葛 洲

（深圳市地鐵集團有限公司，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

（深圳市地鐵集團有限公司，廣東深圳 518026）

目前國內外城市軌道交通行業(yè)普遍采用的是單條線路單獨設計建設的模式，這樣的模式導致大量的供電資源處于閑置浪費的狀態(tài)。在這樣的環(huán)境下如何合理有效充分地調用各方資源，通過合理的優(yōu)化配置，實現地鐵供電系統(tǒng)的資源共享已是迫在眉睫的重要問題。結合國內某地鐵公司的運行和建設經驗，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)建設中逐步實施。

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)網輸配電系統(tǒng)構成了各變電所之間的電氣聯絡通道，DC1 500V 牽引供電系統(tǒng)是地鐵列車的唯一動力來源。

目前國內外地鐵線路均采用的是單條線路單獨設計建設模式，為了確保供電穩(wěn)定性，各線路均采用了 2N的冗余設計，隨著地鐵建設全面展開，國內地鐵里程數迅速增長，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。本文首先介紹了地鐵供電系統(tǒng)資源共享的現狀，再根據現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 既有線路供電網絡化資源共享現狀

1.1 供電系統(tǒng)設備資源共享及優(yōu)化配置現狀

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 變壓器降壓后進入 AC 35 kV 環(huán)網輸配電系統(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。

國內某城市地鐵公司目前運營的 4 條線路總長度約為 158 km，設置有 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開關柜設備 16 套、35 kV 各型號變壓器超過 500 臺、35 kV開關柜約 1 000 個間隔、DC1 500V 整流機組 70 余套、環(huán)網電纜總長度超過 1 000 km。在現有條件下，設備資源共享只是在 110 kV 供電系統(tǒng)上基本實現，各主變電所之間利用 35 kV 環(huán)網和 35 kV 高壓開關可以做到相互之間的支援供電，在生產運營中也有相應供電方案。

由于地鐵建設都是按周期模式建設，在全部線路建設完成前，部分區(qū)段的供電負荷較少。這樣的情況導致部分 110 kV 變壓器負荷率一直處于低負載狀態(tài)運行，造成了極大的資源浪費。經研究分析發(fā)現，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，這個方案的實施，極大地提高了變壓器和電能利用率，據統(tǒng)計，這樣的運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)省的電費就高達十幾萬元。

由此可見，通過合理的設計布局，完全可以實現設備資源的共享，節(jié)約大量的資金和能源，讓地鐵系統(tǒng)真正實現環(huán)保綠色的目標。

圖1 供電系統(tǒng)示意圖

1.2 供電系統(tǒng)維護人力資源共享及優(yōu)化配置現狀

國內某地鐵公司最高峰時線路維護人數與公里數比值超過 18人/km，經人力資源優(yōu)化配置，目前的維護人數與公里數比值約為 4人/km。網絡化運營開始后，供電系統(tǒng)值班點、維護人員排班和各班組職責均做出了一定的修改。經過這次方案修改，將值班點由每條線路 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。經過優(yōu)化配置將正線值班點數量由每條線路6 個精簡為 2 個。

現代地鐵的供電監(jiān)控系統(tǒng)已經足夠完備，各車站變電所在設計中已充分考慮并按照無人值守站設計。在未進行優(yōu)化前，日常值班狀態(tài)下，出于安全考慮，每個值班點需安排 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，現在每條線路增加了機動組，減少固定值班人員，將車輛段的值班任務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)化過程中能夠從網絡化運營的層面來綜合考慮調配，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)化配置現狀

由于變電系統(tǒng)設備生產廠家不同，且各條線路通常采用的是單獨招標的模式，設備的備件差異較大。接觸網專業(yè)也處于柔性接觸網、剛性接觸網和第三軌 3 種供電方式并存的狀態(tài)，所以，備件通用性極差。基于這樣的狀態(tài)，基本上供電系統(tǒng)的備件處于各線路負責各自的儲備狀態(tài)。

2013年，由于國內某城市地鐵一期工程部分供電設備達到了壽命周期，需要更換，為了合理地利用現有的線路備件，于是針對變壓器溫控器進行了更新改造，使其能夠與其他型號的備品備件實現互通。目前，變壓器溫控器的備件已逐步向網絡統(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)維護人力資源共享及優(yōu)化配置必要性和緊迫性

除在設計中需要考慮到設備資源的共享及優(yōu)化配置外，在已投運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/年計算，每年的人力成本超過 6 300萬元。當某城市地鐵三期工程投運后，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，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，當三期工程投運后，每年節(jié)約的人力成本將達到 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)的正常運行和在發(fā)生故障時能夠在最短的時間排除故障，恢復正常供電。國內各地鐵運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面影響。以國內某地鐵公司為例，部分備件儲存 5～6 年就會處于非正常狀態(tài)，但是若不做相應的儲備，在故障發(fā)生時再申報采購，則將嚴重影響故障的處理進度。尤其是部分進口元器件，其采購周期可能達到半年甚至是 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)境有非常嚴格的要求，而目前地鐵建設集中在沿海城市，高溫、潮濕和鹽堿度高是沿海城市的環(huán)境特點，在這樣的條件下，備品備件倉庫必須有空調甚至需要除塵裝置。綜合這些因素，倉庫的建設成本一直居高不下，而且?guī)旆拷ㄔO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，據統(tǒng)計，國內各城市地鐵系統(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和存放成本資金。如果能夠及時進行設備標準化建設，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)資源共享技術經濟效益分析

3.1 在現有基礎上進行資源優(yōu)化配置

在現有基礎上進行資源優(yōu)化配置，采取簡單的人員調配措施，并逐步站在網絡化運營的層面考慮和設置現有力量，可以實現節(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，僅僅只在現有基礎上進行簡單的調配是遠遠不夠的，而且由于設計和建設的過程中只考慮了單線的情況，并未在多線路或網絡化的層面考慮資源共享。故在現有基礎上進行資源優(yōu)化配置對各項運營成本的影響非常有限，在每年數額龐大的運營成本中猶如滄海一粟，暫時顯現不出來。

3.2 在系統(tǒng)內部實現資源共享優(yōu)化資源配置

在網絡化運營后，供電系統(tǒng)通過系統(tǒng)內部優(yōu)化資源配置可以節(jié)約運營成本 30%～40%。但是若要實現這樣的成果，首先在規(guī)劃設計的時候就必須充分考慮在網絡化運營的情況下資源共享和配置的方案。在線路建設和運營的時候，充分利用線路資源和內部調配的便利性，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 在社會層面實現全面資源共享

隨著時間的推移，地鐵系統(tǒng)逐步發(fā)展，當地鐵全面迎來真正的網絡化運營后，只考慮自身系統(tǒng)內部的資源共享是遠遠不夠的。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絡提供，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 主變電所和車站內的降壓變電所，建設成本可以減少 75% 以上。

圖2 基地布置示意圖

表1 搶修隊編組

地鐵系統(tǒng)網絡基本布局完成后，需要數量眾多的技術人員和技工人員負責線路維護工作。如果還采用早期的模式，會造成大量的人力資源浪費，且容易出現在故障處理或一些突發(fā)事件時人手不足、正常運營期間人力資源富余的情況。

結合國內外地鐵系統(tǒng)和供電系統(tǒng)的運行管理經驗，在網絡化運營的時候，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，各線路僅保留技術人員承擔現場監(jiān)管、規(guī)程制定、技術指導等工作。在遇到故障處理和突發(fā)事件的時候，搶修隊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現共享后，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)網供電系統(tǒng)、110 kV 輸變電系統(tǒng)；維護人員可以減少 90% 以上。供電系統(tǒng)總體運營成本將節(jié)約 50% 以上。

4 總結

綜上所述，供電系統(tǒng)資源共享及優(yōu)化配置不僅僅體現在設備方面，還體現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)化配置和標準化建設已經迫在眉睫。

通過資源共享和合理的布局，地鐵供電系統(tǒng)無論是設備、備件還是維護人力都可以得到極大的節(jié)約。節(jié)約費用的比例和共享的深化程度有關，而且共享的深化程度和共享涉及的單位數量有極大的關系。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)的資源共享與防護隔離［J］.現代城市軌道交通，2013（2）：8-12.

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責任編輯 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