地铁供电系统节能降耗技术探讨

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摘要：城市轨道交通是城市发展的重要基础设施，地铁供电系统是为城市轨道交通运营提供所需电能，也是能耗较大的系统，在保障地铁正常运营的前提下，应用有效的节能降耗技术降低运营成本、节约能源是目前地铁供电系统运行中必须考虑的环节。本文结合贵阳地铁建设和运营情况，分析地铁主要能耗因素，提出节能降耗方案，为地铁运营更好地实现节能减排、绿色环保提供参考。

关键词：地铁；低压；供电系统；节能降耗；技术

城市轨道交通供电系统的节能降耗一直以来受到业界人士的高度关注，提出了各类节能降耗实施方案，但其思路大都重点放在了设计和建设阶段。其中设计阶段主要考虑各级变电所与变压器的容量设置、中压网络电压等级及接线形式、运行方式、电缆的选择、牵引网的设置等；建设阶段主要考虑各种能耗设备的选型，在满足运营要求的前提下重点考虑节能指标。由于不同的地区气候条件不同，运营线路客流量不同，商业及办公模式也有所不同，因此，分析运营阶段能源需求，采用相应的管理手段也是实现节能降耗的重要措施。本文主要研究地铁线路运营阶段供电系统的节能降耗技术及相应管理措施。

1地铁供电系统电能消耗分析

城市轨道交通供电系统负责提供车辆及设备运行所需的电能，主要由高压供电源系统、牵引供电系统和低压配电系统3大部分组成。其中高压供电源系统主要是从城市电网引入110kV等级电压，通过主变电所降压后分配给降压所和牵引所，为电客车和动力照明设备提供电能，该部分的电能消耗主要为设备运行中的线路损耗、空载损耗、热损耗等，已在设计阶段有所考虑。本文以贵阳地铁某线路为例，主要分析运营阶段牵引供电系统和低压配电系统的电能消耗问题。统计贵阳地铁某线路运营一年的平均电能消耗如表1、图1所示。1.1牵引供电系统在运营中的电能消耗。牵引供电系统由牵引变电所、牵引网、钢轨、回流线等部分组成，其电能消耗主要为电客车的运行牵引消耗，同时也是城市轨道交通供电系统中能源消耗的主要部分。在城市轨道交通运营中，牵引能耗主要与行车间隔、载客量、线路坡度、运营速度和运营时间等因素有关。1.2低压配电系统在运营中的电能消耗。低压配电系统由降压变电所和动力照明配电线路等组成，为车辆段、车场、车站、区间、各类照明、办公、商业、电扶梯、风机空调、水泵等动力设备及通信、信号、自动化等设备提供电源。在城市轨道交通运营中，低压配电系统能耗主要由以下几部分组成：（1）地铁通风制冷、给排水系统能量消耗。通风制冷、给排水系统能耗仅次于牵引供电系统的能耗，这2个系统含有冷水机组、冷却泵、冷冻泵、各大风机、消防水泵、污水泵，需要消耗较多能量，而且地铁在运营期间，空调通风制冷系统长时间处于固定运行模式，能量消耗巨大，且单一运行模式还会缩短空调的使用寿命，导致地铁空调通风系统的能量消耗增加。（2）地铁门梯系统能量消耗。地铁规模不断扩大，设备众多，各大地铁站使用电梯的种类也不尽相同，如杂物梯、自动扶梯、客梯、货梯等，这些电梯和扶梯设备在运营时间段需要保持在启动状态；各地铁车站的站台门在运营时间段根据电客车的到出站情况随时开关，这些大型动力设备运行均需消耗大量的电能。（3）地铁照明系统能量消耗。地铁照明系统对于地铁运营非常重要，其能量消耗较大，照明装置类型繁多。由于地铁车站基本设置在地下，照明设备不仅在站台和站厅需要设置，在设备房、办公区、隧道区间、电缆通道等区域均需设置，且基本保持全天24h不间断照明，因此整条地铁线路的照明电能消耗量也较大。（4）其他系统消耗电能。地铁信号、自动售检票、综合自动化等系统在地铁运营中为弱电设备，但为保障多个弱电系统设备的稳定运行，必须确保全天24h不间断供电及为弱电设备蓄电池充电，虽然单个设备用电量不大，但各系统设备较多，综合用电量则相当大。另外，地铁运营中还涉及办公用电以及物业开发等商业用电，办公电能消耗主要为车站及车辆段和停车场办公环境中空调设备、照明设备、电梯设备、办公设备等；商业电能消耗主要为地铁站物业开发、地铁站商业建设施工、商铺开发用电等。

2地铁供电系统节能降耗管理及应用

2.1基于大数据建立完善的智能化能源管理系统。传统城市轨道交通工程设置能源管理系统较少，且仅限于对部分能耗数据进行收集、存储并供用户集中查询，收集的数据较为粗放，无法有效对运营节能降耗管理进行分析和指导。针对该现状，提出建立一套完善的基于大数据的智能化能源管理系统。2.1.1智能化能源管理系统网络架构。根据地铁供电系统的实际情况，将能源管理系统设计为由计量终端、能源管理系统子站、能源管理系统主站3大部分构成。计量终端主要由智能电度计量表、通信设备和用电设备构成，智能电度计量表按照不同供电设备的电压等级、每个车站的不同区域、不同用电设备和不同用户进行安装，实行分类、分项和分户计量，重点计量末端设备的能耗，并通过通信设备将相关数据传输给能源管理子站。能源管理系统子站设于各车站内，主要由网络设备构成，负责将计量终端智能计量表采集的开关柜、配电箱、环控电控柜、配电控制箱等设备电能参数集中处理后上传给能源管理系统主站。能源管理系统主站为中央级，设于车辆段，主要包括数据存储与分析服务器、数据查询服务器、线路级数据采集服务器、工作站、打印机和网络设备。主站通过网络与各子站系统进行通信，采集全线路的能耗参数及主要设备的状态信息，完成数据采集、存储管理、统计分析，建立设备运行状态的统计和分析系统，建立设备评价、服务评价及用能效果评价指标体系，指导能耗管理工作的开展。2.1.2智能化能源管理系统的功能及应用。智能化能源管理系统主要以分类、分项、分户的形式采集供电系统各环节的用能数据，并将相关数据植入地铁能耗管理数据库内，建立用能模型，实现如下能耗管理需求，指导能源管理工作。能耗管理架构如图2所示。（1）能源管理部门对正常运营、办公和商业用电量进行核算，将核算后的数据按照每户每月正常用电需求在系统中设置能量消耗上限值，当用户能耗超限系统将自动报警，方便管理人员及时对超限能耗用户的使用情况进行核查，判断是否存在非正常用电情况。（2）通过系统采集用电数据对车站同类设备不同区域、不同时段的用电情况进行统计、分析、对比，管理人员可通过分析结果及时发现设备的不正常运行情况及是否存在设备老化耗能情况。（3）通过系统采集车站不同类型设备的用电量并进行对比分析，管理人员可重点对能耗较大的设备系统采取节能减排措施，在不影响正常运行的情况下降低能量消耗。（4）采集同一条线路不同车站的电能使用情况，并按照总体使用、分类使用、分项使用、分户使用进行分析排名，指导管理人员提出合理的节能减排方案。（5）通过数据采集和分析可以按月、年以图表的形式显示用户分类、分项和分户用能情况，管理人员可对能量消耗较大的车站、用电设备、用电商户进行分析，提出合理的节能措施。（6）系统可通过数据采集在大数据库中与国内各条线路重点设备系统能量消耗情况进行数据对比分析，管理人员根据数据对比及时掌握本线路的能量管理情况，向能量管理较好地铁线路的运营单位学习交流，进一步完善能源管理。2.2牵引供电系统节能降耗管理。根据贵阳地铁运营总结分析，地铁牵引供电系统电能消耗占整个供电系统电能消耗近一半，在设计和现有设备不变的前提下，通过如下技术管理手段可以降低地铁供电系统的牵引能耗。2.2.1通过合理调整行车间隔节约能耗。根据贵阳地铁某线路首通段运营日报统计计算，每月电客车的空载运营里程约为13000km，载客运行里程约为250000km，牵引能耗估算式为A空=ΔA×G空×M空（1）A载=ΔA×G空×M空+ΔA×G定×M载（2）式中，A空为空载能耗；A载为定额载客能耗；ΔA为单位能耗，取值0.052kW•h/t•km；M空为空驶里程；M载为载客运行里程；G空为电客车空载重量；G定为电客车定额载客重量。电客车为B型车4动2拖，Mp=35t，Tc=33t，电客车自重35×4+33×2=206t；每人平均按60kg，定员1460人，客重为1460×0.06=87.6t。通过上式计算发现每年的牵引空载能耗约为1671072kW•h，损耗量相当大，仅低于线路损耗。因此，运营指挥中心应对地铁线路的乘客乘车高峰、平稳、低谷等各个时间段进行调查分析，制定合理的行车计划，在客流高峰期提高行车密度，在客流低谷时间段增大行车间隔，同时根据早、晚期间客流的情况调整首末班车的开行时间（如在节假日和大型公共活动期间可以推迟末班车，提前首班车），在满足客流需求的前提下，适当安排各时间段列车的开行对数和速度，提高列车满载率，减少列车空驶距离。2.2.2通过合理调整行车速度实现节约能耗。假设车辆的运行阻力为FW，制动速度为v，列车总重量为M，车辆的制动距离为S，则产生的制动能量为E=Mv2/2−FWS由式（3）可以看出，车辆制动初速度越大所产生的制动能量也会越大，同时制动距离和制动时间越长，列车再生制动能量也越大。因此根据客流量的实际情况调整行车速度，在客流高峰期提高行车速度，在客流平稳期适当降低行车速度，在客流低谷时间段大幅降低行车速度，从而降低列车制动能量消耗。2.2.3提高再生制动能量吸收装置的应用。车辆制动分为电制动和空气制动，电制动又分为再生电制动和电阻制动，当再生制动失效时自动转为电阻制动。车辆再生制动产生的反馈能量一般约为牵引能量的30%，而这些再生能量被列车自用电消耗一部分，并按比例（一般为20%～80%，取决于列车运行密度和区间距离）被其他相邻取流列车吸收和利用，剩余部分将主要被车辆的吸收电阻以发热的方式消耗。当线路行车间隔较大时，再生制动能量由车辆吸收的几率较小，由于车辆的制动主要发生在运行过程中，如果再生能量由车辆吸收电阻吸收，必将带来隧道和地下车站的温升问题，同时也增加了地下车站内空调系统的负荷，造成大量的能源消耗，增加运营成本。因此贵阳地铁牵引供电系统配置了再生能量吸收装置以实现制动能量的回收和再利用，并在运营期间加强运营辅助设备的管理，提高再生能量回馈装置的利用率，降低电能消耗。2.3低压配电系统节能降耗管理。2.3.1结合季节气候特点，合理启动通风空调用量。贵阳地处西南地区，春、秋季节气候凉爽，温差不大，平均温度在15℃左右，可尽量减少通风空调的启用，节约电能消耗。根据目前贵阳地铁的调查研究，在春、秋季节地下车站站台层和站厅层仅启动1/3数量的空调即可，地面车站的站台和站厅层可充分利用自然通风，仅启用小系统，满足设备房的通风即可。夏季相对温度稍高，为科学合理地开启空调，在空调系统内安装温控启动装置，实现车站不同区域按照不同的温度调节启动空调的数量。冬季气温相对较低，地下站台和站厅层仅开启通风功能即可，实现节能降耗。2.3.2充分利用变频技术。在地铁低压配电系统中，电扶梯和风机系统是能源消耗较大的系统和设备，且运行时间长。在电扶梯系统中使用变频技术，实行分时管理，自动变速，客流高峰时段采用高频率运转，非高峰时段人流量降低时转为低频率运转，在无人乘梯时供电频率降到最低，可以极大降低能源的消耗，在节约客流通行时间的同时达到了节能的目的。在通风空调系统中使用变频技术，取代传统的风机风量和给水量的控制功能，通过变频调速器调节流量，可以极大降低电能的消耗。根据统计分析，在通风空调系统中使用变频技术，可以节约20%～50%电能。2.3.3充分利用自然能源。在车辆段、停车场、车站室外广场、站口外、高架区间等室外区域，增设太阳能照明设备，在日常照明中只开启太阳能照明灯，满足室外照明，有效降低照明能耗。2.3.4控制区域照度和照明时长。在地铁站口和地面站站台、站厅层照明设备上装设光照控制器，通过光照控制照明灯的启停，达到节能的目的；对站厅和站台层照明设备按照不同区域客流的不同，合理开启照明设备，且照明设备上装设时间控制器控制启停，实现夜间停运后自动关闭大部分照明设备；对设备巡视通道、设备房、办公房等不常用照明的区域安装声控设备，实现声控启停；对车站相关显示、指示类设备的照明在非运营时间段进行自动关闭设置，实现节能降耗。

3结语

地铁供电节能降耗技术应用的意义重大，符合可持续发展战略要求，同时也是城市地铁运行系统长足稳定发展的需要。因此，必须从多方面入手，充分运用现代化先进技术、先进设备，如大数据技术、变频技术、智能技术等，提升地铁设备运行的整体效率，实现节能减排，保障地铁的运行更加安全可靠、绿色环保。

参考文献：

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作者:朱龙佳 单位:贵阳市城市轨道交通集团有限公司