基于轨道交通供电系统与城市电网融合的主变压电站定位策略研究

李建民，马金法

(郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 451460)

1 前言

城市轨道交通供电系统的建设经历了“一线一规划”阶段、“多线一规划”阶段，发展到现在已进入“全网规划”阶段，其规划日趋合理科学，但规划滞后、与市域电网融合不充分等问题仍然存在，既影响投资效益，又影响电网高质量运行，且反复开挖、多次重复施工直接影响工程质量和城市形象。因此，有必要基于城市轨道交通供电系统与城市电网融合，研究主变压电站的定位策略，从而提高顶层规划的科学合理性。

2 城市电网架构

2.1 电源构成形式

全国各地建设的各种类型发电厂是国家电网的主要电能来源，发电类型包括火力发电、水力发电、核能发电，以及规模逐步扩大的风力发电、太阳能发电、地热能发电、潮汐(海洋能)发电、生物能发电等。 随着储能技术和能源综合利用技术的快速发展，多种形式的能源更加高效地转化为电力能源。

2.2 城市轨道交通供电系统的母网——城市电网

电力网简称电网，由远距离输电线路、近距离配电线路和各种类型的变电站组成。 输电线路是向用户传输电能的通道，采用高压传输，其特点是线路较长，短则几十公里，长达几千公里，形成巨大的覆盖区。配电线路是向用户分配电能，电压相对较低，其特点是线路较短，一般短则几十米，长则几公里，形成具体、相对较小的覆盖区。不同的电网，其电压等级也不一样，高压是相对低压而言的。按照线路等级和IEC标准，高压与低压的分界线为1000 V，而我国高压与低压分界线为3000 V。电力设备也分为高压电气设备和低压电气设备两种，凡对地电压在250 V以上者为高压，对地电压在250 V及以下者为低压。

城市电网是国家电网的一部分，也是城市轨道交通供电系统的“外环境”电源系统。作为城市轨道交通供电系统的母网，城市电网的结构、容量、等级等对城市轨道交通供电系统的影响很大，主要体现在负荷能力、系统稳定性等方面，可以说母网的可靠性是轨道交通供电系统可靠性的基础。

2.3 馈能方式

城市电网主要由1000 kV、500 kV、330 kV、220 kV、110 kV、10 kV供电网络构成，一般从220 kV、110 kV、10 kV系统接口。轨道交通电力系统的外部电源引入形式一般分为集中馈能、分散馈能和混合馈能三种模式[1]。实际上，轨道交通110 kV/35 kV/10 kV供电系统，都存在这三种模式。一般而言，轨道交通从110 kV侧获取电能，并独立设置专用城市轨道交通变电站的称为集中式；通过35 kV/10 kV城市电网获取电能，且没有建设专用城市轨道交通变电站的称为分散式。凡是建立专用变电站，无论从哪个等级获得电能都称之为集中供电模式。通常，国内大部分地区采用集中供电，一些城市采用分散供电，部分线路采用混合供电。对于具体的城市，需要根据城市电网的实际情况选择不同模式，通常需考虑城市电网变电所(站)的数量、容量、等级、位置等，同时也要考虑城市电网的规划。

2.3.1 集中馈能

集中馈能模式一般从城市电网的220 kV、110 kV、35 kV线路上获取能量，经主变电站进行降压，将外部电源降压为35 kV或10 kV，再由主变电站集中向牵引变电站和降压变电站的外部电源引入[2]。该模式引入电源电压等级高、电源点供电能力较大、引入电源点较少，有利于管理。其核心建设有专用城市轨道交通变电站和共享变电站。

2.3.2 分散馈能

分散馈能是相对集中馈能而言的，轨道交通不设主变电站，由沿线城市变电站直接向牵引变电站和降压变电站提供中压35 kV或10 kV电源。这种馈能方式一般从10 kV电压等级处获得电能，也可以从35 kV侧获取电能。分散馈能要求城市电网资源充足、安全运营水平高、供电可靠，每座牵引变电站和降压变电站必须是双路电源，一般城市很少能达到这一要求，故集中馈能较为常用。

当然，两种方式各有优缺点，轨道交通的外部电源方案应根据城市电网具体构成情况采用合适的馈能方式，如北京、上海、青岛主要采用分散式馈能，广州、南京、武汉、苏州、深圳等地主要采用集中式馈能。

2.3.3 混合馈能

混合馈能将上述两种馈能方式结合起来，一般以集中式馈能为主，在110 kV、220 kV、35 kV获得电能，个别地段引入城市电网35 kV或10 kV电源作为集中式馈能的补充，使供电系统更加完善和可靠。上海、成都、北京、武汉、青岛等地部分采用了混合式馈能方案，这种模式充分发挥了前两种方式的优点，体现了城市的一体化建设特征。

2.4 城市轨道交通供电系统

城市轨道交通供电系统分为外部电源系统和内部电源系统。内部电源系统是城市轨道交通供电系统的主体，主要由以中压环网分配输能系统、牵引馈能系统和低压动力变配电系统，如图1所示。

图1 城市轨道交通供电系统示意图

2.4.1 中压环网分配输能系统

中压环网分配输能系统主要包括所有的主变电站和35 kV系统输电线路，是城轨供电系统的核心和主体框架。该系统通过110 kV、35 kV电缆和断路器将上级主变电站联系在一起，形成互相支撑的供电分区。同时，把牵引变电站、降压变电站通过不同的断路器划分为不同的供电分区，实现灵活运营[3]。

2.4.2 牵引馈能系统

该系统的主要作用是降压、整流、逆变和传输电能，主要包括牵引变电所、馈电线、接触网(或者接触轨)等。其中，牵引变电站是牵引供电系统的心脏，其主要作用是输出1500 V直流电能，而馈电线则负责把1500 V直流电能输送到接触线上，接触线则负责把电能通过受流设备输送到列车上。

2.4.3 低压动力变配电系统

该系统负责向轨道交通沿线设备、车站设备馈能，主要包括通信、信号设备、动力照明、排风通风、给水排水等设备馈送电能，其主要作用是10 kV/380 V降压分配和10 kV/380 V/220 V电能传输，主要包括降压变电站、多路馈线等[4]。

3 郑州地铁1号线一期变电站定位分析

郑州地铁1号线每座车站均设置降压变电站，在有牵引变电站的车站设置牵引降压混合变电站。综合考虑本线线路、车站分布、车辆交路等因素，1号线共设置11座牵引变电所。其中，一期工程正线设置8座牵引变电站，分别设置在穆庄站、新郑州站、农业东路站、会展中心站、紫荆山站、郑州火车站站、碧沙岗站、西三环站；二期工程正线设置3座牵引变电所，分别位于雪松路站、梧桐街站、新郑州大学站。

一期工程新建二七广场、会展中心两座110 kV/35 kV主变电站。会展中心主变电站设置在会展中心站附近，该站位于1号线一期工程的负荷中心，也是1号线与4号线的换乘站。主变电站设置在会展中心站附近除了可以有效减少供电电缆数量和电能损失外，还有利于同时为4号线预留，提高综合利用效益。会展中心附近110 kV电力资源丰富，高压输电走廊宽敞，容易施工。同时有融城和凤凰两座独立的220 kV城市变电站作为支持，满足地铁运行需求。二七广场110 kV/35 kV主变电站则有大桥550 kV城市变电站和人民220 kV城市变电站的支持，形成双电源供电。

4 变电站定位策略

4.1 强制性国家标准化原则

必须满足城市电力规划规范GB50293第7.2.3条，城市变电站规划选址应符合十条要求。(1)符合城市总体规划用地布局要求。电力规划服务于总体规划，而变电站位置确定是电力规划的第一步。(2)靠近负荷中心。一般而言，轨道交通用电系统属于线性供电负荷，即沿着轨道线路消耗能量负荷。而城市规划一般按面负荷规划，比如这个小区有多大面积，多少用户，负荷就多大。因此二者存在差异性，如何衔接形成科学合理的负荷密度至关重要。(3)便于进出线。提前考虑电缆走廊，建议建设长久的地下管廊，超前预留。对于城市中心，建议建设六氟化硫金属管道，既可降低空间需求，也可以提高运行可靠性。(4)交通运输方便。由于变压器等大型设备和大型施工机械的运输都需要一定的空间，因此必须提前勘定，确保设备能够到位，同时还要预留足够的安装空间。(5)应考虑对周围环境和邻近工程设施的影响和协调。(6)宜避开易燃、易爆区和大气严重污秽区及严重烟雾区。(7)特别注意考虑热力线路、燃气线路对轨道交通电力线路和输电电缆通道的影响。(8)应满足防洪标准要求。220～500 kV变电所的所址标高宜高于洪水频率为1%的高水位，35～110 kV变电所的所址标高，宜高于洪水频率为2%的高水位。(9)应满足抗震要求。35～500 kV变电所抗震要求应符合国家现行标准《220～500 kV变电所设计技术规程》和《35～110 kV变电所设计规范》中的有关规定。(10)应有良好的地质条件。避开断层、滑坡、塌陷区、溶洞地带、山区风口和易发生滚石场所等不良地质构造。

4.2 技术原则

坚持可靠性第一的原则，最大限度提高供电质量。供电可靠性设计原则主要考虑以下几个方面：(1)为保证供电网运行的可靠性，一般主变供电站的共享线路不宜超过3条；(2)整个系统的安全可靠性，避免两座及以上主变站同时失去供电能力的情况[5]；(3)主变站供电最大距离一般不超过15～20 km；(4)向相邻主变站提供援助时，必须保证最远端电压压降不大于5%，供电距离最大不超过30 km；(5)主变压器110 kV侧接线应当根据城市电网结构和电能分布情况，选择最简单的接线形式，优选线路—变压器组以及简单的内外桥形接线方式。

4.3 城市规划优先的原则

当主变电站选址与城市用地发生冲突时，在不影响总体规划的同时，建议在附近建设占地较小的地下GIS变电站。

4.4 就近布置原则

主变电站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，且必须确保电缆通道的布排和施工。

4.5 充分考虑共享，优化系统网络定位

以效益更佳、运行更灵活为共享融合目标，充分考虑如何使现有主变电站的改造扩容与规划新建主变电站形成互补支撑，达到一次施工，长久受益。现有系统改造后，可靠性只能提高，不能降低。

5 主变电站科学定位的讨论

目前城市轨道交通供电系统有三种结构形态：一是轨道交通供电35 kV系统独立馈能形态；二是以轨道交通供电35 kV系统为主，兼用城市35 kV系统的馈能形态；三是以35 kV系统为主，兼用城市10 kV系统的馈能形态。供电系统要通过主变电站获得能源，因此主变电站对城市轨道交通供电系统起着决定性作用。35 kV供电形态其主要耦合点在110 kV侧和35 kV侧，而兼用城市35 kV系统的PCC点在35 kV侧、兼用城市10 kV系统的PCC点在10 kV侧。目前最佳的PCC点在110 kV侧和35 kV侧。

主变电站是城市轨道交通供电系统和城市电网的接口点，对城市电网影响巨大，涉及城市电能密度的大小、复合分布等，同时主变电站又是轨道交通供电系统的主节点，是形成系统的关键，因此科学定位主变电站对于轨道交通供电系统而言具有重大意义。