城市軌道交通供電系統(tǒng)線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)應(yīng)用研究

王洪杰 林 珊 潘家穎

(1. 廣州地鐵設(shè)計研究院股份有限公司， 510010， 廣州；2. 佛山軌道交通設(shè)計研究院有限公司， 528315， 佛山∥第一作者， 工程師)

0 引言

我國各地城市軌道交通外部電源系統(tǒng)主要采用110 kV/35 kV兩級電壓集中供電方式[2]，每條線路設(shè)置多座主變電所，每座主變電所由城市電網(wǎng)引入兩路110 kV電源，通過主變壓器降壓為35 kV后向沿線各牽引變電所和降壓變電所供電[3-4]。根據(jù)GB 50157—2013《地鐵設(shè)計規(guī)范》規(guī)定，城市軌道交通牽引負荷、消防負荷、應(yīng)急照明負荷等為一級用電負荷，相關(guān)設(shè)計規(guī)范及手冊均將其可靠供電作為首要設(shè)計目標(biāo)，其供電必須采用非并列運行的雙電源雙回路供電。GB/T 30013—2013《城市軌道交通試運營基本條件》及交辦運[2019]17號《城市軌道交通初期運營前安全評估技術(shù)規(guī)范第1部分:地鐵和輕軌》亦規(guī)定，城市軌道交通開通試運營前應(yīng)進行相鄰主變電所支援供電測試，且相鄰電源點跨區(qū)支援供電時，應(yīng)仍然能滿足負載需求。

但根據(jù)我國各地城市軌道交通實際建設(shè)經(jīng)驗來看，在線路開通試運營前經(jīng)常存在由于土建滯后導(dǎo)致分段開通后全線主變電所間無法形成支援供電，或者主變電所建設(shè)滯后導(dǎo)致無法按期接入線路供電的情形，進而導(dǎo)致線路不滿足開通運營供電需求。文獻[8]提供了多種提高單一主變電所供電可靠性的方案，但這些方案對供電可靠性提高能力有限，仍然無法解決單一主變電所解列后全線供電需求。文獻[9]提出了在換乘站設(shè)置聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)化支援供電方案，并建立了數(shù)學(xué)模型，給出了優(yōu)化算法，但其基于分散式供電的城市軌道交通線路，這類線路在國內(nèi)建設(shè)中已經(jīng)越來越少，且文中更多基于理論計算，對工程實際實施缺少相關(guān)論證。

本文以近年多個采用線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)的城市軌道交通工程為案例，結(jié)合線網(wǎng)級電力調(diào)度平臺功能，分析線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)應(yīng)用的必要性及可行性，指出其工程應(yīng)用中應(yīng)重點考量的指標(biāo)等相關(guān)問題，提出不同建設(shè)時序線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)實施方案建議?？蔀樾陆ň€路可靠供電和網(wǎng)絡(luò)化運營線網(wǎng)靈活供電提供網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)保障。

1 線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)設(shè)置的必要性

城市軌道交通供電系統(tǒng)設(shè)置線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)的必要性主要基于以下3個需求：新建線路按期開通時保證電源點的需要，運維過程中靈活調(diào)整線路供電方式的需要，網(wǎng)絡(luò)化運營時期降低網(wǎng)損的需要。

1.1 保證電源點

根據(jù)前述的相關(guān)設(shè)計及運營規(guī)范要求，為保證城市軌道交通供電系統(tǒng)可靠性，每座主變電所需有兩路外部電源接入，單座主變電所解列后需由相鄰主變電所支援供電且滿足負載需要。但是，隨著近幾年國內(nèi)各大中城市軌道交通建設(shè)的大規(guī)模展開，因線路供電電源點不足而導(dǎo)致影響開通試運營的情況越來越多，此類工程情況大致分為兩種：

1) 主變電所建設(shè)進度滯后，無法按期投運。比如，2017年底開通的廣州地鐵9號線(以下簡稱“9號線”)，原供電設(shè)計中的白鱔塘主變電所，由于本體建設(shè)及110 kV電源接入滯后，開通時無法建成投運；2017年底開通的廣州地鐵13號線一期工程，原供電設(shè)計中的官湖主變電所，因110 kV電源接入滯后，開通時無法建成投運。

2) 線路分段建設(shè)或受土建進度限制分段開通，原供電設(shè)計中的主變電所無法接入。比如，2017年開通的南昌地鐵2號線一期及南延線工程，因分段開通，導(dǎo)致原供電設(shè)計中的塘子河主變電所無法接入；預(yù)計2024年開通的廣州地鐵10號線，受制于地鐵3號線支線拆解的工期需分段開通，原供電設(shè)計中的五山主變電所無法接入。

以上這些線路在開通時全線都僅有1座主變電所，供電可靠性不足，無法滿足開通運營評估需求。這些線路均在換乘站設(shè)置線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)，并將其作為后備電源或者臨時電源，以保證電源點需求，從而使線路得以順利開通。

1.2 靈活調(diào)整供電方式

根據(jù)廣州地鐵、深圳地鐵供電部門反饋，線路運營中，受計劃停電檢修、主變壓器擴容或單段35 kV出線回路故障影響，存在中壓網(wǎng)絡(luò)某個35 kV供電分區(qū)僅由1路35 kV電源長時間帶載情況，此時，若供電的35 kV回路出現(xiàn)故障必將導(dǎo)致此供電分區(qū)所有負荷失電，進而出現(xiàn)線路停運清客的嚴重情況。此時，若此供電分區(qū)內(nèi)存在換乘站并建設(shè)了線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)，運營部門則可以通過聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)靈活調(diào)整供電負荷分配，由聯(lián)絡(luò)線路主變電所對失電段進行支援供電，保證一級負荷的雙電源雙回路供電，大大增強了供電靈活性和可靠性。

1.3 降低網(wǎng)損

在我國城市軌道交通建設(shè)的前期階段，各線路供電系統(tǒng)中壓網(wǎng)絡(luò)僅在資源共享主變電所35 kV母線上有聯(lián)系，正線之間互相獨立，每條線路供電分區(qū)調(diào)整及負荷分配僅存在本線主變電所間環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)位置，負荷分配方式有限。隨著城市軌道交通進入網(wǎng)絡(luò)化運營時期，線網(wǎng)供電系統(tǒng)也進入網(wǎng)絡(luò)化運行階段，通過在換乘站設(shè)置線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)，可為線網(wǎng)潮流流動提供更多通路?？筛鶕?jù)各線路不同階段負荷情況，突破以線路為單位的供電調(diào)度約束，通過潮流計算找出全線網(wǎng)中壓系統(tǒng)附加損耗最小的網(wǎng)路結(jié)構(gòu)，進而重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，降低全線網(wǎng)網(wǎng)損，提高供電效能，降低運行成本。

2 線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)設(shè)置的可行性

從經(jīng)濟性角度考慮，為減少電纜敷設(shè)距離，一般考慮將線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)設(shè)置于換乘站，其物理實現(xiàn)較為簡單。在換乘站不同線路變電所35 kV開關(guān)柜室每段母線各增設(shè)1面35 kV出線開關(guān)柜，并敷設(shè)它們之間的35 kV聯(lián)絡(luò)電纜即可，只需保證設(shè)備房滿足增設(shè)的35 kV開關(guān)柜布置、設(shè)備開孔及聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)電纜敷設(shè)空間等需求。

除物理實現(xiàn)外，線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)實施是否可行還在于其實施后的供電能力。GB/T 30013—2013中第8.1.3條規(guī)定：“當(dāng)有外電源點退出、相鄰?fù)怆娫袋c跨區(qū)供電時仍能滿足負載需要?！苯晦k運[2019]17號文第40條規(guī)定：“具有相鄰主變電所支援供電測試合格報告，支援供電的能力和功能符合設(shè)計要求?！币虼耍ㄟ^線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)進行供電的重點是核算經(jīng)線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)重構(gòu)網(wǎng)絡(luò)后供電系統(tǒng)是否滿足各項供電質(zhì)量指標(biāo)，以確定其適宜的供電范圍及供電方式?？剂恐笜?biāo)主要為：① 主變壓器安裝容量滿足最大負荷時供電需求。對于油浸式變壓器，其最大過載能力一般取為額定容量的130%。② 最大供電負荷情況下，中壓網(wǎng)絡(luò)各節(jié)點電壓損失不宜超過5%。③ 線網(wǎng)中壓網(wǎng)絡(luò)各支路最大負荷電流不超過電纜最大允許載流量。④ 線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)涉及的供電分區(qū)繼電保護方案及定值應(yīng)能滿足安全可靠供電需求。

同時，既有線增設(shè)線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)時，還應(yīng)同步升級改造PSCADA(電力監(jiān)控)系統(tǒng)，以保證對線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)供電的可靠監(jiān)控。

3 不同建設(shè)時序線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)的設(shè)置原則

由于城市軌道交通是分期建設(shè)的，不同建設(shè)時序的線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)設(shè)置條件及工期互不匹配，且早期建設(shè)的線路基本均未考慮線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)的設(shè)置需求。因此線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)實施應(yīng)具體情況具體分析。結(jié)合不同線路建設(shè)時序，建議新線建設(shè)中按照以下原則進行線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)實施或條件預(yù)留。

1) 新建線路與既有線路間，新建線路建設(shè)中預(yù)留聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜柜位及聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)電纜通道條件，后續(xù)根據(jù)線網(wǎng)運營需求，確定是否對既有線路變電所改造實施聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)。

2) 同期建設(shè)新建線路間，除主變電所資源共享接入的換乘站外，其他換乘站均直接實施聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)。

3) 新建線路與后期建設(shè)線路間，新建線路建設(shè)中，根據(jù)線網(wǎng)規(guī)劃，在換乘站均預(yù)留后期線路建設(shè)時實施聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)的開關(guān)柜柜位及電纜通道條件。

為避免因前期線路建設(shè)中預(yù)留不足導(dǎo)致后期線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)無法實施的問題，建議各地在城市軌道交通建設(shè)中應(yīng)提前布局，在前期線網(wǎng)規(guī)劃階段即從全局化角度考慮供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化運行需求，做好線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)實施的相關(guān)預(yù)留工作。

4 工程實例

以9號線的線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)為例，分析其設(shè)置的必要性及可行性。

4.1 工程概況及背景

9號線由飛鵝嶺站至高增站(見圖1)，線路全長約20 km，全線設(shè)岐山和白鱔塘2座主變電所。2017年底開通試運營時，岐山主變電所僅建成1路110 kV外部電源，白鱔塘主變電所本體及2路外部電源均未建成，供電電源點嚴重不足，無法滿足開通需求。

4.2 線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)方案

9號線在高增站與3號線換乘。3號線高增站35 kV電源來自望崗主變電所，且所內(nèi)已預(yù)留實施線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜，故考慮在此站實施線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)，利用望崗主變電所經(jīng)3號線中壓網(wǎng)絡(luò)為9號線提供更多電源點，此情況下的9號線全線供電系統(tǒng)圖如圖2所示。

考慮岐山主變電所僅存在1路110 kV外部電源，為保證9號線各車站變電所均具備兩回獨立的33 kV電源供電，實施線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)支援供電后，全線供電系統(tǒng)運行方式如下：

1) 正常運行方式：岐山主變電所110 kV內(nèi)橋開關(guān)、II段33 kV進線開關(guān)、33 kV母聯(lián)開關(guān)及花果山公園站I段所間環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)打開，1路外電源+1臺主變壓器(I段)運行，為9號線第一和第二供電分區(qū)I段所有負荷供電，望崗主變電所通過線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)為9號線第三和第四供電分區(qū)I段及全線II段所有負荷供電。

2) 故障運行方式：① 岐山主變電所I段故障時，切除全線所有三級負荷，閉合花果山公園站I段所間環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，望崗主變電所為9號線全線所有剩余負荷供電。② 高增站I段線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)故障時，閉合花果山公園站I段環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，岐山主變電所為9號線全線I段所有負荷供電，望崗主變電所為9號線全線II段所有負荷供電。③ 高增站II段聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)故障時，切除II段所有三級負荷，岐山主變電所閉合110 kV內(nèi)橋開關(guān)及II段33 kV進線開關(guān)，1路外電源+2臺主變壓器運行，為9號線第一和第二供電分區(qū)I段及全線II段所有負荷供電，望崗主變電所為9號線第三和第四供電分區(qū)I段所有負荷供電。④ 高增站I段及II段聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)均故障或望崗主變電所解列時，切除全線三級負荷，閉合花果山公園站I段環(huán)網(wǎng)聯(lián)絡(luò)開關(guān)，閉合岐山主變電所110 kV內(nèi)橋開關(guān)及II段33 kV進線開關(guān)，岐山主變電所1路外電源+2臺主變壓器運行，為9號線全線所有剩余負荷供電。

4.3 線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)支援供電能力分析

根據(jù)9號線施工圖提資(6B車型，最高運行速度120 km/h，初期高峰小時12對/h)及3號線運行實測數(shù)據(jù)，相應(yīng)負荷統(tǒng)計如表1—表2所示。

表1 廣州地鐵9號線開通試運營初期負荷統(tǒng)計

表2 廣州地鐵3號線望崗主變電所實測運行負荷

岐山主變電所設(shè)計之初即要滿足白鱔塘主變電所故障時供電全線一級和二級負荷的需求，因此只需校驗望崗主變電所通過線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)支援供電時各運行方式下相關(guān)供電質(zhì)量指標(biāo)。

4.3.1 主變壓器容量校驗

根據(jù)各運行方式下供電范圍，望崗主變電所II段供電最大負荷發(fā)生在正常供電時，I段最大負荷發(fā)生在岐山主變電所解列時，如表3所示。

望崗主變電所通過線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)支援9號線供電時最大負載率僅為83%，安裝容量滿足供電需求。

4.3.2 電壓損失校驗

望崗主變電所通過線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)支援9號線供電時，最大供電距離為供電至岐山車輛段，電纜路徑長約為36 km。由于9號線開通試運營初期負荷較輕，經(jīng)仿真計算，線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)支援9號線供電時最大電壓損失僅為4.32%，滿足規(guī)范要求。

4.3.3 各支路電纜載流量校驗

望崗主變電所到高增站線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)電纜截面為240 mm2，理想條件最大載流量約為560 A，考慮0.8校正系數(shù)后，最大允許載流量取為448 A。

表3 望崗主變電所容量核算

根據(jù)表3計算負荷，望崗主變電所通過高增站線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)支援9號線供電時，最大負荷電流出現(xiàn)在正常運行方式下望崗主變電所供電9號線II段所有負荷時，供電電纜為望崗主變電所高增站出線電纜。經(jīng)仿真計算，此時電流約為360 A<448 A，電纜截面滿足載流量需求。

4.3.4 繼電保護定值調(diào)整

為保證線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)兩側(cè)開關(guān)柜差動保護裝置及流互匹配，9號線高增站變電所聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)開關(guān)柜采用與3號線既有開關(guān)柜相同的差動保護裝置GRL150及流互變比。

同時，經(jīng)查詢3號線望崗主變電所高增站出線兩側(cè)開關(guān)柜綜合保護裝置定值，其過電流一次值僅為410 A，對應(yīng)通過高增站線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)支援9號線供電時此支路最大負荷電流360 A，其可靠系數(shù)僅為1.13，低于通常的1.2～1.3，因此需調(diào)大此出線兩側(cè)開關(guān)柜定值，以增強供電可靠性。

為盡可能防止保護誤動作，考慮調(diào)整定值。以對應(yīng)支路最大允許載流量448 A作為整定基準(zhǔn)值，可靠系數(shù)取為1.3。經(jīng)計算，此段環(huán)網(wǎng)電纜在最小運行方式下非單相短路最小短路電流約2 500 A，此時，繼電保護仍具有足夠靈敏性，調(diào)整方式可行。同時，為盡量避免9號線故障時對3號線運行造成誤動作，在高增站線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)兩側(cè)開關(guān)柜間設(shè)置時間級差。調(diào)整后保護定值見表4。

表4 廣州地鐵9號線和3號線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)供電繼電保護整定值調(diào)整表

由上述分析可知，通過設(shè)置線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)進行線間主變電所支援供電是完全可行的，只需在設(shè)計階段完成相關(guān)供電指標(biāo)校驗及繼電保護定值調(diào)整計算，確保線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)供電范圍及供電方式合理即可。9號線自2017年底開通運行至今，白鱔塘主變電所仍未能投產(chǎn)，一直通過高增站線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)支援供電，9號線供電系統(tǒng)已穩(wěn)定可靠運行5年之久。

5 基于線網(wǎng)級電力調(diào)度平臺的線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)應(yīng)用

隨著城市軌道交通網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，供電系統(tǒng)也向著線網(wǎng)化運行發(fā)展，按線路進行電力調(diào)度的模式已經(jīng)難以滿足主變電所及中壓環(huán)網(wǎng)快速靈活調(diào)整的需求，在支援供電、故障快速恢復(fù)供電、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)度等方面，缺乏有效的分析手段。因此，城市軌道交通供電系統(tǒng)電力調(diào)度宜從線路供電調(diào)度模式向線網(wǎng)供電調(diào)度模式發(fā)展。目前，廣州、長沙、上海、南京等城市的軌道交通已逐步開始建設(shè)線網(wǎng)級電力調(diào)度平臺。

線網(wǎng)級電力調(diào)度平臺建成后，通過在該平臺建立全線網(wǎng)供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型，可實現(xiàn)全線網(wǎng)供電系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓撲、潮流計算、短路電流計算、靜態(tài)安全分析、供電系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)度等功能，從而實現(xiàn)全線網(wǎng)潮流最優(yōu)化配置，解決傳統(tǒng)電力調(diào)度模式下一座主變電所對多條線路供電時的調(diào)度復(fù)雜性難題。在計劃調(diào)整線網(wǎng)運行方式或突發(fā)故障時，通過調(diào)度方案模擬和供電能力分析，可以快速恢復(fù)供電，實現(xiàn)全線網(wǎng)主變電所靈活供電。線網(wǎng)級電力調(diào)度平臺建成后，線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)的可操作性和效益將進一步顯現(xiàn)，其規(guī)?；O(shè)置將為線網(wǎng)靈活調(diào)度、潮流優(yōu)化配置、最優(yōu)潮流網(wǎng)絡(luò)重構(gòu)等需求提供堅強的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)。

6 結(jié)語

城市軌道交通線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)不僅可以為建設(shè)中因各種原因?qū)е鹿╇婋娫袋c不足的線路順利開通提供臨時或后備電源點，亦可為網(wǎng)絡(luò)化運營線網(wǎng)靈活調(diào)整供電方式提供網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)基礎(chǔ)。

本文以近幾年采用線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)順利開通的多條線路為佐證，結(jié)合廣州地鐵9號線與3號線線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)工程實例的具體分析，明確了線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)實施的必要性和可行性；針對不同建設(shè)時序線路間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)，提出了合理的實施原則及建議。隨著線網(wǎng)級電力調(diào)度平臺的建設(shè)，線間聯(lián)絡(luò)環(huán)網(wǎng)將進一步顯現(xiàn)其在線網(wǎng)供電系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)靈活配置中的巨大作用。