變的外電源可靠性需更加重視。首先，必須保證外電源為獨立的兩路,即分別引自2座不同的220 kV變電站；其次，應考慮兩路電源高壓電纜通道的獨立敷設,防止進線電纜同時被挖斷以造成整座主變停電。

與非共享主變相比,1座共享主變可減少2個城市電網110 kV出線間隔及外電源通道,但所需申請的外電源容量也將大幅增加。這會對部分已投運的上級220 kV變電站造成較大的負荷壓力。為保證供電可靠性,需及時與電力部門溝通協商其上級220 kV變電站的擴容改造事宜。

2.3 主變容量選擇

在線路運營初、近期,主變長期輕載運行,負荷率普遍較低,從而會造成大量的設備浪費和空載損耗,增加運營成本。為了合理選擇主變容量,首先，應根據線路的初、近、遠期的行車密度,仿真計算得出牽引負荷；然后，再考慮車站動力照明負荷,得出不同時期較為精準的用電負荷；最后，經技術經濟綜合比較后確定主變壓器容量和更換時間節點。

2.4 主變資源共享方式

主變共享方式可分為土建共享和電氣共享。其中,土建共享分為主變所址共享和電纜通道共享;電氣共享分為110 kV側共享和35 kV側共享。其可靠性和經濟性比較如表1。由表1可知,兩種電氣共享方式均有良好的可靠性、經濟性,但具體采用何種共享方式,還需從諧波影響、負荷波動影響、運行管理、電網匹配性、成本投資等方面進行技術經濟綜合比較后確定。

表1 兩種主變資源共享方案的可靠性和經濟性比較

2.5 主變供電分區劃分

中壓供電網絡分區劃分方案是否合理直接影響到供電系統可靠性、工程投資、運營管理、運營成本等。兩種主要劃分方案的比較見表2。

表2 兩種供電分區劃分方案比較

2.6 主變電力調度協調

多線共享主變資源時,解決共享主變內設備的電力調度權限問題一般有獨立調度和主從調度2種模式。兩種調度模式對比見表3。

(1) 獨立調度模式。各線路的電調系統僅對其供電范圍內的所有設備進行調度監控。對于共享主變內不同線路的共享設備由先建線路的電調系統進行調度,后期共享線路的電調系統只監視不控制。其優點是分工明確,職責清晰；其缺點是接口繁雜,信息流復雜。

(2) 主從調度模式。按“先建為主”的原則,先建線路的電調系統負責對共享主變內所有設備進行調度監控,后期共享線路對共享主變內所有設備只監視不控制。其優點是接口簡單，其缺點是職責與權限不統一。

表3 兩種調度模式對比

共享主變電力調度協調機制的設置還需考慮相關線路的建設周期。先期建設線路控制中心電力調度應依據線路規劃和主變電所資源共享規劃配置變電所綜合自動化系統設備,為后期升級改造預留接口和系統容量。

線網達一定規模后,當共享主變因故解列時,對應共享線路的其它主變需對其進行支援供電。此時,倒閘作業操作需要多個線路級電力調度中心協同配合,故信息交流復雜,協同作業要求高。因此,建議建設線網級運營控制中心以適應主變共享后的網絡化運營需求,實現對各條線路的可靠供電。

3 案例分析

根據寧波市軌道交通線網規劃方案,結合共享主變設計原則,設計出寧波市線網主變資源共享推薦方案,并進行供電可靠性和投資效益分析。

3.1 線網概況

寧波市軌道交通遠景線網規劃由10條線組成(包含2條快線)。2020年的規劃網規模為271.6 km，車站189座。遠期規劃線網總規模將達409 km，車站255座。至2016年1月底,寧波市第一輪

建設規劃的1號線一期、2號線一期已開通運營,1號線二期正空載試運行,第二輪建設規劃的2號線二期、4號線也已開工建設。寧波市軌道交通線網規劃方案如表4所示。

表4 寧波市線網規劃方案

3.2 主變資源共享推薦方案

基于寧波市線網遠景規劃進行主變資源共享研究設計主變資源共享推薦方案如表5所示,線網主變布局如圖2所示。本推薦方案共設置13座主變電所,其中，三線共享主變4座,兩線共享主變8座,非共享主變1座。

表5 遠景規劃線網主變布局

圖2 寧波市軌道交通遠景規劃線網資源共享模式下的主變布局

3.3 供電能力及可靠性分析

根據線網規劃,初步估計推薦方案中共享主變在正常供電方式、支援供電方式下的供電半徑,如表6所示。

由表6可知,正常運行方式下,各線路主變的設置均能滿足供電能力要求,可保證供電可靠性。支援供電方式下,K1線鎮海大道主變、K2線云龍主變供電半徑較長,無法滿足供電能力要求,但可通過以下途徑保證供電能力:

(1) 當聯豐解列時,K2線云龍主變支援供電距離約為42 km,可通過望童路站的環網聯絡開關由望春主變向聯豐主變支援供電。K2線正常運行方式下,望春主變對其熱備用。

(2) 當堇山主變解列時,K1線鎮海大道主變支援供電距離約為32 km,可通過鄞州工業園區西站的環網聯絡開關由方橋主變向堇山主變支援供電。K1線正常運行方式下,方橋主變對其熱備用。

綜上分析,本線網主變共享方案滿足供電能力要求,確保了整個線網供電的可靠性。

3.4 效益分析

3.4.1 社會效益分析

對軌道交通線網進行主變資源共享優化后,至少可帶來以下幾方面的社會效益:①大幅減少主變總占地面積,節約土地資源,減輕規劃部門壓力,減小征地難度;②減少公用電網110 kV 出線間隔,同時提高了單回路的供電容量利用率,充分利用設備資源;③減少大量的高壓電纜及電纜通道敷設;④減少運營管理和檢修人員;⑤有益于軌道交通電網集中管理和自動化設備的采用。

3.4.2 經濟效益分析

優化前后經濟效益對比分析如表7所示。

由表7可見,實施線網主變經資源共享后,110 kV主變數量由27座減少至13座,公用電網110 kV出線間隔節省了28個,占地節省約49 000 m2,減少了工程投資。

表6 推薦方案的主變供電距離

表7 主變布局優化前后經濟效益對比

4 結語

總體而言,在遵循資源共享設計原則和妥善解決實施過程中關鍵問題的基礎上,在線網規劃階段,針對整個城市軌道交通線網制定主變資源共享方案可節省大量資源,提高設備利用率和系統運營管理效率,同時還將產生額外的社會效益。

[1] 方昌福,張海波.深圳市軌道交通在資源共享方面的初步嘗試[J].都市快軌交通,2004(6):12.

[2] 馬凌晨,薛輝,張明銳.軌道交通供電系統主變電站的資源共享[J].城市軌道交通研究,2005(2):6.

[3] 蘇鵬程.城市軌道交通的資源共享技術[C]∥中國土木工程學會城市軌道交通技術工作委員會.2013年中國城市國道交通關鍵技術論文集-高水平建設城市軌道交通.北京:都市快軌交通雜志社,2013.

[4] 劉曉輝,肖濤谷,鐘建恩.數字通信過電流選跳保護在地鐵大環網供電系統中的應用[J].城市軌道交通研究,2015(6):137.

Resource Sharing at Urban Rail Transit Main Substationg

GONG Xiaodong

To improve the use of valuable electricity and land resources, it is necessary to optimize the allocation of the main substation resource at the early planning stage of line networking, and study the resource sharing issues. Through anaIysis and classification of the resource sharing principle, the technology route for main substation resource sharing and some key problems deserving attention are put forward. Finally, combined with the actual project, the power supply reliability and economic benefits through the implementation of the main substation resource sharing are further analyzed.

urban rail transit; networking; main substation; resource sharing

U 231.8

10.16037/j.1007-869x.2016.09.019

2016-02-26)