城市轨道交通供电系统线间联络环网应用研究

王洪杰 林 珊 潘家颖

(1. 广州地铁设计研究院股份有限公司， 510010， 广州；2. 佛山轨道交通设计研究院有限公司， 528315， 佛山∥第一作者， 工程师)

0 引言

我国各地城市轨道交通外部电源系统主要采用110 kV/35 kV两级电压集中供电方式[2]，每条线路设置多座主变电所，每座主变电所由城市电网引入两路110 kV电源，通过主变压器降压为35 kV后向沿线各牵引变电所和降压变电所供电[3-4]。根据GB 50157—2013《地铁设计规范》规定，城市轨道交通牵引负荷、消防负荷、应急照明负荷等为一级用电负荷，相关设计规范及手册均将其可靠供电作为首要设计目标，其供电必须采用非并列运行的双电源双回路供电。GB/T 30013—2013《城市轨道交通试运营基本条件》及交办运[2019]17号《城市轨道交通初期运营前安全评估技术规范第1部分:地铁和轻轨》亦规定，城市轨道交通开通试运营前应进行相邻主变电所支援供电测试，且相邻电源点跨区支援供电时，应仍然能满足负载需求。

但根据我国各地城市轨道交通实际建设经验来看，在线路开通试运营前经常存在由于土建滞后导致分段开通后全线主变电所间无法形成支援供电，或者主变电所建设滞后导致无法按期接入线路供电的情形，进而导致线路不满足开通运营供电需求。文献[8]提供了多种提高单一主变电所供电可靠性的方案，但这些方案对供电可靠性提高能力有限，仍然无法解决单一主变电所解列后全线供电需求。文献[9]提出了在换乘站设置联络环网的网络化支援供电方案，并建立了数学模型，给出了优化算法，但其基于分散式供电的城市轨道交通线路，这类线路在国内建设中已经越来越少，且文中更多基于理论计算，对工程实际实施缺少相关论证。

本文以近年多个采用线间联络环网的城市轨道交通工程为案例，结合线网级电力调度平台功能，分析线间联络环网应用的必要性及可行性，指出其工程应用中应重点考量的指标等相关问题，提出不同建设时序线间联络环网实施方案建议。可为新建线路可靠供电和网络化运营线网灵活供电提供网络架构保障。

1 线间联络环网设置的必要性

城市轨道交通供电系统设置线间联络环网的必要性主要基于以下3个需求：新建线路按期开通时保证电源点的需要，运维过程中灵活调整线路供电方式的需要，网络化运营时期降低网损的需要。

1.1 保证电源点

根据前述的相关设计及运营规范要求，为保证城市轨道交通供电系统可靠性，每座主变电所需有两路外部电源接入，单座主变电所解列后需由相邻主变电所支援供电且满足负载需要。但是，随着近几年国内各大中城市轨道交通建设的大规模展开，因线路供电电源点不足而导致影响开通试运营的情况越来越多，此类工程情况大致分为两种：

1) 主变电所建设进度滞后，无法按期投运。比如，2017年底开通的广州地铁9号线(以下简称“9号线”)，原供电设计中的白鳝塘主变电所，由于本体建设及110 kV电源接入滞后，开通时无法建成投运；2017年底开通的广州地铁13号线一期工程，原供电设计中的官湖主变电所，因110 kV电源接入滞后，开通时无法建成投运。

2) 线路分段建设或受土建进度限制分段开通，原供电设计中的主变电所无法接入。比如，2017年开通的南昌地铁2号线一期及南延线工程，因分段开通，导致原供电设计中的塘子河主变电所无法接入；预计2024年开通的广州地铁10号线，受制于地铁3号线支线拆解的工期需分段开通，原供电设计中的五山主变电所无法接入。

以上这些线路在开通时全线都仅有1座主变电所，供电可靠性不足，无法满足开通运营评估需求。这些线路均在换乘站设置线间联络环网，并将其作为后备电源或者临时电源，以保证电源点需求，从而使线路得以顺利开通。

1.2 灵活调整供电方式

根据广州地铁、深圳地铁供电部门反馈，线路运营中，受计划停电检修、主变压器扩容或单段35 kV出线回路故障影响，存在中压网络某个35 kV供电分区仅由1路35 kV电源长时间带载情况，此时，若供电的35 kV回路出现故障必将导致此供电分区所有负荷失电，进而出现线路停运清客的严重情况。此时，若此供电分区内存在换乘站并建设了线间联络环网，运营部门则可以通过联络环网灵活调整供电负荷分配，由联络线路主变电所对失电段进行支援供电，保证一级负荷的双电源双回路供电，大大增强了供电灵活性和可靠性。

1.3 降低网损

在我国城市轨道交通建设的前期阶段，各线路供电系统中压网络仅在资源共享主变电所35 kV母线上有联系，正线之间互相独立，每条线路供电分区调整及负荷分配仅存在本线主变电所间环网联络开关位置，负荷分配方式有限。随着城市轨道交通进入网络化运营时期，线网供电系统也进入网络化运行阶段，通过在换乘站设置线间联络环网，可为线网潮流流动提供更多通路。可根据各线路不同阶段负荷情况，突破以线路为单位的供电调度约束，通过潮流计算找出全线网中压系统附加损耗最小的网路结构，进而重构网络，降低全线网网损，提高供电效能，降低运行成本。

2 线间联络环网设置的可行性

从经济性角度考虑，为减少电缆敷设距离，一般考虑将线间联络环网设置于换乘站，其物理实现较为简单。在换乘站不同线路变电所35 kV开关柜室每段母线各增设1面35 kV出线开关柜，并敷设它们之间的35 kV联络电缆即可，只需保证设备房满足增设的35 kV开关柜布置、设备开孔及联络环网电缆敷设空间等需求。

除物理实现外，线间联络环网实施是否可行还在于其实施后的供电能力。GB/T 30013—2013中第8.1.3条规定：“当有外电源点退出、相邻外电源点跨区供电时仍能满足负载需要。”交办运[2019]17号文第40条规定：“具有相邻主变电所支援供电测试合格报告，支援供电的能力和功能符合设计要求。”因此，通过线间联络环网进行供电的重点是核算经线间联络环网重构网络后供电系统是否满足各项供电质量指标，以确定其适宜的供电范围及供电方式。考量指标主要为：① 主变压器安装容量满足最大负荷时供电需求。对于油浸式变压器，其最大过载能力一般取为额定容量的130%。② 最大供电负荷情况下，中压网络各节点电压损失不宜超过5%。③ 线网中压网络各支路最大负荷电流不超过电缆最大允许载流量。④ 线间联络环网涉及的供电分区继电保护方案及定值应能满足安全可靠供电需求。

同时，既有线增设线间联络环网时，还应同步升级改造PSCADA(电力监控)系统，以保证对线间联络环网供电的可靠监控。

3 不同建设时序线间联络环网的设置原则

由于城市轨道交通是分期建设的，不同建设时序的线间联络环网设置条件及工期互不匹配，且早期建设的线路基本均未考虑线间联络环网的设置需求。因此线间联络环网实施应具体情况具体分析。结合不同线路建设时序，建议新线建设中按照以下原则进行线间联络环网实施或条件预留。

1) 新建线路与既有线路间，新建线路建设中预留联络环网开关柜柜位及联络环网电缆通道条件，后续根据线网运营需求，确定是否对既有线路变电所改造实施联络环网。

2) 同期建设新建线路间，除主变电所资源共享接入的换乘站外，其他换乘站均直接实施联络环网。

3) 新建线路与后期建设线路间，新建线路建设中，根据线网规划，在换乘站均预留后期线路建设时实施联络环网的开关柜柜位及电缆通道条件。

为避免因前期线路建设中预留不足导致后期线间联络环网无法实施的问题，建议各地在城市轨道交通建设中应提前布局，在前期线网规划阶段即从全局化角度考虑供电系统网络化运行需求，做好线间联络环网实施的相关预留工作。

4 工程实例

以9号线的线间联络环网为例，分析其设置的必要性及可行性。

4.1 工程概况及背景

9号线由飞鹅岭站至高增站(见图1)，线路全长约20 km，全线设岐山和白鳝塘2座主变电所。2017年底开通试运营时，岐山主变电所仅建成1路110 kV外部电源，白鳝塘主变电所本体及2路外部电源均未建成，供电电源点严重不足，无法满足开通需求。

4.2 线间联络环网方案

9号线在高增站与3号线换乘。3号线高增站35 kV电源来自望岗主变电所，且所内已预留实施线间联络环网开关柜，故考虑在此站实施线间联络环网，利用望岗主变电所经3号线中压网络为9号线提供更多电源点，此情况下的9号线全线供电系统图如图2所示。

考虑岐山主变电所仅存在1路110 kV外部电源，为保证9号线各车站变电所均具备两回独立的33 kV电源供电，实施线间联络环网支援供电后，全线供电系统运行方式如下：

1) 正常运行方式：岐山主变电所110 kV内桥开关、II段33 kV进线开关、33 kV母联开关及花果山公园站I段所间环网联络开关打开，1路外电源+1台主变压器(I段)运行，为9号线第一和第二供电分区I段所有负荷供电，望岗主变电所通过线间联络环网为9号线第三和第四供电分区I段及全线II段所有负荷供电。

2) 故障运行方式：① 岐山主变电所I段故障时，切除全线所有三级负荷，闭合花果山公园站I段所间环网联络开关，望岗主变电所为9号线全线所有剩余负荷供电。② 高增站I段线间联络环网故障时，闭合花果山公园站I段环网联络开关，岐山主变电所为9号线全线I段所有负荷供电，望岗主变电所为9号线全线II段所有负荷供电。③ 高增站II段联络环网故障时，切除II段所有三级负荷，岐山主变电所闭合110 kV内桥开关及II段33 kV进线开关，1路外电源+2台主变压器运行，为9号线第一和第二供电分区I段及全线II段所有负荷供电，望岗主变电所为9号线第三和第四供电分区I段所有负荷供电。④ 高增站I段及II段联络环网均故障或望岗主变电所解列时，切除全线三级负荷，闭合花果山公园站I段环网联络开关，闭合岐山主变电所110 kV内桥开关及II段33 kV进线开关，岐山主变电所1路外电源+2台主变压器运行，为9号线全线所有剩余负荷供电。

4.3 线间联络环网支援供电能力分析

根据9号线施工图提资(6B车型，最高运行速度120 km/h，初期高峰小时12对/h)及3号线运行实测数据，相应负荷统计如表1—表2所示。

表1 广州地铁9号线开通试运营初期负荷统计

表2 广州地铁3号线望岗主变电所实测运行负荷

岐山主变电所设计之初即要满足白鳝塘主变电所故障时供电全线一级和二级负荷的需求，因此只需校验望岗主变电所通过线间联络环网支援供电时各运行方式下相关供电质量指标。

4.3.1 主变压器容量校验

根据各运行方式下供电范围，望岗主变电所II段供电最大负荷发生在正常供电时，I段最大负荷发生在岐山主变电所解列时，如表3所示。

望岗主变电所通过线间联络环网支援9号线供电时最大负载率仅为83%，安装容量满足供电需求。

4.3.2 电压损失校验

望岗主变电所通过线间联络环网支援9号线供电时，最大供电距离为供电至岐山车辆段，电缆路径长约为36 km。由于9号线开通试运营初期负荷较轻，经仿真计算，线间联络环网支援9号线供电时最大电压损失仅为4.32%，满足规范要求。

4.3.3 各支路电缆载流量校验

望岗主变电所到高增站线间联络环网电缆截面为240 mm2，理想条件最大载流量约为560 A，考虑0.8校正系数后，最大允许载流量取为448 A。

表3 望岗主变电所容量核算

根据表3计算负荷，望岗主变电所通过高增站线间联络环网支援9号线供电时，最大负荷电流出现在正常运行方式下望岗主变电所供电9号线II段所有负荷时，供电电缆为望岗主变电所高增站出线电缆。经仿真计算，此时电流约为360 A<448 A，电缆截面满足载流量需求。

4.3.4 继电保护定值调整

为保证线间联络环网两侧开关柜差动保护装置及流互匹配，9号线高增站变电所联络环网开关柜采用与3号线既有开关柜相同的差动保护装置GRL150及流互变比。

同时，经查询3号线望岗主变电所高增站出线两侧开关柜综合保护装置定值，其过电流一次值仅为410 A，对应通过高增站线间联络环网支援9号线供电时此支路最大负荷电流360 A，其可靠系数仅为1.13，低于通常的1.2～1.3，因此需调大此出线两侧开关柜定值，以增强供电可靠性。

为尽可能防止保护误动作，考虑调整定值。以对应支路最大允许载流量448 A作为整定基准值，可靠系数取为1.3。经计算，此段环网电缆在最小运行方式下非单相短路最小短路电流约2 500 A，此时，继电保护仍具有足够灵敏性，调整方式可行。同时，为尽量避免9号线故障时对3号线运行造成误动作，在高增站线间联络环网两侧开关柜间设置时间级差。调整后保护定值见表4。

表4 广州地铁9号线和3号线间联络环网供电继电保护整定值调整表

由上述分析可知，通过设置线间联络环网进行线间主变电所支援供电是完全可行的，只需在设计阶段完成相关供电指标校验及继电保护定值调整计算，确保线间联络环网供电范围及供电方式合理即可。9号线自2017年底开通运行至今，白鳝塘主变电所仍未能投产，一直通过高增站线间联络环网支援供电，9号线供电系统已稳定可靠运行5年之久。

5 基于线网级电力调度平台的线间联络环网应用

随着城市轨道交通网络化发展，供电系统也向着线网化运行发展，按线路进行电力调度的模式已经难以满足主变电所及中压环网快速灵活调整的需求，在支援供电、故障快速恢复供电、系统网络优化调度等方面，缺乏有效的分析手段。因此，城市轨道交通供电系统电力调度宜从线路供电调度模式向线网供电调度模式发展。目前，广州、长沙、上海、南京等城市的轨道交通已逐步开始建设线网级电力调度平台。

线网级电力调度平台建成后，通过在该平台建立全线网供电系统网络模型，可实现全线网供电系统的网络拓扑、潮流计算、短路电流计算、静态安全分析、供电系统优化调度等功能，从而实现全线网潮流最优化配置，解决传统电力调度模式下一座主变电所对多条线路供电时的调度复杂性难题。在计划调整线网运行方式或突发故障时，通过调度方案模拟和供电能力分析，可以快速恢复供电，实现全线网主变电所灵活供电。线网级电力调度平台建成后，线间联络环网的可操作性和效益将进一步显现，其规模化设置将为线网灵活调度、潮流优化配置、最优潮流网络重构等需求提供坚强的网络架构基础。

6 结语

城市轨道交通线间联络环网不仅可以为建设中因各种原因导致供电电源点不足的线路顺利开通提供临时或后备电源点，亦可为网络化运营线网灵活调整供电方式提供网络架构基础。

本文以近几年采用线间联络环网顺利开通的多条线路为佐证，结合广州地铁9号线与3号线线间联络环网工程实例的具体分析，明确了线间联络环网实施的必要性和可行性；针对不同建设时序线路间联络环网，提出了合理的实施原则及建议。随着线网级电力调度平台的建设，线间联络环网将进一步显现其在线网供电系统网络结构灵活配置中的巨大作用。