龔曉冬

(上海市隧道工程軌道交通設(shè)計研究院,200235,上?！喂こ處?

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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(shè)計研究院,200235,上?！喂こ處?

為優(yōu)化利用日益寶貴的城市電力、土地等資源,應(yīng)在建設(shè)規(guī)劃階段對線網(wǎng)主變電所(以下簡稱“主變”)設(shè)置進行優(yōu)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(shù)路線和值得關(guān)注的若干關(guān)鍵問題。最后,結(jié)合工程實例,對實施主變資源共享后供電系統(tǒng)的可靠性及經(jīng)濟效益作了進一步分析。

城市軌道交通; 網(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展,新建線路主變電所(以下簡稱“主變”)的設(shè)置與城市電力資源稀缺、中心城區(qū)用地緊缺等外部條件間的矛盾也愈發(fā)凸顯。究其原因，一方面是由于城市軌道交通建設(shè)早期僅考慮了單線建設(shè)模式；另一方面則是由于建設(shè)規(guī)劃階段不同，故現(xiàn)階段建設(shè)未考慮對后期規(guī)劃新線的統(tǒng)一納入考慮,從而導(dǎo)致未對整個線網(wǎng)進行主變布局。近年來,如何在城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展過程中實現(xiàn)主變資源共享,并在滿足供電可靠性前提下節(jié)約投資已成為線網(wǎng)規(guī)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(wǎng)規(guī)劃中針對主變資源優(yōu)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(shù)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(tǒng)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(yīng)與軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃相匹配,按照遠景網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃進行主變布局,結(jié)合中、遠期線路建設(shè)時序進行方案設(shè)計。

(3) 主變布局應(yīng)與城市電網(wǎng)發(fā)展相互協(xié)調(diào)、共同建設(shè),并與城市規(guī)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(yīng)設(shè)2座或2座以上主變(含35 kV開關(guān)站),且盡可能位于線路負荷中心,以保證供電質(zhì)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(shè)計原則

(1) 每座主變應(yīng)從城市電網(wǎng)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(wǎng)變電站,也可引自同一城市電網(wǎng)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(yīng))采用不同溝電纜排管的敷設(shè)方式引入。

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

1.1.2 主變選址原則

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

(2) 當主變選址與城市用地發(fā)生矛盾時,應(yīng)服從城市規(guī)劃總體要求。

(3) 為減少拆遷、降低投資,應(yīng)盡量避免在用地緊張的中心城區(qū)建設(shè)主變。

(4) 主變應(yīng)盡量靠近軌道交通車站布置,以降低中壓電纜通道設(shè)置難度。

(5) 對于處于線網(wǎng)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(nèi)設(shè)置主變。

1.1.3 主變?nèi)萘吭O(shè)計原則

(1) 主變?nèi)萘繎?yīng)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(shè)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(qū)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(yīng)能承擔本主變供電范圍內(nèi)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(yīng)越區(qū)供電以承擔故障區(qū)域內(nèi)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(shè)計原則

(1) 為保證線網(wǎng)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(wǎng)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?cè)萘康南拗?應(yīng)適當縮短其在每條線路中的供電范圍。

(4) 主變110 kV側(cè)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(cè)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(guān)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(shù)路線

根據(jù)以往城市軌道交通線網(wǎng)主變規(guī)劃的設(shè)計經(jīng)驗,提出制定線網(wǎng)主變資源共享方案的方法和步驟。具體技術(shù)路線見圖1。

圖1 主變資源共享技術(shù)路線圖

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

(2) 主變布點。結(jié)合既有及已規(guī)劃主變所址,并根據(jù)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(wǎng)主變進行布點并優(yōu)化。

(3) 供電可靠性分析及供電能力校核。根據(jù)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(diào)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(shè)時序與城市電網(wǎng)建設(shè)規(guī)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(jù)城市規(guī)劃并結(jié)合周邊用地及環(huán)境情況,分析主變選擇的可行性。若不滿足,返回步驟(2),調(diào)整主變布點。

(6) 供電分區(qū)劃分。對各線路35 kV中壓環(huán)網(wǎng)進行詳細的供電分區(qū)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(qū)劃分的合理性將直接影響供電系統(tǒng)的可靠性、工程投資、運營管理和成本等。

(7) 主變?nèi)萘吭O(shè)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(guī)劃布局進行社會、經(jīng)濟效益對比分析。

2 主變資源共享的關(guān)鍵問題探討

2.1 主變與線網(wǎng)的建設(shè)時序配合

軌道交通線路的建設(shè)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(shè)應(yīng)與共享線路建設(shè)時序相配合,并經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟綜合比較后選擇合理的建設(shè)模式。

若兩條或多條共享線路的建設(shè)時序較接近,則共享主變可由先建線路一次建成,再由后續(xù)線路分攤費用。若2條或多條共享線路的建設(shè)時序相差較大,則一次建成模式會因設(shè)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(guī)模建設(shè),并按多線共享模式進行土建預(yù)留。共享主變的110 kV進線電纜、110 kV開關(guān)、繼電保護、電力監(jiān)控系統(tǒng)等電氣設(shè)備按照最終規(guī)模一次建成，并預(yù)留接口;35 kV開關(guān)分期實施，并在土建專業(yè)予以預(yù)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(qū)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(yīng)考慮兩路電源高壓電纜通道的獨立敷設(shè),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(wǎng)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(xié)商其上級220 kV變電站的擴容改造事宜。

2.3 主變?nèi)萘窟x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(shè)備浪費和空載損耗,增加運營成本。為了合理選擇主變?nèi)萘?首先，應(yīng)根據(jù)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(jīng)技術(shù)經(jīng)濟綜合比較后確定主變壓器容量和更換時間節(jié)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(cè)共享和35 kV側(cè)共享。其可靠性和經(jīng)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(jīng)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(wǎng)匹配性、成本投資等方面進行技術(shù)經(jīng)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(jīng)濟性比較

2.5 主變供電分區(qū)劃分

中壓供電網(wǎng)絡(luò)分區(qū)劃分方案是否合理直接影響到供電系統(tǒng)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(qū)劃分方案比較

2.6 主變電力調(diào)度協(xié)調(diào)

多線共享主變資源時,解決共享主變內(nèi)設(shè)備的電力調(diào)度權(quán)限問題一般有獨立調(diào)度和主從調(diào)度2種模式。兩種調(diào)度模式對比見表3。

(1) 獨立調(diào)度模式。各線路的電調(diào)系統(tǒng)僅對其供電范圍內(nèi)的所有設(shè)備進行調(diào)度監(jiān)控。對于共享主變內(nèi)不同線路的共享設(shè)備由先建線路的電調(diào)系統(tǒng)進行調(diào)度,后期共享線路的電調(diào)系統(tǒng)只監(jiān)視不控制。其優(yōu)點是分工明確,職責清晰；其缺點是接口繁雜,信息流復(fù)雜。

(2) 主從調(diào)度模式。按“先建為主”的原則,先建線路的電調(diào)系統(tǒng)負責對共享主變內(nèi)所有設(shè)備進行調(diào)度監(jiān)控,后期共享線路對共享主變內(nèi)所有設(shè)備只監(jiān)視不控制。其優(yōu)點是接口簡單，其缺點是職責與權(quán)限不統(tǒng)一。

表3 兩種調(diào)度模式對比

共享主變電力調(diào)度協(xié)調(diào)機制的設(shè)置還需考慮相關(guān)線路的建設(shè)周期。先期建設(shè)線路控制中心電力調(diào)度應(yīng)依據(jù)線路規(guī)劃和主變電所資源共享規(guī)劃配置變電所綜合自動化系統(tǒng)設(shè)備,為后期升級改造預(yù)留接口和系統(tǒng)容量。

線網(wǎng)達一定規(guī)模后,當共享主變因故解列時,對應(yīng)共享線路的其它主變需對其進行支援供電。此時,倒閘作業(yè)操作需要多個線路級電力調(diào)度中心協(xié)同配合,故信息交流復(fù)雜,協(xié)同作業(yè)要求高。因此,建議建設(shè)線網(wǎng)級運營控制中心以適應(yīng)主變共享后的網(wǎng)絡(luò)化運營需求,實現(xiàn)對各條線路的可靠供電。

3 案例分析

根據(jù)寧波市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃方案,結(jié)合共享主變設(shè)計原則,設(shè)計出寧波市線網(wǎng)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(wǎng)概況

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

建設(shè)規(guī)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(shè)規(guī)劃的2號線二期、4號線也已開工建設(shè)。寧波市軌道交通線網(wǎng)規(guī)劃方案如表4所示。

表4 寧波市線網(wǎng)規(guī)劃方案

3.2 主變資源共享推薦方案

基于寧波市線網(wǎng)遠景規(guī)劃進行主變資源共享研究設(shè)計主變資源共享推薦方案如表5所示,線網(wǎng)主變布局如圖2所示。本推薦方案共設(shè)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(guī)劃線網(wǎng)主變布局

圖2 寧波市軌道交通遠景規(guī)劃線網(wǎng)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(jù)線網(wǎng)規(guī)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(shè)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(zhèn)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(lián)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(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)由望春主變向聯(lián)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(zhèn)海大道主變支援供電距離約為32 km,可通過鄞州工業(yè)園區(qū)西站的環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)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(wǎng)主變共享方案滿足供電能力要求,確保了整個線網(wǎng)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(wǎng)進行主變資源共享優(yōu)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(jié)約土地資源,減輕規(guī)劃部門壓力,減小征地難度;②減少公用電網(wǎng)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(shè)備資源;③減少大量的高壓電纜及電纜通道敷設(shè);④減少運營管理和檢修人員;⑤有益于軌道交通電網(wǎng)集中管理和自動化設(shè)備的采用。

3.4.2 經(jīng)濟效益分析

優(yōu)化前后經(jīng)濟效益對比分析如表7所示。

由表7可見,實施線網(wǎng)主變經(jīng)資源共享后,110 kV主變數(shù)量由27座減少至13座,公用電網(wǎng)110 kV出線間隔節(jié)省了28個,占地節(jié)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(yōu)化前后經(jīng)濟效益對比

4 結(jié)語

總體而言,在遵循資源共享設(shè)計原則和妥善解決實施過程中關(guān)鍵問題的基礎(chǔ)上,在線網(wǎng)規(guī)劃階段,針對整個城市軌道交通線網(wǎng)制定主變資源共享方案可節(jié)省大量資源,提高設(shè)備利用率和系統(tǒng)運營管理效率,同時還將產(chǎn)生額外的社會效益。

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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)