日本东京电力设施与城市布局融合的经验及启示

叶键民，蔡京陶，王若愚，王卿玮，毛森茂，王诗超

(1. 深圳供电局有限公司，广东 深圳 518000； 2. 中国能建广东省电力设计研究院有限公司，广东 广州 510663)

超大和特大城市的持续扩容，是中国城市化发展的趋势。然而城市扩容，对于公共管理和公共资源配置将带来新的压力。国内深圳、广州等城市，一些公共资源如电力设施建设与城市环境的矛盾日趋显著。城市人口高速增长的同时带来了电力负荷的快速增长，进而导致城市电力设施对城市用地提出了更多的需求，城市用地的紧缺又对电力设施与城市布局的融合提出了更高的要求。国外城市化进程较早的日本东京、美国西雅图等城市，在城市快速扩张的阶段，对电力设施与城市融合做了较多的探索，如日本东京新丰洲地下变电站建于市民公园之下，不仅解决了市中心电力供应紧张的局面，同时完善了中心城区电网结构，使安全供电的可能性大大提高，还为居民提供了集健身、休闲于一体的敞开式都市花园[1-2]；美国西雅图丹尼变电站，打破传统风格约束，把城市步行街道、景观、基础设施融为一体，结合公园规划设计，通过环形的多阶梯走廊把行人吸引到变电站，变电站最高处可以将城市景观尽收眼底，实现了公共基础设施、城市设计和景观建筑的高度融合[3-4]。

本文研究了日本东京电力设施与城市布局融合的有关经验和做法，通过借鉴其在城市电力设施建设的先进理念和城市混合功能规划经验，有利于我国形成科学、规范、全局化的城市电力设施发展方向，对我国深圳、广州等特大型城市提高城市用电可靠性、完善电力设施功能、融合电力设施建设与城市布局带来一些启示。

1 日本电力公司概况

按供电区域划分，日本成立有东京电力、北陆电力、中部电力、关西电力等10家电力公司。不同电力公司之间联系较弱，跨区域电力交换较少。以东京电力公司为例，其实行发输配供一体化管理，供电范围为首都和附近其他地区，供电人口约5 000万，总的供电面积4万km2，承担了日本近1/6的电力供应份额[2]。2019年东京电力供电范围的最高供电负荷约达6 000万kW，售出2 800亿kWh电量，占日本全国总售电量的36.2%。东京电力公司在其管辖区域内建设了坚固的输配电线网络，实现了对所有客户的双回路供电；已建成足够的发电装置，系统峰值备用率超过8%，完成了从“供电”到“良好供电”的变换。

日本东京地区人口密度大，用电量和负荷密度在全球大中城市居于前列。随着城市化水平和电力工业的快速发展，电力设施与周围环境相协调的要求逐步提高，东京电力公司在缓解土地资源紧缺与电力设施建设矛盾，实现变电站建筑设计与周围环境融合结合方面，开展了一些较好的举措。

2 东京电力设施建设面临的问题

东京电力公司在电力设施规划建设过程中，首先面临的是土地资源紧缺问题，导致变电站规划选址尤其困难。此外紧缺的土地面积又对建筑主体的设计提出了更高的要求和标准。另外则是对于征收土地所需付出的补偿金较高，严重影响整个变电站的经济效益。最后则是社会对变电站产生的电磁辐射存在一定的偏见认知，这就导致在变电站建设过程中易受到一定程度的阻力。

东京电力公司为了确保电力设施建设工程项目的顺利开展，采取了以下措施和方式：①充分利用城市综合管廊。电力电缆与通信电缆、供热供水管道供用管廊，高效利用土地资源；②将变电站建设在地下，充分开发地上和地下空间的利用率；③建设合建变电站、装配式变电站等，使电力设施与其他建筑合理结合，最大程度地发挥土地资源的利用率，也不影响到整个城市的美观设计，进而满足城市用电需求，提高变电站的经济效益；④充分发挥广场、公园等基础公共设施的空间利用率，既保证不会干涉到整个城市的空间，还能够将变电站的功能结构嵌入到整个城市的发展中，进而不断推动整个城市的和谐稳定发展。

3 日本综合管廊工程建设

3.1 东京临海副都心综合管廊

东京城市副中心之一的临海副都心,位于东京市中央港区,占地面积共4.42 km2。临海市副都心的市政基础和配套设施齐全,每座建筑都可以直接连通上下水、供电通讯、供气及垃圾回收系统,市政管线的种类总共有10种[5-6]。东京临海副都心综合管廊断面示意图见图1。

图1 东京临海副都心综合管廊断面示意图

为使市政管道高效运行，除了雨水管道之外，其他9种管线都被归纳为综合管廊。该综合管廊拥有目前世界上最大的截面规格、管廊长度和能包含的管线量，项目总成本约32亿美元，每年维护管理费用需370万美元。临海综合管廊项目成本高，效果显著，安全性和可靠性都很好。

临海综合管廊建筑物的总长度约为16 km，标准断面主管廊宽度约19.2 m，高为5.2 m，管道间留置2 m的清洁、净空,方便其对管道进行定期的巡视及日常保养。敷设使用的管线大致分为电力电缆线路、给水管、再生饮用水管、数据通讯线路、供热管道、供冷水管、燃气输送管道等各类管道，同时在这条管廊内还将为未来的建设项目提供一定的空间。

3.2 气体绝缘线路综合管廊

气体绝缘线路(Gas Insulated Line,GIL)多用于水电站、核电厂及火电厂。世界上最长的GIL线路在日本，即Shinmeika-Tokai线，该类型的输电系统总体长度3.3 km，电压等级275 kV，电流承受能力为6.3 kA，采用综合式管廊敷设。综合管廊建筑坐落在地下30 m，内径5.6 m，分上下2层，综合管廊上层主要作为双回GIL输电线路，下层主要是为发电厂提供液化天然气的综合管道，通过一个共用的综合管廊极大地改善和提高了其空间的利用率，节约了项目建设投资，目前综合管廊运行情况良好。日本Shinmeika-Tokai线路综合管廊断面图见图2。

图2 日本Shinmeika-Tokai线路综合管廊断面图

4 东京变电设施建设与城市融合

4.1 东京新丰洲地下变电站

地下变电站的设置一般分为地下三层，一层布置有主控制室、通信机房、电容器室、消防设备安全防护室等，二层布置主变室、10 kV开关控制室、110 kV GIS室、接地变室等功能房间，三层为电缆夹层。

日本东京新丰洲500 kV地下变电站是世界上第一个深入城市地区的地下变电站，同时也是世界上第一个已经建成的500 kV地下变电站。地面建筑为9层，变电站总容量有6 480 MVA，分为3台500 kV、1 500 MVA主变压器，6台275 kV、300 MVA主变压器，3台66 kV主变压器。

该变电站共有三种电压标准：500、275、66 kV。500 kV为线路式变压器机组，275 kV一次出线为6回，66 kV出线数为8回。变电站底部布置了变压器、电抗器、电容器等重型装置，中间布置GIS等轻型装置，顶部分别布置了控制室、排气塔，降低了变电站建造成本。大型装置进入地下的物流运输渠道和有效途径是地下变电站设计中要考虑的一个重要方面。

此外，新丰洲变电站GIS室层梁底标高只比GIS设备高1 m。GIS室不需要安装检修用车，选择工业级的照明灯并将其安装到合理的位置上，这样就可以大大降低后期的维护成本，操作方便。常规的变电站GIS房间一般高度可达10 m，主要考虑到的就是在GIS房间里设置自动驾驶，其运营所需的路径高度要求较大。这样的高层建筑设计很难在地下变电站实施。

东京电力公司拥有的地下变电站共享有许多地上的配套设施，包括公园、寺庙、办公大厦、电力公司建筑物等。通过这些地上的设施，地下变电站得到了很好的屏蔽,同时使得变电站的噪声、电磁辐射等都得到了有效的降低，达到协调建筑物的景观、维护环境、增强了变电站的安全性等目的。

4.2 东京代官山合建变电站

合建变电站即变电站与商业设施融合建设。合建变电站上盖物业产权多为电力公司自有。东京市区变电站的建设面临着许多问题，包括用地紧张、与城市周边建筑风格协调配合、设备运行噪声对居民生活或办公影响等外部因素，合建变电站是有效的解决措施之一。合建变电站工程建设中有较好的成果，不仅合理利用公共资源，减少土地占用，降低成本，而且减少噪声对周围环境的干扰，解决了与周围环境建设的协调问题。

合建变电站”就是将常规布置的变电站的建、构筑物集约为一个整体模块，将其附设到其他建筑综合体中去，故而称之为“合建式变电站”(见图3)。

图3 合建变电站示意图

以东京特色街区代官山为例，其超高层公寓项目纳入了一个面积达13 000 m2的变电枢纽站。这一项目将超高层建筑与大型电力设施很好地结合在一起，且正是因为东京电力公司购买了不易被当时市场消化的地下空间用来建设变电站，才使得该项目顺利实施。项目建成以来，对于将超高层建筑与变电枢纽站放在一块基地上的问题未引起任何争议。

东京代官山变电站与常规变电站的不同点在于：

1)设计标准不同。代官山变电站与主体建筑统筹规划设计，变电站按工业设计标准执行，主体建筑按民用设计标准执行，合建设计标准按两者较高级别执行；同时代官山合建变电站设计还满足相应类别行业标准。

2)变电站电气设备无油化。代官山变电站与合建建筑零距离甚至嵌在其中，共处同一个场所，采取了特殊有效的防范措施，解决消防问题。根据日本相关消防规定，110 kV及以上电压等级的变电站的布置要求均为间隔一定的防火间距独立建造。因此，代官山合建变电站所有电气设备均采用了无油化设计。

3)火灾报警系统。代官山变电站火灾报警系统纳入主体建筑火灾报警系统一体设计，采用三重报警方式，将消防报警信号分别送至东京电力调度中心、东京电力安防中心及主体建筑报警系统，满足不同单位及部门的管理及监控要求。

总的来说，合建变电站不单独征地，不设围墙，优化利用土地资源，是城市基础设施与城市开发项目集约融合的重大创新突破。合建变电站可上盖物业，进一步提高城市土地开发价值，增加社会经济效益。合建变电站与主体项目的统筹设计、同时施工，避免了变电站滞后建设时由于居民对变电站的不理解进行的阻拦，有效降低了变电站建设的社会风险，解决了变电站建设困难的问题。

4.3 东京丰岛装配式变电站

装配式变电站是通过标准化、模块化的设计与建造，实现工厂化加工和生产变电站构件和材料，最终利用规模化生产全面达到提升质量，快速施工和降低成本的目标[7]。它是由技术性高、安全性好、污染小的智能模块化单元构成的密集型、多用途功能封闭式的变电站。

以东京110 kV丰岛装配式变电站为例，主要组成部分均在生产厂商制造、调试，现场施工时快速拼装，各建筑物、构筑物实现并联施工，建设效率明显高于传统现浇变电站，工期大幅度缩减。变电站的围墙、大门、结构支架、设备支架等全部采用组合式装配钢结构、蒸压轻质加气混凝土板，所有钢结构构件也在厂商处预制，进行工业化、规模化生产，技术统一化，规格标准化。现场施工基本无湿式作业，施工无污染、无噪声，对施工作业人员健康的不良影响大幅度减少。与传统变电站相比，东京丰岛装配式综合变电站在设计上具有工期短、现场操作时间短、质量高等优点，减少占地面积，集约生产，缩短工期，使变电站建设走上了科学技术含量高、精密细化建设的道路。

装配式变电站利用“装配式”技术，更改了传统变电站建设模式。在东京丰岛装配式变电站建设中，使用预制钢结构材料加工制作的各种建筑元件、电气设备及自动化控制单元以及电缆的集成与组装等一系列创新技术，减少了工作量，工期时间大大缩短，保证质量，减少人工成本，提高质量和环境效益。装配式变电站是变电站建设的一场新革命，它不仅突破了传统变电站电气布局、土建设计和施工模式，更是对电网及电网工作者的一种挑战。装配式智能变电站虽处于发展初期，但将来应是提高电网建设水平、促进智能电网发展的有效途径之一。

5 对国内特大型城市电力设施建设的启示

深圳电力负荷密度位居全国之首，随着城市发展特别是城市更新改造工作的开展，城市变电站，尤其中心高密度负荷区变电站选址落地越发困难，变电站用地与土地供给的矛盾越来越突出。借鉴日本东京电力设施建设的经验和举措，在深圳电力设施建设规划选址、方案制定时综合考虑城市综合管廊、地下变电站、合建变电站以及装配式变电站等方案，可以产生较好的社会和经济效益：

1)可与城市布局有机融合。采用城市综合管廊，地下变电站、合建变电站等，消除了架空线路走廊的征地以及与环境协调等问题，有效利用了地下空间，可以实现与城市环境的融合。

2)大幅节省工程用地。采用地下变电站、合建变电站不须单独征地，不新建围墙，可以优化利用土地资源。根据南网设计标准，围墙内占地面积不超过3 071 m2，深圳国土局要求为不超过2 500～2 800 m2，地下变电站、合建变电站几乎不征地，节省率达100%。

3)显著提高土地开发价值。地下变电站、合建变电站可上盖物业，进一步提高了城市土地开发价值，增加社会经济效益。以某110 kV变电站上盖物业计，可新增建筑面积约2万m2，以深圳地区地面商业价值估算，新增经济效益不低于20亿元。

4)有效提高供电可靠性。合建变电站可深入负荷中心，缩短供电半径，对提高区域的供电可靠性具有重要作用。以深圳湾科技生态园为例，如采用110 kV合建变电站方案，该变电站与科技生态园商业建筑合建，直接为科技园生态城提供10 kV出线，供电半径可缩短至500 m以内，比深圳供电局规定10 kV供电半径3 km缩短83%，可减少线损20%。

6 结 语

日本东京与我国一些特大型城市如深圳、广州等，在地形、人口密度、城市化进程、电力负荷分布、土地资源紧缺等方面存在高度相似性。随着近年来我国更注重打造生态城市、绿色城市,社会对电力设施与环境融合的要求越来越高。深圳等特大型城市新的电力设施建设借鉴日本东京采用的城市综合管廊、地下变电站、合建变电站等方案和措施，不仅可以缓解变电站用地压力，集约利用土地，提高土地综合利用价值；同时能够实现变电站深入负荷中心，缩短供电半径，提高供电可靠性，较好地解决城市发展与电网建设的矛盾，实现电力实施与城市布局较好的融合。