快速轨道交通供电系统主变电所建设面临的问题和风险分析_张娅
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学术研讨 ８３
快速轨道交通供电系统主变电所建设 面临的问题和风险分析
◇中铁二十三局集团第四工程有限公司 张 娅 中铁二院工程集团有限责任公司电气化设计研究院 张开波
本文结合成都市目前进行的地铁建设，提出在工程建设 过程中供电系统主变电所建设面临的问题和风险，并提出相 关的建议。
成都市是我国中西部重要的中心城市，其规模已进入特大 城市的行列。根据２００５年版的《成都市快速轨道交通线网规划 （简本）》，成都市共规划了７条快速轨道交通线路，线网总长 ２７５ ｋｍ，平均每条线路长度３９．３ ｋｍ。到２０１３年轨道交通占公共 交通比例将达到１８．４％，占居民出行总量的比例达到４．６％； ２０３０年轨道交通占公共交通比例达到４３．８％，占居民出行总量的 比例达到２０．６％，使轨道交通成为城市客运中的骨干。城市快速 轨道交通以其大容量、准时快捷、安全高效的优势，在国家公 交优势战略的实施过程中，城市快速轨道交通采用电力驱动， 没有有害气体产生，不会增加市区的空气污染，并且运营后将 代替一部分公共汽车、小汽车，相应地又减少了一部分空气污 染源，对城市节能减排的战略目标具有重要意义。
组可行解记作
。
第五步，构造（１）的整数解：令
。
２算法分析
我们的算法满足下面的引理。
引理１，算法２．１得到的费用分摊满足单调性。
引理２，算法２．１得到的费用分摊满足竞争性。
引理３，如果设施 和 都开放，则：
。
引理４，对于
，都有：
。
引理５，对于
，ｉ为离其最近的已开放的
设施，都有
。
定理６，算法２．１得到的整数可行解是ＳＣＦＬＧＷＰ的６－近似成
８４
２０１４ 年 第 ６ 期
每座快速轨道交通线路的主变电所需要两回独立的１１０ ｋＶ 进线，尽管其数量不多，但容量大。而地方电力系统的２２０ ｋＶ 变电站的建设和规划没有结合整个成都市轨道交通线网进行， 从而导致很多主变电所的１１０ ｋＶ外部电源进线矛盾突出，实施 困难。目前阶段该主变电所附近还没有提供两回独立电源的条 件，需等待地方电力系统规划的２２０ ｋＶ变电站建成以后才能提 供。
４．３ 外部电缆通道径路的问题 由于地方电力系统与城市快速轨道交通线网规划的不配 套，导致外部电缆通道的径路较长，也往往会直接导致工程实 施的难度大。由于沿线经过的建筑物、其它市政管线较多，需 与地方规划部门多次进行协商并调整线路的走向；同时地方电 力系统的相关部门对于该电缆通道的土建形式是采用电缆浅沟 还是采用电缆隧道，在不同的区段内也经常要提出很多的不同 意见；或者由于外部管线或道路的建设等条件的变化；均会给 设计的外部电缆通道径路带来很多不确定的因素，从而导致工 期的延误。 ５ 主变电所及外部电源通道的不确定性对整个地铁建设带 来的风险 轨道交通线路要开通运营，首先要实现供电系统的开通； 而供电系统的开通，前提是主变电所机外部１１０ ｋＶ电源进线的 建成并正式运行。而以上所说的针对主变电所的诸多不确定性 风险均会直接导致整个线路工程建设工期的拖延，不能按期开
本补偿的费用分摊方法。
证明：在算法２．１中记第四步产生的费用为ｃｏｓｔ１
也即 由算法第五步知道
，于是：
，则有
所以
。
３ 结语 本文主要研究软容量约束的带惩罚的设施选址博弈，对此 问题我们给出了一个费用分摊方法，该方法满足单调性、竞争 性近和６－近似成本补偿。
【参考文献】 ［１］ Ｓ．Ｇｕｈａ ａｎｄ Ｓ．Ｋｕｌｌｅｒ， Ｇｒｅｅｄｙ ｓｔｒｉｋｅｓ ｂａｃｋ： ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｆａｃｉｌｉｔｙ ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，１９９９， ３１： ２２８－２４８ ［２］ Ｄ．Ｂ．Ｓｈｍｏｙｓ， Ｅ．Ｔａｒｄ？ｓ ａｎｄ Ｋ．Ｉ．Ａａｒｄａｌ， Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ ｆａｃｉｌｉｔｙｌｏｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＴＯＣ， １９９７， ｐａｇｅｓ ２６５－２７４ ［３］ Ｓ．Ｌｉ， Ａ １．４８８ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｕｎｃａｐａｃｉｔａｔｅｄ ｆａｃｉｌｉｔｙ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ， Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ， ２０１３， ２２２： ４５－５８ ［４］ Ｍ．Ｐáｌ ａｎｄ Ｅ．Ｔａｒｄ？ｓ， Ｇｒｏｕｐ ｓｔｒａｔｅｇｙｐｒｏｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｖｉａ ｐｒｉｍａｌ－ｄｕａｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＦＯＣＳ， ２００３， ｐａｇｅｓ ５８４－５９３ ［５］ Ｚ．Ｗａｎｇ ａｎｄ Ｄ．Ｘｕ， Ａ ｃｏｓｔ－ｓｈａｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ａｎ ｕｎｃａｐａｃｉｔａｔｅｄ ｆａｃｉｌｉｔｙ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｇａｍｅ ｗｉｔｈ ｐｅｎａｌｔｌｅｓ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ， ２０１２， ２５： ２８７－２９２ 基金项目：河北省教育厅课题“动态设施选址问题的近似同时也会影响其它线路的按期 开工建设等诸多不利因素。
６ 建议措施 （１）在城市快速轨道交通的线网规划阶段，除了对线路走 向和车辆段（或停车场）进行规划控制外，对规划设置城市快 速轨道交通专用主变电所的所址地块需同时进行规划控制，同 时规划控制的地块与周边建筑的距离要足够。 （２）地方电力系统在进行２２０ ｋＶ的变电站建设规划时，应 结合城市快速轨道交通线网的规划，进行衔接和协调，给以后 线路主变电所的外部电源接入，提供良好的条件。 （３）对于主变电所的电磁干扰、电磁辐射、噪音干扰等问 题，做好对外宣传，避免人为因素造成不必要的恐慌，导致方 案出现大的变化。 （４）积极与相关的城市规划部门沟通，及时落实和稳定外 部１１０ｋＶ的电缆径路走向。 （５）积极与电力部门的相关计规部门沟通，落实和稳定外 部１１０ｋＶ电缆通道各区段的土建形式。
表１ 成都市快速轨道交通建设各线规划长度及需 配置的主变电所一览表
２．２网络建设模式下的主变电所设置方案 根据线网规划，７条快速轨道交通线路多处存在相交换乘关 系，因此站在整个规划线网高度，对成都市快速轨道交通规划 线网所需的受电点进行统一配置，实现轨道交通供电系统的资 源共享。 在网络共享模式下，成都市快速轨道交通规划线网供电系 统共需配置１３座主变电所。与单线建设模式相比，少建设了５座 主变电所，优化效益明显，实现了资源共享，有效节约城市有 限、宝贵的电力资源和土地资源。 ３ 主变电所及外部电源的设置原则 （１）主变电所的设置位置、容量和３５ ｋＶ馈线间隔数量应 充分考虑线路本期工程及后续延伸线的供电要求，并应结合成 都市快速轨道交通规划线网及建设时序充分考虑为相邻线路供 电的条件，以实现资源共享。 （２）系统容量按远期运营高峰小时负荷设计。 （ ３） 每 座 主 变 电 所 应 由 城 市 电 网 提 供 两 回 独 立 可 靠 的 １１０ｋＶ进线电源，两回进线电源可以来自不同地区变电站，也可 来自同一地区变电站的不同母线。两回进线电源应至少有一回 为专线电源。当一回进线电源解列时，另一回进线电源应能承 担该所供电范围内的牵引负荷和动力照明一、二级负荷。 （４）一个主变电所故障退出运行时，通过主变电所间的相 互支援，仍能保证整个轨道交通系统的正常运营。 ４ 主变电所设置面临的问题和风险 ４．１所址所在的地块及周边地块的问题 （１）位置本身没有设置主变电所的条件。①该地块已经有 其他建筑存在，如需在该处设置主变电所，将导致大量的拆 迁。②没有根据前期线网规划所做的主变电所设置方案对该地 块进行规划控制，该地块已经转作其他用途。 （２）位置周边条件不允许在该处设置主变电所。由于城市 快速轨道交通线路大部分均位于城区，在需设置主变电所的地 块周围，往往有大量的居民住宅楼存在。由于担心１１０／３５ ｋＶ主 变电所带来 的电磁辐射、电磁干扰、噪声污染等问题，很难获 得周边居民的理解和支持。 ４．２主变电所外部１１０ ｋＶ电源进线的问题
１ 城市快速轨道交通供电系统采用的模式 （１）集中供电方式。该方式是指城市轨道交通设置专用主 变电所，将来自于城市电网的电源（通常为１１０ｋＶ电压等级） 降压后向城市轨道交通内部电网供电。国内的上海、广州、深 圳、南京、重庆、武汉、杭州和成都等城市已经建成和在建的 城市轨道交通线路均采用了集中供电方式。 （２）分散供电方式。该方式是指城市轨道交通不设置专用 主变电所，牵引变电所和降压变电所直接从城市电网就近引入 两回独立可靠的电源（３５ ｋＶ或１０ ｋＶ）供电。但该种供电方式 要求轨道交通沿线有足够的电源引入点及备用容量，导致城市 电网的改造工程量大，城市轨道交通供电系统与城市电网接口 较多，管理复杂。目前国内只有北京地铁、大连和长春轻轨采 用了分散供电方式。 （３）混合供电方式。该方式是上述两种供电方式的结合， 是以集中供电为主、分散供电为辅的供电方式，其继电保护和 运营管理复杂。目前国内尚无采用该供电方式的工程实例。 根据成都市快速轨道交通线网规划，采用１１０／３５ ｋＶ集中供 电方式。 ２ 成都市快速轨道交通线网主变电所的设置情况 ２．１ 单线建设模式下的主变电所设置方案 由表１可以看出，在成都市快速轨道交通规划线网各线单独 考虑情况下，整个规划线网需配置１８座１１０／３５ ｋＶ主变电所，需 占用较多城市的电网电力资源和土地资源，工程实施难度大。
【参考文献】 ［１］ 中铁二院工程集团有限责任公司．成都地铁２号线供电系 统投标文件．成都，２００７ ［２］《成都市快速轨道交通线网规划（简本）》．成都，２００５
（上接９６页）施ｋ使得
记此阶段开放的设施为 。
第四步，指定需求。如果
，则
ｊ接受惩罚。否则
， 中用户的需求由ｉ满足；若
，
则此时ｊ的需求由离其最近的已开放的设施来满足。得到（４）的一
快速轨道交通供电系统主变电所建设 面临的问题和风险分析
◇中铁二十三局集团第四工程有限公司 张 娅 中铁二院工程集团有限责任公司电气化设计研究院 张开波
本文结合成都市目前进行的地铁建设，提出在工程建设 过程中供电系统主变电所建设面临的问题和风险，并提出相 关的建议。
成都市是我国中西部重要的中心城市，其规模已进入特大 城市的行列。根据２００５年版的《成都市快速轨道交通线网规划 （简本）》，成都市共规划了７条快速轨道交通线路，线网总长 ２７５ ｋｍ，平均每条线路长度３９．３ ｋｍ。到２０１３年轨道交通占公共 交通比例将达到１８．４％，占居民出行总量的比例达到４．６％； ２０３０年轨道交通占公共交通比例达到４３．８％，占居民出行总量的 比例达到２０．６％，使轨道交通成为城市客运中的骨干。城市快速 轨道交通以其大容量、准时快捷、安全高效的优势，在国家公 交优势战略的实施过程中，城市快速轨道交通采用电力驱动， 没有有害气体产生，不会增加市区的空气污染，并且运营后将 代替一部分公共汽车、小汽车，相应地又减少了一部分空气污 染源，对城市节能减排的战略目标具有重要意义。
组可行解记作
。
第五步，构造（１）的整数解：令
。
２算法分析
我们的算法满足下面的引理。
引理１，算法２．１得到的费用分摊满足单调性。
引理２，算法２．１得到的费用分摊满足竞争性。
引理３，如果设施 和 都开放，则：
。
引理４，对于
，都有：
。
引理５，对于
，ｉ为离其最近的已开放的
设施，都有
。
定理６，算法２．１得到的整数可行解是ＳＣＦＬＧＷＰ的６－近似成
８４
２０１４ 年 第 ６ 期
每座快速轨道交通线路的主变电所需要两回独立的１１０ ｋＶ 进线，尽管其数量不多，但容量大。而地方电力系统的２２０ ｋＶ 变电站的建设和规划没有结合整个成都市轨道交通线网进行， 从而导致很多主变电所的１１０ ｋＶ外部电源进线矛盾突出，实施 困难。目前阶段该主变电所附近还没有提供两回独立电源的条 件，需等待地方电力系统规划的２２０ ｋＶ变电站建成以后才能提 供。
４．３ 外部电缆通道径路的问题 由于地方电力系统与城市快速轨道交通线网规划的不配 套，导致外部电缆通道的径路较长，也往往会直接导致工程实 施的难度大。由于沿线经过的建筑物、其它市政管线较多，需 与地方规划部门多次进行协商并调整线路的走向；同时地方电 力系统的相关部门对于该电缆通道的土建形式是采用电缆浅沟 还是采用电缆隧道，在不同的区段内也经常要提出很多的不同 意见；或者由于外部管线或道路的建设等条件的变化；均会给 设计的外部电缆通道径路带来很多不确定的因素，从而导致工 期的延误。 ５ 主变电所及外部电源通道的不确定性对整个地铁建设带 来的风险 轨道交通线路要开通运营，首先要实现供电系统的开通； 而供电系统的开通，前提是主变电所机外部１１０ ｋＶ电源进线的 建成并正式运行。而以上所说的针对主变电所的诸多不确定性 风险均会直接导致整个线路工程建设工期的拖延，不能按期开
本补偿的费用分摊方法。
证明：在算法２．１中记第四步产生的费用为ｃｏｓｔ１
也即 由算法第五步知道
，于是：
，则有
所以
。
３ 结语 本文主要研究软容量约束的带惩罚的设施选址博弈，对此 问题我们给出了一个费用分摊方法，该方法满足单调性、竞争 性近和６－近似成本补偿。
【参考文献】 ［１］ Ｓ．Ｇｕｈａ ａｎｄ Ｓ．Ｋｕｌｌｅｒ， Ｇｒｅｅｄｙ ｓｔｒｉｋｅｓ ｂａｃｋ： ｉｍｐｒｏｖｅｄ ｆａｃｉｌｉｔｙ ｌｏｃａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ，１９９９， ３１： ２２８－２４８ ［２］ Ｄ．Ｂ．Ｓｈｍｏｙｓ， Ｅ．Ｔａｒｄ？ｓ ａｎｄ Ｋ．Ｉ．Ａａｒｄａｌ， Ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ ｆｏｒ ｆａｃｉｌｉｔｙｌｏｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍｓ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＴＯＣ， １９９７， ｐａｇｅｓ ２６５－２７４ ［３］ Ｓ．Ｌｉ， Ａ １．４８８ ａｐｐｒｏｘｉｍａｔｉｏｎ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｕｎｃａｐａｃｉｔａｔｅｄ ｆａｃｉｌｉｔｙ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｂｌｅｍ， Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｍｐｕｔａｔｉｏｎ， ２０１３， ２２２： ４５－５８ ［４］ Ｍ．Ｐáｌ ａｎｄ Ｅ．Ｔａｒｄ？ｓ， Ｇｒｏｕｐ ｓｔｒａｔｅｇｙｐｒｏｏｆ ｍｅｃｈａｎｉｓｍｓ ｖｉａ ｐｒｉｍａｌ－ｄｕａｌａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＦＯＣＳ， ２００３， ｐａｇｅｓ ５８４－５９３ ［５］ Ｚ．Ｗａｎｇ ａｎｄ Ｄ．Ｘｕ， Ａ ｃｏｓｔ－ｓｈａｒｉｎｇ ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ａｎ ｕｎｃａｐａｃｉｔａｔｅｄ ｆａｃｉｌｉｔｙ ｌｏｃａｔｉｏｎ ｇａｍｅ ｗｉｔｈ ｐｅｎａｌｔｌｅｓ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｓｃｉｅｎｃｅ ＆ Ｃｏｍｐｌｅｘｉｔｙ ， ２０１２， ２５： ２８７－２９２ 基金项目：河北省教育厅课题“动态设施选址问题的近似同时也会影响其它线路的按期 开工建设等诸多不利因素。
６ 建议措施 （１）在城市快速轨道交通的线网规划阶段，除了对线路走 向和车辆段（或停车场）进行规划控制外，对规划设置城市快 速轨道交通专用主变电所的所址地块需同时进行规划控制，同 时规划控制的地块与周边建筑的距离要足够。 （２）地方电力系统在进行２２０ ｋＶ的变电站建设规划时，应 结合城市快速轨道交通线网的规划，进行衔接和协调，给以后 线路主变电所的外部电源接入，提供良好的条件。 （３）对于主变电所的电磁干扰、电磁辐射、噪音干扰等问 题，做好对外宣传，避免人为因素造成不必要的恐慌，导致方 案出现大的变化。 （４）积极与相关的城市规划部门沟通，及时落实和稳定外 部１１０ｋＶ的电缆径路走向。 （５）积极与电力部门的相关计规部门沟通，落实和稳定外 部１１０ｋＶ电缆通道各区段的土建形式。
表１ 成都市快速轨道交通建设各线规划长度及需 配置的主变电所一览表
２．２网络建设模式下的主变电所设置方案 根据线网规划，７条快速轨道交通线路多处存在相交换乘关 系，因此站在整个规划线网高度，对成都市快速轨道交通规划 线网所需的受电点进行统一配置，实现轨道交通供电系统的资 源共享。 在网络共享模式下，成都市快速轨道交通规划线网供电系 统共需配置１３座主变电所。与单线建设模式相比，少建设了５座 主变电所，优化效益明显，实现了资源共享，有效节约城市有 限、宝贵的电力资源和土地资源。 ３ 主变电所及外部电源的设置原则 （１）主变电所的设置位置、容量和３５ ｋＶ馈线间隔数量应 充分考虑线路本期工程及后续延伸线的供电要求，并应结合成 都市快速轨道交通规划线网及建设时序充分考虑为相邻线路供 电的条件，以实现资源共享。 （２）系统容量按远期运营高峰小时负荷设计。 （ ３） 每 座 主 变 电 所 应 由 城 市 电 网 提 供 两 回 独 立 可 靠 的 １１０ｋＶ进线电源，两回进线电源可以来自不同地区变电站，也可 来自同一地区变电站的不同母线。两回进线电源应至少有一回 为专线电源。当一回进线电源解列时，另一回进线电源应能承 担该所供电范围内的牵引负荷和动力照明一、二级负荷。 （４）一个主变电所故障退出运行时，通过主变电所间的相 互支援，仍能保证整个轨道交通系统的正常运营。 ４ 主变电所设置面临的问题和风险 ４．１所址所在的地块及周边地块的问题 （１）位置本身没有设置主变电所的条件。①该地块已经有 其他建筑存在，如需在该处设置主变电所，将导致大量的拆 迁。②没有根据前期线网规划所做的主变电所设置方案对该地 块进行规划控制，该地块已经转作其他用途。 （２）位置周边条件不允许在该处设置主变电所。由于城市 快速轨道交通线路大部分均位于城区，在需设置主变电所的地 块周围，往往有大量的居民住宅楼存在。由于担心１１０／３５ ｋＶ主 变电所带来 的电磁辐射、电磁干扰、噪声污染等问题，很难获 得周边居民的理解和支持。 ４．２主变电所外部１１０ ｋＶ电源进线的问题
１ 城市快速轨道交通供电系统采用的模式 （１）集中供电方式。该方式是指城市轨道交通设置专用主 变电所，将来自于城市电网的电源（通常为１１０ｋＶ电压等级） 降压后向城市轨道交通内部电网供电。国内的上海、广州、深 圳、南京、重庆、武汉、杭州和成都等城市已经建成和在建的 城市轨道交通线路均采用了集中供电方式。 （２）分散供电方式。该方式是指城市轨道交通不设置专用 主变电所，牵引变电所和降压变电所直接从城市电网就近引入 两回独立可靠的电源（３５ ｋＶ或１０ ｋＶ）供电。但该种供电方式 要求轨道交通沿线有足够的电源引入点及备用容量，导致城市 电网的改造工程量大，城市轨道交通供电系统与城市电网接口 较多，管理复杂。目前国内只有北京地铁、大连和长春轻轨采 用了分散供电方式。 （３）混合供电方式。该方式是上述两种供电方式的结合， 是以集中供电为主、分散供电为辅的供电方式，其继电保护和 运营管理复杂。目前国内尚无采用该供电方式的工程实例。 根据成都市快速轨道交通线网规划，采用１１０／３５ ｋＶ集中供 电方式。 ２ 成都市快速轨道交通线网主变电所的设置情况 ２．１ 单线建设模式下的主变电所设置方案 由表１可以看出，在成都市快速轨道交通规划线网各线单独 考虑情况下，整个规划线网需配置１８座１１０／３５ ｋＶ主变电所，需 占用较多城市的电网电力资源和土地资源，工程实施难度大。
【参考文献】 ［１］ 中铁二院工程集团有限责任公司．成都地铁２号线供电系 统投标文件．成都，２００７ ［２］《成都市快速轨道交通线网规划（简本）》．成都，２００５
（上接９６页）施ｋ使得
记此阶段开放的设施为 。
第四步，指定需求。如果
，则
ｊ接受惩罚。否则
， 中用户的需求由ｉ满足；若
，
则此时ｊ的需求由离其最近的已开放的设施来满足。得到（４）的一