地鐵供電系統(tǒng)資源共享及優(yōu)化配置研究

葛 洲

（深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518026）

地鐵供電系統(tǒng)資源共享及優(yōu)化配置研究

葛 洲

（深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東深圳 518026）

目前國內(nèi)外城市軌道交通行業(yè)普遍采用的是單條線路單獨(dú)設(shè)計(jì)建設(shè)的模式，這樣的模式導(dǎo)致大量的供電資源處于閑置浪費(fèi)的狀態(tài)。在這樣的環(huán)境下如何合理有效充分地調(diào)用各方資源，通過合理的優(yōu)化配置，實(shí)現(xiàn)地鐵供電系統(tǒng)的資源共享已是迫在眉睫的重要問題。結(jié)合國內(nèi)某地鐵公司的運(yùn)行和建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，針對這一課題做了一些研究，提出了一些解決方案，并將在后續(xù)建設(shè)中逐步實(shí)施。

地鐵供電；供電系統(tǒng)；資源共享；優(yōu)化配置

0 緒論

城市軌道交通行業(yè)通常采用的是3級供電方式，整個供電系統(tǒng)由 AC110kV、AC35kV 環(huán)網(wǎng)輸配電系統(tǒng)和DC1 500V 牽引供電系統(tǒng)組成。其中 AC110kV 是地鐵供電系統(tǒng)的電源，AC35kV 環(huán)網(wǎng)輸配電系統(tǒng)構(gòu)成了各變電所之間的電氣聯(lián)絡(luò)通道，DC1 500V 牽引供電系統(tǒng)是地鐵列車的唯一動力來源。

目前國內(nèi)外地鐵線路均采用的是單條線路單獨(dú)設(shè)計(jì)建設(shè)模式，為了確保供電穩(wěn)定性，各線路均采用了 2N的冗余設(shè)計(jì)，隨著地鐵建設(shè)全面展開，國內(nèi)地鐵里程數(shù)迅速增長，在這樣的條件下，如果依舊采用之前的模式必將造成大量的資源浪費(fèi)。本文首先介紹了地鐵供電系統(tǒng)資源共享的現(xiàn)狀，再根據(jù)現(xiàn)狀指出資源共享和優(yōu)化配置的必要性和緊迫性，并針對性地提出了一些解決方案。

1 既有線路供電網(wǎng)絡(luò)化資源共享現(xiàn)狀

1.1 供電系統(tǒng)設(shè)備資源共享及優(yōu)化配置現(xiàn)狀

如圖1所示，其中各 110 kV 主變電所均安裝 2 臺110 kV 變壓器，電源分別來自于 2 個不同供電局變電站，由 110 kV 變壓器降壓后進(jìn)入 AC 35 kV 環(huán)網(wǎng)輸配電系統(tǒng)送到各車站變電所，每個車站變電所安裝Ⅰ段、Ⅱ段 2 套配電系統(tǒng)或 2 套配電及整流系統(tǒng)，分別為車站的動力照明系統(tǒng)和 DC1 500V 牽引供電系統(tǒng)供電。

國內(nèi)某城市地鐵公司目前運(yùn)營的 4 條線路總長度約為 158 km，設(shè)置有 8 個主變電所、116 個車站降壓或牽引混合變電所。其中 110 kV 主變壓器 16 臺、110 kV GIS開關(guān)柜設(shè)備 16 套、35 kV 各型號變壓器超過 500 臺、35 kV開關(guān)柜約 1 000 個間隔、DC1 500V 整流機(jī)組 70 余套、環(huán)網(wǎng)電纜總長度超過 1 000 km。在現(xiàn)有條件下，設(shè)備資源共享只是在 110 kV 供電系統(tǒng)上基本實(shí)現(xiàn)，各主變電所之間利用 35 kV 環(huán)網(wǎng)和 35 kV 高壓開關(guān)可以做到相互之間的支援供電，在生產(chǎn)運(yùn)營中也有相應(yīng)供電方案。

由于地鐵建設(shè)都是按周期模式建設(shè)，在全部線路建設(shè)完成前，部分區(qū)段的供電負(fù)荷較少。這樣的情況導(dǎo)致部分 110 kV 變壓器負(fù)荷率一直處于低負(fù)載狀態(tài)運(yùn)行，造成了極大的資源浪費(fèi)。經(jīng)研究分析發(fā)現(xiàn)，可以利用各主變電所之間的支援通道，將部分 110 kV 處于熱備用狀態(tài)，充分利用其余變壓器的容量，這個方案的實(shí)施，極大地提高了變壓器和電能利用率，據(jù)統(tǒng)計(jì)，這樣的運(yùn)行方式極大地減少了線路損耗、無功等，目前采用了這一方案的主變電所平均每月節(jié)省的電費(fèi)就高達(dá)十幾萬元。

由此可見，通過合理的設(shè)計(jì)布局，完全可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備資源的共享，節(jié)約大量的資金和能源，讓地鐵系統(tǒng)真正實(shí)現(xiàn)環(huán)保綠色的目標(biāo)。

圖1 供電系統(tǒng)示意圖

1.2 供電系統(tǒng)維護(hù)人力資源共享及優(yōu)化配置現(xiàn)狀

國內(nèi)某地鐵公司最高峰時線路維護(hù)人數(shù)與公里數(shù)比值超過 18人/km，經(jīng)人力資源優(yōu)化配置，目前的維護(hù)人數(shù)與公里數(shù)比值約為 4人/km。網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營開始后，供電系統(tǒng)值班點(diǎn)、維護(hù)人員排班和各班組職責(zé)均做出了一定的修改。經(jīng)過這次方案修改，將值班點(diǎn)由每條線路 10 個壓縮為 5 個，修改后的方案保留 2 個主變電站和 1 個車輛的值班點(diǎn)。經(jīng)過優(yōu)化配置將正線值班點(diǎn)數(shù)量由每條線路6 個精簡為 2 個。

現(xiàn)代地鐵的供電監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)足夠完備，各車站變電所在設(shè)計(jì)中已充分考慮并按照無人值守站設(shè)計(jì)。在未進(jìn)行優(yōu)化前，日常值班狀態(tài)下，出于安全考慮，每個值班點(diǎn)需安排 2 人，線路巡查人員通常情況會安排 2～3 人/組，每條線路 2～3 組，這樣線路需要時刻保證不少于 24 人。通過優(yōu)化配置，現(xiàn)在每條線路增加了機(jī)動組，減少固定值班人員，將車輛段的值班任務(wù)融合到綜合組的工作中，在這樣的配置下，線路上僅需要保證不少于6 人即可。與未優(yōu)化之前相比，人力成本節(jié)約了一半以上，若在優(yōu)化過程中能夠從網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營的層面來綜合考慮調(diào)配，人力成本可能會節(jié)約 75% 以上。

1.3 供電系統(tǒng)備件資源共享及優(yōu)化配置現(xiàn)狀

由于變電系統(tǒng)設(shè)備生產(chǎn)廠家不同，且各條線路通常采用的是單獨(dú)招標(biāo)的模式，設(shè)備的備件差異較大。接觸網(wǎng)專業(yè)也處于柔性接觸網(wǎng)、剛性接觸網(wǎng)和第三軌 3 種供電方式并存的狀態(tài)，所以，備件通用性極差?；谶@樣的狀態(tài)，基本上供電系統(tǒng)的備件處于各線路負(fù)責(zé)各自的儲備狀態(tài)。

2013年，由于國內(nèi)某城市地鐵一期工程部分供電設(shè)備達(dá)到了壽命周期，需要更換，為了合理地利用現(xiàn)有的線路備件，于是針對變壓器溫控器進(jìn)行了更新改造，使其能夠與其他型號的備品備件實(shí)現(xiàn)互通。目前，變壓器溫控器的備件已逐步向網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)一儲備狀態(tài)發(fā)展。

2 供電系統(tǒng)資源共享及優(yōu)化配置必要性和緊迫性

2.1 供電系統(tǒng)維護(hù)人力資源共享及優(yōu)化配置必要性和緊迫性

除在設(shè)計(jì)中需要考慮到設(shè)備資源的共享及優(yōu)化配置外，在已投運(yùn)的線路中人力資源如何做到資源共享及優(yōu)化配置也是非常緊迫和關(guān)鍵的。充分合理地將人力資源做到資源共享及優(yōu)化配置，可以節(jié)約大量的人力成本，按照現(xiàn)在供電系統(tǒng)約 4人/km 的配置，人均人力成本按 100 000.00 元/年計(jì)算，每年的人力成本超過 6 300萬元。當(dāng)某城市地鐵三期工程投運(yùn)后，在平均人力成本不增加的情況下，每年供電系統(tǒng)的人力成本就將超過 1.5億元。若通過合理布點(diǎn)，優(yōu)化人力資源的配置方案，將供電系統(tǒng)的人力配置每公里減少 1人，其他條件不變，則每年的人力成本將下降約 1 600萬元，當(dāng)三期工程投運(yùn)后，每年節(jié)約的人力成本將達(dá)到 4 000萬元。若考慮到通貨膨脹等因素，通過優(yōu)化配置，節(jié)約的人力成本可能會超過 1 億元/年。

2.2 供電系統(tǒng)備件資源共享及優(yōu)化配置必要性和緊迫性

已投運(yùn)的線路中除了人力成本外，物料成本也是極其重要的一個部分。為了確保系統(tǒng)的正常運(yùn)行和在發(fā)生故障時能夠在最短的時間排除故障，恢復(fù)正常供電。國內(nèi)各地鐵運(yùn)營單位都儲備了大量的備品備件，其中部分備件的正常壽命僅有 10 年左右，若長期處于儲備狀態(tài)，對其壽命也是有很大的負(fù)面影響。以國內(nèi)某地鐵公司為例，部分備件儲存 5～6 年就會處于非正常狀態(tài)，但是若不做相應(yīng)的儲備，在故障發(fā)生時再申報(bào)采購，則將嚴(yán)重影響故障的處理進(jìn)度。尤其是部分進(jìn)口元器件，其采購周期可能達(dá)到半年甚至是 1 年以上。

供電系統(tǒng)中有大量電子元件和精密儀器，這類物料對存放環(huán)境有非常嚴(yán)格的要求，而目前地鐵建設(shè)集中在沿海城市，高溫、潮濕和鹽堿度高是沿海城市的環(huán)境特點(diǎn)，在這樣的條件下，備品備件倉庫必須有空調(diào)甚至需要除塵裝置。綜合這些因素，倉庫的建設(shè)成本一直居高不下，而且?guī)旆拷ㄔO(shè)需要占用大量的土地資源，目前城市的土地資源使用成本也一直處于上升趨勢。

與此同時，據(jù)統(tǒng)計(jì)，國內(nèi)各城市地鐵系統(tǒng)閑置超過5 年的備件金額約為 6 億元左右。簡單地說就是，金額巨大的閑置備件消耗了高額的維護(hù)和存放成本資金。如果能夠及時進(jìn)行設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，通過合理的資源共享及優(yōu)化配置將不僅節(jié)約大量的資金成本還將節(jié)約大量的土地資源，同時還能響應(yīng)國家的號召降低能耗，讓地鐵行業(yè)成為真正的綠色環(huán)保的行業(yè)。

3 供電系統(tǒng)資源共享技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益分析

3.1 在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行資源優(yōu)化配置

在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行資源優(yōu)化配置，采取簡單的人員調(diào)配措施，并逐步站在網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營的層面考慮和設(shè)置現(xiàn)有力量，可以實(shí)現(xiàn)節(jié)約 25% 左右的人力資源。

從備件和供電資源的優(yōu)化配置方面來說，僅僅只在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行簡單的調(diào)配是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，而且由于設(shè)計(jì)和建設(shè)的過程中只考慮了單線的情況，并未在多線路或網(wǎng)絡(luò)化的層面考慮資源共享。故在現(xiàn)有基礎(chǔ)上進(jìn)行資源優(yōu)化配置對各項(xiàng)運(yùn)營成本的影響非常有限，在每年數(shù)額龐大的運(yùn)營成本中猶如滄海一粟，暫時顯現(xiàn)不出來。

3.2 在系統(tǒng)內(nèi)部實(shí)現(xiàn)資源共享優(yōu)化資源配置

在網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營后，供電系統(tǒng)通過系統(tǒng)內(nèi)部優(yōu)化資源配置可以節(jié)約運(yùn)營成本 30%～40%。但是若要實(shí)現(xiàn)這樣的成果，首先在規(guī)劃設(shè)計(jì)的時候就必須充分考慮在網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營的情況下資源共享和配置的方案。在線路建設(shè)和運(yùn)營的時候，充分利用線路資源和內(nèi)部調(diào)配的便利性，在合適的位置建立 1 個或多個大型的綜合基地，然后圍繞這些綜合基地合理地布置一些小型的檢修或備件基地。構(gòu)成類似 1 個中心城多個衛(wèi)星城市的布局（圖2）。這樣的布局估計(jì)可以節(jié)約備件成本 30% 以上、人力成本 40% 以上。

3.3 在社會層面實(shí)現(xiàn)全面資源共享

隨著時間的推移，地鐵系統(tǒng)逐步發(fā)展，當(dāng)?shù)罔F全面迎來真正的網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營后，只考慮自身系統(tǒng)內(nèi)部的資源共享是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。如何充分利用社會資源將成為發(fā)展的趨勢。例如：車站供電完全由城市供電網(wǎng)絡(luò)提供，牽引供電的電源由就近的變電站引入 2～3 路。這樣的布置，可以完全取消 110 kV 主變電所和車站內(nèi)的降壓變電所，建設(shè)成本可以減少 75% 以上。

圖2 基地布置示意圖

表1 搶修隊(duì)編組

地鐵系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)基本布局完成后，需要數(shù)量眾多的技術(shù)人員和技工人員負(fù)責(zé)線路維護(hù)工作。如果還采用早期的模式，會造成大量的人力資源浪費(fèi)，且容易出現(xiàn)在故障處理或一些突發(fā)事件時人手不足、正常運(yùn)營期間人力資源富余的情況。

結(jié)合國內(nèi)外地鐵系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的運(yùn)行管理經(jīng)驗(yàn)，在網(wǎng)絡(luò)化運(yùn)營的時候，95% 以上的技工崗位采用委外模式，利用社會資源完成供電系統(tǒng)的日常巡視和檢修工作，各線路僅保留技術(shù)人員承擔(dān)現(xiàn)場監(jiān)管、規(guī)程制定、技術(shù)指導(dǎo)等工作。在遇到故障處理和突發(fā)事件的時候，搶修隊(duì)伍由地鐵公司和委外單位共同組成，編制如表1 所示。

在與社會資源充分實(shí)現(xiàn)共享后，地鐵供電系統(tǒng)可以僅保留 1 500 V 直流供電系統(tǒng)，取消投資額約占供電系統(tǒng)總投資 80% 以上的 35 kV 環(huán)網(wǎng)供電系統(tǒng)、110 kV 輸變電系統(tǒng)；維護(hù)人員可以減少 90% 以上。供電系統(tǒng)總體運(yùn)營成本將節(jié)約 50% 以上。

4 總結(jié)

綜上所述，供電系統(tǒng)資源共享及優(yōu)化配置不僅僅體現(xiàn)在設(shè)備方面，還體現(xiàn)在人力資源和備件資源等多個方面，而且這幾方面之間相互影響、相互制約，同時各個方面的資源共享及優(yōu)化配置和標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)已經(jīng)迫在眉睫。

通過資源共享和合理的布局，地鐵供電系統(tǒng)無論是設(shè)備、備件還是維護(hù)人力都可以得到極大的節(jié)約。節(jié)約費(fèi)用的比例和共享的深化程度有關(guān)，而且共享的深化程度和共享涉及的單位數(shù)量有極大的關(guān)系。深化程度越高，參與的單位越多，總體節(jié)約的資源就越多。

［1］ 張開波.城市綜合交通樞紐供電系統(tǒng)的資源共享與防護(hù)隔離［J］.現(xiàn)代城市軌道交通，2013（2）：8-12.

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責(zé)任編輯 冒一平

Study on Resource Sharing and Optimal Allocation of Metro Power Supply System

Ge Zhou

The model of the design and construction for the specifi c metro line is widely used by the present domestic and international transit， and such a model leads to a large supply of resources in the big waste idle state.In such an environment， how to reasonably and effectively make full use of all resources， to achieve the sharing of resources is an important issue in the metro power supply system with the rational optimization of the allocation of resources.Based on the operation and construction experience of a metro operator in China， the paper makes some studies on this topic， puts forward some solutions which will be implemented gradually in later construction works.

metro power supply， power supply system，resource sharing， optimal allocation

U231.8

葛洲（1981—），男，工程師

2016-03-28