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摘要：城市軌道交通是城市發展的重要基礎設施，地鐵供電系統是為城市軌道交通運營提供所需電能，也是能耗較大的系統，在保障地鐵正常運營的前提下，應用有效的節能降耗技術降低運營成本、節約能源是目前地鐵供電系統運行中必須考慮的環節。本文結合貴陽地鐵建設和運營情況，分析地鐵主要能耗因素，提出節能降耗方案，為地鐵運營更好地實現節能減排、綠色環保提供參考。

關鍵詞：地鐵；低壓；供電系統；節能降耗；技術

城市軌道交通供電系統的節能降耗一直以來受到業界人士的高度關注，提出了各類節能降耗實施方案，但其思路大都重點放在了設計和建設階段。其中設計階段主要考慮各級變電所與變壓器的容量設置、中壓網絡電壓等級及接線形式、運行方式、電纜的選擇、牽引網的設置等；建設階段主要考慮各種能耗設備的選型，在滿足運營要求的前提下重點考慮節能指標。由于不同的地區氣候條件不同，運營線路客流量不同，商業及辦公模式也有所不同，因此，分析運營階段能源需求，采用相應的管理手段也是實現節能降耗的重要措施。本文主要研究地鐵線路運營階段供電系統的節能降耗技術及相應管理措施。

1地鐵供電系統電能消耗分析

城市軌道交通供電系統負責提供車輛及設備運行所需的電能，主要由高壓供電源系統、牽引供電系統和低壓配電系統3大部分組成。其中高壓供電源系統主要是從城市電網引入110kV等級電壓，通過主變電所降壓后分配給降壓所和牽引所，為電客車和動力照明設備提供電能，該部分的電能消耗主要為設備運行中的線路損耗、空載損耗、熱損耗等，已在設計階段有所考慮。本文以貴陽地鐵某線路為例，主要分析運營階段牽引供電系統和低壓配電系統的電能消耗問題。統計貴陽地鐵某線路運營一年的平均電能消耗如表1、圖1所示。1.1牽引供電系統在運營中的電能消耗。牽引供電系統由牽引變電所、牽引網、鋼軌、回流線等部分組成，其電能消耗主要為電客車的運行牽引消耗，同時也是城市軌道交通供電系統中能源消耗的主要部分。在城市軌道交通運營中，牽引能耗主要與行車間隔、載客量、線路坡度、運營速度和運營時間等因素有關。1.2低壓配電系統在運營中的電能消耗。低壓配電系統由降壓變電所和動力照明配電線路等組成，為車輛段、車場、車站、區間、各類照明、辦公、商業、電扶梯、風機空調、水泵等動力設備及通信、信號、自動化等設備提供電源。在城市軌道交通運營中，低壓配電系統能耗主要由以下幾部分組成：（1）地鐵通風制冷、給排水系統能量消耗。通風制冷、給排水系統能耗僅次于牽引供電系統的能耗，這2個系統含有冷水機組、冷卻泵、冷凍泵、各大風機、消防水泵、污水泵，需要消耗較多能量，而且地鐵在運營期間，空調通風制冷系統長時間處于固定運行模式，能量消耗巨大，且單一運行模式還會縮短空調的使用壽命，導致地鐵空調通風系統的能量消耗增加。（2）地鐵門梯系統能量消耗。地鐵規模不斷擴大，設備眾多，各大地鐵站使用電梯的種類也不盡相同，如雜物梯、自動扶梯、客梯、貨梯等，這些電梯和扶梯設備在運營時間段需要保持在啟動狀態；各地鐵車站的站臺門在運營時間段根據電客車的到出站情況隨時開關，這些大型動力設備運行均需消耗大量的電能。（3）地鐵照明系統能量消耗。地鐵照明系統對于地鐵運營非常重要，其能量消耗較大，照明裝置類型繁多。由于地鐵車站基本設置在地下，照明設備不僅在站臺和站廳需要設置，在設備房、辦公區、隧道區間、電纜通道等區域均需設置，且基本保持全天24h不間斷照明，因此整條地鐵線路的照明電能消耗量也較大。（4）其他系統消耗電能。地鐵信號、自動售檢票、綜合自動化等系統在地鐵運營中為弱電設備，但為保障多個弱電系統設備的穩定運行，必須確保全天24h不間斷供電及為弱電設備蓄電池充電，雖然單個設備用電量不大，但各系統設備較多，綜合用電量則相當大。另外，地鐵運營中還涉及辦公用電以及物業開發等商業用電，辦公電能消耗主要為車站及車輛段和停車場辦公環境中空調設備、照明設備、電梯設備、辦公設備等；商業電能消耗主要為地鐵站物業開發、地鐵站商業建設施工、商鋪開發用電等。

2地鐵供電系統節能降耗管理及應用

2.1基于大數據建立完善的智能化能源管理系統。傳統城市軌道交通工程設置能源管理系統較少，且僅限于對部分能耗數據進行收集、存儲并供用戶集中查詢，收集的數據較為粗放，無法有效對運營節能降耗管理進行分析和指導。針對該現狀，提出建立一套完善的基于大數據的智能化能源管理系統。2.1.1智能化能源管理系統網絡架構。根據地鐵供電系統的實際情況，將能源管理系統設計為由計量終端、能源管理系統子站、能源管理系統主站3大部分構成。計量終端主要由智能電度計量表、通信設備和用電設備構成，智能電度計量表按照不同供電設備的電壓等級、每個車站的不同區域、不同用電設備和不同用戶進行安裝，實行分類、分項和分戶計量，重點計量末端設備的能耗，并通過通信設備將相關數據傳輸給能源管理子站。能源管理系統子站設于各車站內，主要由網絡設備構成，負責將計量終端智能計量表采集的開關柜、配電箱、環控電控柜、配電控制箱等設備電能參數集中處理后上傳給能源管理系統主站。能源管理系統主站為中央級，設于車輛段，主要包括數據存儲與分析服務器、數據查詢服務器、線路級數據采集服務器、工作站、打印機和網絡設備。主站通過網絡與各子站系統進行通信，采集全線路的能耗參數及主要設備的狀態信息，完成數據采集、存儲管理、統計分析，建立設備運行狀態的統計和分析系統，建立設備評價、服務評價及用能效果評價指標體系，指導能耗管理工作的開展。2.1.2智能化能源管理系統的功能及應用。智能化能源管理系統主要以分類、分項、分戶的形式采集供電系統各環節的用能數據，并將相關數據植入地鐵能耗管理數據庫內，建立用能模型，實現如下能耗管理需求，指導能源管理工作。能耗管理架構如圖2所示。（1）能源管理部門對正常運營、辦公和商業用電量進行核算，將核算后的數據按照每戶每月正常用電需求在系統中設置能量消耗上限值，當用戶能耗超限系統將自動報警，方便管理人員及時對超限能耗用戶的使用情況進行核查，判斷是否存在非正常用電情況。（2）通過系統采集用電數據對車站同類設備不同區域、不同時段的用電情況進行統計、分析、對比，管理人員可通過分析結果及時發現設備的不正常運行情況及是否存在設備老化耗能情況。（3）通過系統采集車站不同類型設備的用電量并進行對比分析，管理人員可重點對能耗較大的設備系統采取節能減排措施，在不影響正常運行的情況下降低能量消耗。（4）采集同一條線路不同車站的電能使用情況，并按照總體使用、分類使用、分項使用、分戶使用進行分析排名，指導管理人員提出合理的節能減排方案。（5）通過數據采集和分析可以按月、年以圖表的形式顯示用戶分類、分項和分戶用能情況，管理人員可對能量消耗較大的車站、用電設備、用電商戶進行分析，提出合理的節能措施。（6）系統可通過數據采集在大數據庫中與國內各條線路重點設備系統能量消耗情況進行數據對比分析，管理人員根據數據對比及時掌握本線路的能量管理情況，向能量管理較好地鐵線路的運營單位學習交流，進一步完善能源管理。2.2牽引供電系統節能降耗管理。根據貴陽地鐵運營總結分析，地鐵牽引供電系統電能消耗占整個供電系統電能消耗近一半，在設計和現有設備不變的前提下，通過如下技術管理手段可以降低地鐵供電系統的牽引能耗。2.2.1通過合理調整行車間隔節約能耗。根據貴陽地鐵某線路首通段運營日報統計計算，每月電客車的空載運營里程約為13000km，載客運行里程約為250000km，牽引能耗估算式為A空=ΔA×G空×M空（1）A載=ΔA×G空×M空+ΔA×G定×M載（2）式中，A空為空載能耗；A載為定額載客能耗；ΔA為單位能耗，取值0.052kW•h/t•km；M空為空駛里程；M載為載客運行里程；G空為電客車空載重量；G定為電客車定額載客重量。電客車為B型車4動2拖，Mp=35t，Tc=33t，電客車自重35×4+33×2=206t；每人平均按60kg，定員1460人，客重為1460×0.06=87.6t。通過上式計算發現每年的牽引空載能耗約為1671072kW•h，損耗量相當大，僅低于線路損耗。因此，運營指揮中心應對地鐵線路的乘客乘車高峰、平穩、低谷等各個時間段進行調查分析，制定合理的行車計劃，在客流高峰期提高行車密度，在客流低谷時間段增大行車間隔，同時根據早、晚期間客流的情況調整首末班車的開行時間（如在節假日和大型公共活動期間可以推遲末班車，提前首班車），在滿足客流需求的前提下，適當安排各時間段列車的開行對數和速度，提高列車滿載率，減少列車空駛距離。2.2.2通過合理調整行車速度實現節約能耗。假設車輛的運行阻力為FW，制動速度為v，列車總重量為M，車輛的制動距離為S，則產生的制動能量為E=Mv2/2−FWS由式（3）可以看出，車輛制動初速度越大所產生的制動能量也會越大，同時制動距離和制動時間越長，列車再生制動能量也越大。因此根據客流量的實際情況調整行車速度，在客流高峰期提高行車速度，在客流平穩期適當降低行車速度，在客流低谷時間段大幅降低行車速度，從而降低列車制動能量消耗。2.2.3提高再生制動能量吸收裝置的應用。車輛制動分為電制動和空氣制動，電制動又分為再生電制動和電阻制動，當再生制動失效時自動轉為電阻制動。車輛再生制動產生的反饋能量一般約為牽引能量的30%，而這些再生能量被列車自用電消耗一部分，并按比例（一般為20%～80%，取決于列車運行密度和區間距離）被其他相鄰取流列車吸收和利用，剩余部分將主要被車輛的吸收電阻以發熱的方式消耗。當線路行車間隔較大時，再生制動能量由車輛吸收的幾率較小，由于車輛的制動主要發生在運行過程中，如果再生能量由車輛吸收電阻吸收，必將帶來隧道和地下車站的溫升問題，同時也增加了地下車站內空調系統的負荷，造成大量的能源消耗，增加運營成本。因此貴陽地鐵牽引供電系統配置了再生能量吸收裝置以實現制動能量的回收和再利用，并在運營期間加強運營輔助設備的管理，提高再生能量回饋裝置的利用率，降低電能消耗。2.3低壓配電系統節能降耗管理。2.3.1結合季節氣候特點，合理啟動通風空調用量。貴陽地處西南地區，春、秋季節氣候涼爽，溫差不大，平均溫度在15℃左右，可盡量減少通風空調的啟用，節約電能消耗。根據目前貴陽地鐵的調查研究，在春、秋季節地下車站站臺層和站廳層僅啟動1/3數量的空調即可，地面車站的站臺和站廳層可充分利用自然通風，僅啟用小系統，滿足設備房的通風即可。夏季相對溫度稍高，為科學合理地開啟空調，在空調系統內安裝溫控啟動裝置，實現車站不同區域按照不同的溫度調節啟動空調的數量。冬季氣溫相對較低，地下站臺和站廳層僅開啟通風功能即可，實現節能降耗。2.3.2充分利用變頻技術。在地鐵低壓配電系統中，電扶梯和風機系統是能源消耗較大的系統和設備，且運行時間長。在電扶梯系統中使用變頻技術，實行分時管理，自動變速，客流高峰時段采用高頻率運轉，非高峰時段人流量降低時轉為低頻率運轉，在無人乘梯時供電頻率降到最低，可以極大降低能源的消耗，在節約客流通行時間的同時達到了節能的目的。在通風空調系統中使用變頻技術，取代傳統的風機風量和給水量的控制功能，通過變頻調速器調節流量，可以極大降低電能的消耗。根據統計分析，在通風空調系統中使用變頻技術，可以節約20%～50%電能。2.3.3充分利用自然能源。在車輛段、停車場、車站室外廣場、站口外、高架區間等室外區域，增設太陽能照明設備，在日常照明中只開啟太陽能照明燈，滿足室外照明，有效降低照明能耗。2.3.4控制區域照度和照明時長。在地鐵站口和地面站站臺、站廳層照明設備上裝設光照控制器，通過光照控制照明燈的啟停，達到節能的目的；對站廳和站臺層照明設備按照不同區域客流的不同，合理開啟照明設備，且照明設備上裝設時間控制器控制啟停，實現夜間停運后自動關閉大部分照明設備；對設備巡視通道、設備房、辦公房等不常用照明的區域安裝聲控設備，實現聲控啟停；對車站相關顯示、指示類設備的照明在非運營時間段進行自動關閉設置，實現節能降耗。

3結語

地鐵供電節能降耗技術應用的意義重大，符合可持續發展戰略要求，同時也是城市地鐵運行系統長足穩定發展的需要。因此，必須從多方面入手，充分運用現代化先進技術、先進設備，如大數據技術、變頻技術、智能技術等，提升地鐵設備運行的整體效率，實現節能減排，保障地鐵的運行更加安全可靠、綠色環保。

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作者:朱龍佳 單位:貴陽市城市軌道交通集團有限公司