廣州現(xiàn)代有軌電車(chē)能耗與節(jié)能分析

蘇 浚 宿亞軍 唐光華

(廣州有軌電車(chē)有限責(zé)任公司,510310,廣州∥第一作者,副總工程師)

廣州現(xiàn)代有軌電車(chē)能耗與節(jié)能分析

蘇 浚 宿亞軍 唐光華

(廣州有軌電車(chē)有限責(zé)任公司,510310,廣州∥第一作者,副總工程師)

根據(jù)廣州儲(chǔ)能式有軌電車(chē)運(yùn)營(yíng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),分析有軌電車(chē)能耗組成及影響因素。利用回歸分析的方法,將影響有軌電車(chē)能耗的重要因素按照其對(duì)能耗影響的大小,依次引進(jìn)回歸方程。建立了有軌電車(chē)能耗體系的多元回歸數(shù)學(xué)模型,并利用該模型檢驗(yàn)了廣州有軌電車(chē)線路實(shí)際能耗。結(jié)果顯示,總能耗誤差小于5%,可以較精準(zhǔn)地預(yù)測(cè)有軌電車(chē)能耗變動(dòng)趨勢(shì)。在此基礎(chǔ)上,對(duì)節(jié)能措施進(jìn)行了深入剖析,系統(tǒng)地提出了有軌電車(chē)節(jié)能方法及實(shí)現(xiàn)的途徑。

現(xiàn)代有軌電車(chē); 能耗預(yù)測(cè); 多元回歸; 節(jié)能分析

Author′s address Guangzhou Tram Limited Liability Company,510310,Guangzhou,China

1 有軌電車(chē)能耗組成

有軌電車(chē)能耗系統(tǒng)主要分為列車(chē)牽引及輔助能耗、動(dòng)力照明能耗以及其它損耗3個(gè)部分,各部分組成見(jiàn)圖1。

圖1 有軌電車(chē)系統(tǒng)主要耗能設(shè)備

2 相關(guān)變量的選取

(1) 列車(chē)牽引及輔助能耗相關(guān)變量:根據(jù)物理知識(shí),列車(chē)走行公里數(shù)越多、運(yùn)輸質(zhì)量越大,電能消耗就越多。客運(yùn)量的多少及日常氣溫的高低也會(huì)使空調(diào)的運(yùn)行受到影響。依照自變量互斥、高度相關(guān)只選其一的原則,經(jīng)總體比較,列車(chē)牽引能耗初始選取運(yùn)行里程、客運(yùn)周轉(zhuǎn)量為自變量;列車(chē)輔助能耗則選取客運(yùn)周轉(zhuǎn)量及日最高氣溫為自變量。

(2) 動(dòng)力照明能耗相關(guān)變量:動(dòng)力照明能耗主要受環(huán)境溫度的影響,因此選取日均氣溫為自變量。

(3) 其它損耗相關(guān)變量:其它損耗是以熱的形式消耗掉的電能。其它損耗主要受環(huán)境溫度的影響,并與充電電流量的二次方成正比例關(guān)系。充電電流量的表現(xiàn)形式是總耗電量,將總耗電量開(kāi)方后可近似等同于充電電流量,因此可以總耗電量作為自變量進(jìn)行擬合。

3 建立能耗回歸模型

根據(jù)以上分析,自變量與能耗之間滿足統(tǒng)計(jì)特征,故可通過(guò)回歸分析法研究它們之間的關(guān)系,建立能耗回歸模型。

3.1 列車(chē)牽引及輔助能耗的回歸模型

3.1.1 列車(chē)牽引能耗的回歸模型

列車(chē)牽引能耗的線性回歸模型為:

式中:

y11——列車(chē)牽引能耗,kW·h;

x1——總行駛里程,km;

x2——客運(yùn)周轉(zhuǎn)量,103人·km;

β01——回歸常數(shù);

β02,β03——x1,x2的回歸常數(shù);

ε——隨機(jī)誤差項(xiàng)。

3.1.2 列車(chē)輔助能耗的回歸模型

考慮到列車(chē)輔助能耗與日最高氣溫不是純線性關(guān)系,因此將日最高氣溫的二次方作為自變量,其回歸模型為:

式中:

y12——列車(chē)輔助能耗,kW·h;

β04——回歸常數(shù);

x3——日最高氣溫,℃;

ε——隨機(jī)誤差項(xiàng)。

3.2 動(dòng)力照明能耗的回歸模型

動(dòng)力照明主要是受環(huán)境溫度的影響,其線性回歸模型為:

式中:

y2——?jiǎng)恿φ彰髂芎?kW·h;

x4——日平均氣溫,℃;

β07——回歸常數(shù);

β08——x4的回歸常數(shù);

ε——隨機(jī)誤差項(xiàng)。

3.3 其它損耗的回歸模型

其他損耗模型形式為:

式中:

y3——其它損耗,kW·h;

y總——總耗電量,kw·h;

β09——回歸常數(shù);

β10——x4的回歸常數(shù);

β11——y總的回歸常數(shù)。

4 能耗模型計(jì)算及顯著性檢驗(yàn)

計(jì)算數(shù)據(jù)來(lái)源于廣州有軌電車(chē)有限責(zé)任公司2015年5、6月份各模塊部分能耗數(shù)據(jù),詳見(jiàn)表1。

4.1 列車(chē)牽引能耗計(jì)算

根據(jù)表1提供的數(shù)據(jù),利用Excel軟件進(jìn)行列車(chē)牽引多元線性回歸分析。

(1) 相關(guān)系數(shù)為0.986:說(shuō)明總行駛里程、客運(yùn)周轉(zhuǎn)量這兩個(gè)自變量與列車(chē)牽引能耗這一因變量呈現(xiàn)高度正相關(guān),可用二元線性回歸方程進(jìn)行擬合。計(jì)算得到的列車(chē)牽引能耗回歸方程為:y11=1.72x1+0.78x2+2.74。

(2) 判定系數(shù)等于97.17%:表明在列車(chē)牽能耗變動(dòng)中,有97.17%可由總行駛里程、客運(yùn)周轉(zhuǎn)量這2個(gè)因素的變動(dòng)來(lái)解釋,只有2.83%的因素屬隨機(jī)誤差。

針對(duì)以上方程,需檢驗(yàn)其顯著性水平。首先,設(shè)置顯著性水平α=0.05,進(jìn)行牽引能耗F檢驗(yàn)。因此給出原假設(shè)H0:β0=β1=β2=0。若H0被拒絕,則y11與x1,x2之間的關(guān)系可用線性回歸方程進(jìn)行擬合。在正態(tài)分布下,若原假設(shè)H0:β0=β1=β2=0成立,則F檢驗(yàn)服從自由度為(p,m-p-1)的F檢驗(yàn)分布。因此,回歸方程的總體顯著性可用F檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量進(jìn)行檢驗(yàn)。對(duì)于以上回歸分析,P=2,m-p-1=41-2-1=38,α=0.05,從F檢驗(yàn)分布表查得F0.05(2,38)=3.24。由多元線性得F=652.8(>3.24),故不接受原假設(shè)H0,因此y11與x1,x2之間線性關(guān)系顯著。

其次,設(shè)置顯著性水平α=0.05,β1的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量t1=17.66,β2的檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量t2=2.36,查t分布表得t0.025(38)=2.02。因t1、t2均大于t0.025(38),故不接受原假設(shè)H0,所以各回歸系數(shù)也顯著。

表1 2015年5、6月份廣州有軌電車(chē)列車(chē)牽引能耗相關(guān)數(shù)據(jù)

4.2 其他模塊能耗計(jì)算

同理,可根據(jù)多元線性回歸分析數(shù)據(jù),計(jì)算出其他模塊能耗公式:

(1) 列車(chē)輔助能耗:

(2) 車(chē)站動(dòng)力照明能耗:

y21=150.34+96.5x4

(3) 車(chē)場(chǎng)動(dòng)力照明能耗:

y22=486.4+46.61x4

(4) 其他損耗:

4.3 總能耗y總計(jì)算

根據(jù)求根公式求得:

5 回歸模型的驗(yàn)證

回歸方程建好后還須驗(yàn)證,主要是檢驗(yàn)預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的誤差,如表2～表4。

表2 預(yù)測(cè)列車(chē)牽引及輔助能耗

表3 預(yù)測(cè)車(chē)站及車(chē)場(chǎng)動(dòng)力照明能耗

表4 預(yù)測(cè)其他損耗及總能耗

根據(jù)以上檢驗(yàn)結(jié)果,有軌電車(chē)總能耗最大誤差為-4.13%,說(shuō)明上述建立的能耗預(yù)測(cè)模型總體準(zhǔn)確度較高,實(shí)用性比較強(qiáng),值得推廣使用。

6 節(jié)能措施分析

6.1 牽引能耗節(jié)能分析

6.1.1 滿載率經(jīng)濟(jì)性與牽引能耗平衡分析

從圖2可以看出,隨著列車(chē)滿載率的下降,邊際客運(yùn)周轉(zhuǎn)量所耗費(fèi)的能耗將快速升高。當(dāng)列車(chē)滿載率在30%及以上時(shí),邊際客運(yùn)周轉(zhuǎn)量增加趨近于同一水平;當(dāng)滿載率小于30%后,邊際客運(yùn)周轉(zhuǎn)量能耗會(huì)成倍上升。因此,若能把列車(chē)的滿載率保持在30%及以上,將高效合理利用列車(chē)牽引能耗,而且舒適度也會(huì)得到保障。

圖2 滿載率與能耗增加率的關(guān)系

6.1.2 最高運(yùn)行速度與牽引能耗分析

為分析各最高速度情況下的旅行速度對(duì)牽引能耗的影響,分別以區(qū)間最高行駛速度69、65、60、55、50 km/h進(jìn)行牽引計(jì)算,結(jié)合停站時(shí)間、路口延誤時(shí)間對(duì)區(qū)間牽引能耗綜合分析。分析結(jié)果見(jiàn)表5。

表5 不同區(qū)間最高運(yùn)行速度下的旅行速度與牽引能耗綜合比選

從表5可知,提高列車(chē)區(qū)間最高運(yùn)行速度一定程度上可增加旅行速度,但受站間距、路口、人行通道及進(jìn)出站限速等影響,旅行速度提升并不明顯。列車(chē)區(qū)間最高速度由50 km/h升至69 km/h后,旅行速度漲幅只有6.01%,牽引能耗卻增加了61.68%。而且,從50 km/h開(kāi)始,最高速度每上升5 km/h,能耗將迅速增加。

6.1.3 車(chē)輛類型與牽引能耗分析

目前,廣州有軌電車(chē)工作日日均客流為6 900人次,根據(jù)牽引能耗模型計(jì)算,牽引自重做功為43 224 kJ,占62%;載客做功為26 737 kJ,占38%。因此,如能有效降低車(chē)輛自重,減少牽引做功,可有效降低牽引能耗。

6.2 動(dòng)力照明能耗節(jié)能分析

6.2.1 簡(jiǎn)化車(chē)站耗電設(shè)備

廣州有軌電車(chē)共開(kāi)通10個(gè)車(chē)站,動(dòng)力照明能耗占總能耗的30%,平均每月約為361 379 kW·h。面對(duì)如此大的耗電量,建議簡(jiǎn)化車(chē)站耗電設(shè)備,如部分車(chē)站不安裝充電裝置、減少車(chē)站售票機(jī)數(shù)量等。

6.2.2 嚴(yán)格管理車(chē)場(chǎng)耗電設(shè)備

(1) 嚴(yán)格執(zhí)行空調(diào)管理制度:通風(fēng)空調(diào)能耗占停車(chē)場(chǎng)能耗46%(見(jiàn)圖3),該部分能耗應(yīng)作為控制重點(diǎn)。建議將空調(diào)溫度調(diào)至26 ℃以上,人員離開(kāi)時(shí)及時(shí)關(guān)閉空調(diào)。

圖3 車(chē)場(chǎng)能耗分布及占比示意圖

(2) 照明節(jié)能:運(yùn)用庫(kù)照明能耗占停車(chē)場(chǎng)能耗8%。據(jù)統(tǒng)計(jì)停車(chē)庫(kù)共有146盞吊燈,每盞250 W。若同時(shí)開(kāi)啟,則每小時(shí)耗電將達(dá)36.5 kw·h。因此,在保證足夠照度的情況下,采取隔一盞開(kāi)一盞,且工作完畢離開(kāi)時(shí)及時(shí)關(guān)閉吊燈的措施。

6.3 其他損耗節(jié)能分析

根據(jù)廣州有軌電車(chē)《試驗(yàn)段供電優(yōu)化方案》,可將琶洲大橋南站、會(huì)展中站、南風(fēng)站、廣州塔東站等車(chē)站的整流變壓器停用,并且夜間運(yùn)營(yíng)結(jié)束后的0:00至5:00將所有車(chē)站的整流變壓器退出服務(wù),可節(jié)省整流變空載損耗。其節(jié)約的電量為:

W0=p0×t×n

式中:

W0——空載損耗;

t——供電運(yùn)行時(shí)間;

p0——空載損耗功率;

n——車(chē)站數(shù)。

通過(guò)變壓器設(shè)備資料查得車(chē)站800kVA整流變壓器空載損耗功率p0=1.192kW,因此停用4

個(gè)車(chē)站的整流變壓器每日可節(jié)約的電量W1=114.43kW·h。每日夜間運(yùn)營(yíng)結(jié)束后0:00至5:00將所有車(chē)站的整流變壓器退出服務(wù)可節(jié)約的電量為W2=35.76kW·h。則每日可節(jié)約的電量W日=w1+w2=150.19kW·h。由此,每年可節(jié)約的電量W年=54 819.35kW·h。

7 結(jié)語(yǔ)

本文采用樹(shù)狀構(gòu)造法分析了有軌電車(chē)能耗的組成,并根據(jù)廣州有軌電車(chē)運(yùn)營(yíng)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù),通過(guò)4個(gè)重要變量(列車(chē)運(yùn)行里程、客運(yùn)周轉(zhuǎn)量、日最高氣溫及日平均氣溫)構(gòu)建了能耗預(yù)測(cè)回歸模型,并利用Excel軟件中的回歸統(tǒng)計(jì)方法進(jìn)行了檢驗(yàn),與實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了模型的可靠性。在此基礎(chǔ)上,深入分析了能耗模型變量函數(shù)關(guān)系,系統(tǒng)提出了有軌電車(chē)節(jié)能方法及實(shí)現(xiàn)途徑,對(duì)運(yùn)營(yíng)節(jié)能降耗具有重要意義。

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Analysis of Energy Consumption and Conservation in Guangzhou Modern Tram

SU Jun, SU Yajun, TANG Guanghua

The structure of power consumption and the influencing factors of modern tram system is analyzed based on the statistics provided by Guangzhou Tram Limited Liability Company.By using regression analysis,the main factors that influence the power consumption of modern tram are classified according to their influencing levels,and a multiple linear regression mathematical model of modern tram system is established,which is used to examine the power consumption in Guangzhou tram.The results show that the total power consumption can be predicted precisely within 5% of error.On this basis,the power conservation strategy is studied in depth,the implementation of power conservation in modern tram system is proposed systematically.

modern tram; power consumption prediction; multiple linear regression; power conservation analysis

U 482.1; TK 018

10.16037/j.1007-869x.2016.12.013

2015-10-10)