龚晓冬

(上海市隧道工程轨道交通设计研究院,200235,上海∥工程师)



城市轨道交通主变电所资源共享问题研究

龚晓冬

(上海市隧道工程轨道交通设计研究院,200235,上海∥工程师)

为优化利用日益宝贵的城市电力、土地等资源,应在建设规划阶段对线网主变电所(以下简称“主变”)设置进行优化,并有必要开展主变资源共享问题研究。对主变资源共享原则进行分析和梳理,提出了开展主变共享研究的技术路线和值得关注的若干关键问题。最后,结合工程实例,对实施主变资源共享后供电系统的可靠性及经济效益作了进一步分析。

城市轨道交通; 网络化; 主变电所; 资源共享

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

随着轨道交通网络化的发展,新建线路主变电所(以下简称“主变”)的设置与城市电力资源稀缺、中心城区用地紧缺等外部条件间的矛盾也愈发凸显。究其原因，一方面是由于城市轨道交通建设早期仅考虑了单线建设模式；另一方面则是由于建设规划阶段不同，故现阶段建设未考虑对后期规划新线的统一纳入考虑,从而导致未对整个线网进行主变布局。近年来,如何在城市轨道交通网络化发展过程中实现主变资源共享,并在满足供电可靠性前提下节约投资已成为线网规划阶段的重要研究课题之一。上海、广州、深圳等城市已分别于近年完成了轨道交通线网规划中针对主变资源优化共享的专项课题并取得了阶段性成果。

1 主变资源共享的原则及技术路线

1.1 总体原则

(1) 主变资源共享必须以保证轨道交通供电系统的必要功能及可靠性为前提,切不可“为了共享而共享”。

(2) 主变布局应与轨道交通线网规划相匹配,按照远景网络规划进行主变布局,结合中、远期线路建设时序进行方案设计。

(3) 主变布局应与城市电网发展相互协调、共同建设,并与城市规划部门及时沟通,确保主变用地的落实。

(4) 每条轨道交通线路一般应设2座或2座以上主变(含35 kV开关站),且尽可能位于线路负荷中心,以保证供电质量。当2条轨道交通线路相交或相邻时,宜考虑主变资源共享。

1.1.1 外部电源设计原则

(1) 每座主变应从城市电网引入两回相对独立的电源,其中至少有一回为专用电源。两回电源可引自不同的城市电网变电站,也可引自同一城市电网变电站的不同母线。

(2) 两线(多线)共享的主变,其2路电源进线宜(应)采用不同沟电缆排管的敷设方式引入。

(3) 每座主变引入的2路电源应互为备用,当其中一路发生故障或检修停电时,另1路电源应能承担该主变供电范围内的一、二级负荷。

1.1.2 主变选址原则

(1) 主变选址应对外电源位置、供电能力、规划要求、征地条件、负荷位置等多方面进行经济、技术综合分析后最终确定。

(2) 当主变选址与城市用地发生矛盾时,应服从城市规划总体要求。

(3) 为减少拆迁、降低投资,应尽量避免在用地紧张的中心城区建设主变。

(4) 主变应尽量靠近轨道交通车站布置,以降低中压电缆通道设置难度。

(5) 对于处于线网外围的市郊线路,在征地困难情况下,若车辆段位置相对合理,可在车辆段内设置主变。

1.1.3 主变容量设计原则

(1) 主变容量应基于本线路负荷分布、供电范围、行车组织等因素,同时考虑支援供电方式下所需容量,综合分析后确定。

(2) 主变设2台及以上主变压器,正常情况下各主变压器分列运行,向各自供电分区的牵引与动力照明负荷供电。

(3) 当1台主变压器退出运行时,另1台主变压器应能承担本主变供电范围内的一、二级负荷。

(4) 当1座主变退出运行时(不考虑中压母线同时故障),其相邻主变应越区供电以承担故障区域内的一、二级负荷;对于同时向几条轨道交通线路供电的共享主变,容量确定仅考虑与其相邻的1座主变解列的情况。

1.1.4 供电可靠性设计原则

(1) 为保证线网运行的可靠性,一般共享主变供电线路不宜超过3条。

(2) 不考虑整个线网中有2座及以上主变同时解列的情况。

(3) 正常供电方式下,主变供电半径宜为15～20 km;向相邻主变支援供电时,为保证末端压降不大于5%,供电半径最远不超过30 km。对于共享主变,特别是3线共享主变,由于受到总容量的限制,应适当缩短其在每条线路中的供电范围。

(4) 主变110 kV侧接线宜简化,可采用线路-变压器组、桥接等方式。共享主变35 kV侧可采用T接、一级母线方式、两级母线方式等。

(5) 后建线路可采用35 kV开关站模式,其两路进线电源引自共享主变的两段35 kV母线。

1.2 技术路线

根据以往城市轨道交通线网主变规划的设计经验,提出制定线网主变资源共享方案的方法和步骤。具体技术路线见图1。

图1 主变资源共享技术路线图

(1) 资料搜集与分析。搜集城市规划、轨道交通线网规划、既有及已规划主变布点方案、城市电网既有及规划布局、运营及在建工程供电系统设计方案等相关基础资料。对资料进行归纳整理、分类分析,尤其是要理清线网中各条线路的建设时序。

(2) 主变布点。结合既有及已规划主变所址,并根据主变资源共享原则及要求,以满足供电可靠性为前提对线网主变进行布点并优化。

(3) 供电可靠性分析及供电能力校核。根据主所布点情况,校核每座主变在支援供电情况下的供电半径是否满足供电能力要求。若不满足,则返回步骤(2),调整主变布点,直至满足要求为止。

(4) 外电源引入条件。研究主变建设时序与城市电网建设规划的匹配性,分析主变是否具备接入上级电源的条件。若不具备,则返回步骤(2)。

(5) 征地条件。根据城市规划并结合周边用地及环境情况,分析主变选择的可行性。若不满足,返回步骤(2),调整主变布点。

(6) 供电分区划分。对各线路35 kV中压环网进行详细的供电分区划分,确定各主变在正常运行方式下及支援供电方式下的供电范围。供电分区划分的合理性将直接影响供电系统的可靠性、工程投资、运营管理和成本等。

(7) 主变容量设计。综合考虑线路负荷分布、供电范围、行车组织和共享线路负荷等因素初步确定主变安装容量。

(8) 效益分析。对单线模式和资源共享模式下的主变规划布局进行社会、经济效益对比分析。

2 主变资源共享的关键问题探讨

2.1 主变与线网的建设时序配合

轨道交通线路的建设期一般为3～5年。考虑到主变的固定电费和空载损耗,共享主变的建设应与共享线路建设时序相配合,并经技术经济综合比较后选择合理的建设模式。

若两条或多条共享线路的建设时序较接近,则共享主变可由先建线路一次建成,再由后续线路分摊费用。若2条或多条共享线路的建设时序相差较大,则一次建成模式会因设备轻载而造成大量浪费。此时,共享主变的容量可按先建线路的规模建设,并按多线共享模式进行土建预留。共享主变的110 kV进线电缆、110 kV开关、继电保护、电力监控系统等电气设备按照最终规模一次建成，并预留接口;35 kV开关分期实施，并在土建专业予以预留。

2.2 主变外电源可靠性

非共享主变解列退出时,其仅影响本线路部分区段的供电运行。而共享主变解列时,其影响范围将涉及到多条线路。因此,共享主变的外电源可靠性需更加重视。首先，必须保证外电源为独立的两路,即分别引自2座不同的220 kV变电站；其次，应考虑两路电源高压电缆通道的独立敷设,防止进线电缆同时被挖断以造成整座主变停电。

与非共享主变相比,1座共享主变可减少2个城市电网110 kV出线间隔及外电源通道,但所需申请的外电源容量也将大幅增加。这会对部分已投运的上级220 kV变电站造成较大的负荷压力。为保证供电可靠性,需及时与电力部门沟通协商其上级220 kV变电站的扩容改造事宜。

2.3 主变容量选择

在线路运营初、近期,主变长期轻载运行,负荷率普遍较低,从而会造成大量的设备浪费和空载损耗,增加运营成本。为了合理选择主变容量,首先，应根据线路的初、近、远期的行车密度,仿真计算得出牵引负荷；然后，再考虑车站动力照明负荷,得出不同时期较为精准的用电负荷；最后，经技术经济综合比较后确定主变压器容量和更换时间节点。

2.4 主变资源共享方式

主变共享方式可分为土建共享和电气共享。其中,土建共享分为主变所址共享和电缆通道共享;电气共享分为110 kV侧共享和35 kV侧共享。其可靠性和经济性比较如表1。由表1可知,两种电气共享方式均有良好的可靠性、经济性,但具体采用何种共享方式,还需从谐波影响、负荷波动影响、运行管理、电网匹配性、成本投资等方面进行技术经济综合比较后确定。

表1 两种主变资源共享方案的可靠性和经济性比较

2.5 主变供电分区划分

中压供电网络分区划分方案是否合理直接影响到供电系统可靠性、工程投资、运营管理、运营成本等。两种主要划分方案的比较见表2。

表2 两种供电分区划分方案比较

2.6 主变电力调度协调

多线共享主变资源时,解决共享主变内设备的电力调度权限问题一般有独立调度和主从调度2种模式。两种调度模式对比见表3。

(1) 独立调度模式。各线路的电调系统仅对其供电范围内的所有设备进行调度监控。对于共享主变内不同线路的共享设备由先建线路的电调系统进行调度,后期共享线路的电调系统只监视不控制。其优点是分工明确,职责清晰；其缺点是接口繁杂,信息流复杂。

(2) 主从调度模式。按“先建为主”的原则,先建线路的电调系统负责对共享主变内所有设备进行调度监控,后期共享线路对共享主变内所有设备只监视不控制。其优点是接口简单，其缺点是职责与权限不统一。

表3 两种调度模式对比

共享主变电力调度协调机制的设置还需考虑相关线路的建设周期。先期建设线路控制中心电力调度应依据线路规划和主变电所资源共享规划配置变电所综合自动化系统设备,为后期升级改造预留接口和系统容量。

线网达一定规模后,当共享主变因故解列时,对应共享线路的其它主变需对其进行支援供电。此时,倒闸作业操作需要多个线路级电力调度中心协同配合,故信息交流复杂,协同作业要求高。因此,建议建设线网级运营控制中心以适应主变共享后的网络化运营需求,实现对各条线路的可靠供电。

3 案例分析

根据宁波市轨道交通线网规划方案,结合共享主变设计原则,设计出宁波市线网主变资源共享推荐方案,并进行供电可靠性和投资效益分析。

3.1 线网概况

宁波市轨道交通远景线网规划由10条线组成(包含2条快线)。2020年的规划网规模为271.6 km，车站189座。远期规划线网总规模将达409 km，车站255座。至2016年1月底,宁波市第一轮

建设规划的1号线一期、2号线一期已开通运营,1号线二期正空载试运行,第二轮建设规划的2号线二期、4号线也已开工建设。宁波市轨道交通线网规划方案如表4所示。

表4 宁波市线网规划方案

3.2 主变资源共享推荐方案

基于宁波市线网远景规划进行主变资源共享研究设计主变资源共享推荐方案如表5所示,线网主变布局如图2所示。本推荐方案共设置13座主变电所,其中，三线共享主变4座,两线共享主变8座,非共享主变1座。

表5 远景规划线网主变布局

图2 宁波市轨道交通远景规划线网资源共享模式下的主变布局

3.3 供电能力及可靠性分析

根据线网规划,初步估计推荐方案中共享主变在正常供电方式、支援供电方式下的供电半径,如表6所示。

由表6可知,正常运行方式下,各线路主变的设置均能满足供电能力要求,可保证供电可靠性。支援供电方式下,K1线镇海大道主变、K2线云龙主变供电半径较长,无法满足供电能力要求,但可通过以下途径保证供电能力:

(1) 当联丰解列时,K2线云龙主变支援供电距离约为42 km,可通过望童路站的环网联络开关由望春主变向联丰主变支援供电。K2线正常运行方式下,望春主变对其热备用。

(2) 当堇山主变解列时,K1线镇海大道主变支援供电距离约为32 km,可通过鄞州工业园区西站的环网联络开关由方桥主变向堇山主变支援供电。K1线正常运行方式下,方桥主变对其热备用。

综上分析,本线网主变共享方案满足供电能力要求,确保了整个线网供电的可靠性。

3.4 效益分析

3.4.1 社会效益分析

对轨道交通线网进行主变资源共享优化后,至少可带来以下几方面的社会效益:①大幅减少主变总占地面积,节约土地资源,减轻规划部门压力,减小征地难度;②减少公用电网110 kV 出线间隔,同时提高了单回路的供电容量利用率,充分利用设备资源;③减少大量的高压电缆及电缆通道敷设;④减少运营管理和检修人员;⑤有益于轨道交通电网集中管理和自动化设备的采用。

3.4.2 经济效益分析

优化前后经济效益对比分析如表7所示。

由表7可见,实施线网主变经资源共享后,110 kV主变数量由27座减少至13座,公用电网110 kV出线间隔节省了28个,占地节省约49 000 m2,减少了工程投资。

表6 推荐方案的主变供电距离

表7 主变布局优化前后经济效益对比

4 结语

总体而言,在遵循资源共享设计原则和妥善解决实施过程中关键问题的基础上,在线网规划阶段,针对整个城市轨道交通线网制定主变资源共享方案可节省大量资源,提高设备利用率和系统运营管理效率,同时还将产生额外的社会效益。

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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)