淮安市超級電容現代有軌電車技術研究

嚴 蘭 任曉剛 朱唯耀 張 宇

（上海市城市建設設計研究總院（集團）有限公司，200125，上海市∥教授級高級工程師）

目前，國際上未來的工業重點發展是電氣化、自動化和數字化。圍繞著這一國際戰略思路，在設計江蘇省淮安市超級電容現代有軌電車工程機電方案中，采用了數字工業4.0智能數字互聯互通的設計理念。

超級電容現代有軌電車供電系統是車輛及供電設備的動力能源，主要分為高壓供電系統和有軌電車內部供電系統兩大部分。超級電容現代有軌電車以超級電容器作為動力儲存裝置，全線無需架設地面或架空供電系統，僅利用停站時間即可完成充電，能量回饋率達到85%，具有大容量、高功率比、高能量比等高性能指標。隨著超級電容器性價比的提高，超級電容現代有軌電車發展迅猛。

1 淮安現代有軌電車的設計

淮安現代有軌電車共規劃了4條（T1—T4）線路，車輛基地1座。淮安現代有軌電車一期工程（T1、T2）線路總長度約20.07 km，全線均為地面線，共設車站23座，平均站間距913 m。線路起點為淮海北路體育館站，終點為商貿城站。規劃線路走向為交通路—運河廣場北—和平路—翔宇大道—楚州大道—商貿城站。

1.1 車站

為使城市現代有軌電車的車站更具識別性，站型以現代有軌電車的車為原型，車站頂棚整體以通透為主，車站端部鏤空處可使行人進入站臺候車（見圖1）。從遠處看車站猶如現代有軌電車停于路中。

圖1 現代有軌電車的站型示意圖

車站所選擇的裝修材料具有不燃、無毒、放射性指標滿足國家環保要求、經濟、耐久、便于設備管理和清晰的性能，地面材料防滑、耐久、耐磨、耐腐蝕，既能滿足交通建筑使用功能要求，又能滿足防火規范和運營維護要求。車站的無障礙設計充分考慮了殘疾人的使用需要。

1.2 車輛基地

本線設板閘車輛基地1座，位于翔宇大道西側、寧連公路北側地塊。車輛基地占地約16.36萬m2，承擔全線車輛停放、運用和各修程檢修作業，遠期還承擔T1—T4線共計4條線路車輛的廠架修任務。全線設控制中心1處，位于板閘車輛基地內。

車輛基地設計內容包括車輛基地工藝設計、站場線路設計、房屋建筑設計、給排水及消防設計、電力工程設計、路基工程設計、道路設計、通風空調設計、環境保護及勞動安全衛生和節能設計。

車輛基地道路環狀布置，以滿足人流、物流和消防要求，使得各分區、各建筑物、各車間之間聯系方便、捷近。主要道路按雙車道或消防車道考慮，路寬7 m，次要道路按單行車道考慮，路寬4 m。設2個出入口與外界道路連接?？拷k公生活區的出入口為主出入口，與翔宇大道相連；東北側設次出入口，與南京路相連。車輛基地四周設圍蔽設施。車輛基地總平面布置方案示意圖見圖2。

圖2 車輛基地總平面布置方案示意圖

1.3 車輛

有軌電車列車按4模塊設計，最高速度為70 km/h，輔助逆變器總功率為80 kW。

車輛采用超級電容器作為儲能器件，實現無觸網供電，僅在列車停站的20 s時間內由變電所向列車提供電源，給車輛上的超級電容充電。在離站的區間運行均有車輛上的超級電容供電，不需要外部電源。車站站臺設置充電裝置，充電需求為：DC 900 V，2 400 A，充電時間為15～ 26 s。

1.4 機電工程

1.4.1 供電系統

（1）現代有軌電車采用半集中-分散式供電方式，通過4座10 kV中心配電室從城市電網引入10 kV電源。牽引供電系統由中心配電室、牽引變電所、饋電線、站臺充電柜、充電軌、走行軌及回流線等組成。

（2）變電所至車站設置的斬波調壓器采用DC 1 500 V供電，車站設置斬波調壓器降為DC 900 V直流電，車站設置DC 900 V充電架，車輛段采用DC 900 V架空充電架方式。

（3）牽引降壓混合變電所及降壓變電所均由兩回互為備用的電源供電。當一座牽引變電所解列時，由相鄰牽引變電所實行越區供電，負擔其供電范圍內牽引負荷。

（4）牽引變電所設備容量除應滿足正常運行方式下高峰小時牽引負荷要求外，還應滿足該所越區供電時高峰小時牽引負荷的需要。整流機組負荷等級為GB/T 10411—2005規定的VI級負荷。

（5）本工程采用10座儲能型充電混合變電所，其中正線8座，車輛段2座（其中1座為車輛基地與正線共用）。超級電容儲能式供電系統由高壓開關柜、整流兼配電變壓器、低壓開關柜、整流充電裝置、低壓配電箱、電源裝置和監控系統等構成。

1.4.2 儲能型有軌電車充電所

儲能型有軌電車充電所是為實現超級電容的充電需求而設計的，采用了四線圈組合變壓器、整流充電單元模塊等，實現了超級電容的恒電流、恒電壓充電，同時可與車載電池管理系統互聯結合，實現了對車載電池的安全、高效充電。

技術特點如下：

（1）綠色環保：全功能小型化儲能型有軌電車充電所的降壓配電裝置占地10 m2，整流充電裝置占地3.5 m2，布置在有軌電車車站紅線內的站臺端部?？傉嫉孛娣e不超過20 m2，約為目前市場土建變電所投運產品的1/4。

（2）智能先進：中央監控裝置主機采用通用的工業控制機，同時作為車站一體化監控裝置，用于開關操作控制和信息傳送。儲能型有軌電車充電站設計了占地充電控制裝置，當充電站探測到有軌電車進入充電位置時自動開始充電，當探測到有軌電車駛出充電位置時自動停止充電；充電設備自動適應超級電容+動力電池混動系統的端口電壓，根據預先設定的電流參數和充電流程自動調節輸出電流；充電裝置采集顯示開關設備的位置信號，當開關柜及變壓器設備運行故障時可發出預警信號，對電流、電壓采用直接交流采樣，測量的數據可通過通信網絡直接傳送大綜合自動化系統的主控單元；通過網絡化設計配置了RS-232/RS-485標準的通信接口，對保護的編程、調試、整定、就地訪問和采集的開關位置、事故、預告信息、運行參數的上傳以及遠方控制指揮中心對供電設備的監視等，實現了遠程監控和無人值守操作。

（3）高度集成：采用專有技術的大功率、模塊化、全功時AC/DC變流裝置，高度集成的功率單元，單模塊功率達到45 kW，總功率達到1 800 kW；整流充電裝置標準統一的模塊，全線通用。

（4）功能全面：采用了充電電流逆流截止技術，可同時為上下行列車充電，實現單套充電裝置向兩列有軌電車同時充電的新技術，并可有效避免不同有軌電車之間的充放電；降壓配電裝置與整流充電裝置一對一配置，降壓配電裝置與車站低壓配電一對二配置。整流充電裝置采用模塊化結構，配置了監控單元、冗余配置，避免了兩列車同時充電的安全風險。

（5）安全可靠：采用通信信號的成熟信標技術，優化了現代有軌電車觸發充電所向車輛充電的控制邏輯，成功地提高了充電的可靠性，避免了目前有軌電車充電過程存在的燃弧現象。

（6）維修簡便：儲能型有軌電車充電站設計了一套不間斷電源裝置，作為操作、保護電源；整流變壓器與變壓器合一，減少了設備數量和體積；整流充電裝置可實現模塊化替換，對運營人員的技術要求簡單，現場維修方便。

（7）經濟適用：充電所采用工業4.0模塊化的設計，設備種類和數量減少，環網電纜布線緊湊，選用的四線圈組合變壓器同時具備整流充電和動力配電兩種功能，極大地減少了占地面積和工程投資。

1.5 工業4.0智能數字化應用

1.5.1 車站和車輛監控

采用數控監測技術，實時監測車站區域內車輛準確的位置信息，車輛進入充電區域時能夠對接觸網送電，車輛離開充電區時斷電，保證了車站和停車場車輛充電區域的無電狀態。

1.5.2 充電裝置監控

采用的充電裝置控制系統能夠實時地監測車站區域內車輛的運行狀態、車載儲能裝置的啟動和停止充電，能自動選擇充電參數，能將運行數據的狀態信息、故障數據和控制參數上傳到檢測系統，可對充電裝置的運行參數進行就地和遠程的控制。

采用對充電裝置具有自動控制功能的系統，可自動控制調整充電時間、充電電流、充電限壓，可選用不同的充電模式，當儲能裝置故障時能夠停止充電。充電模式的選擇可就地或由遠方控制中心進行設定，對充電柜實現了自動檢測、遠方手動投切和現場手動投切，各種方式之間設定了可靠的閉鎖裝置，以防止事故發生。實現了無人值守。

1.5.3 通信系統監控

采用了標準的數據通信接口，用光纖以太網、通信速率自適應、開放式協議實現變電所綜合自動化系統的實時監測監控。

1.5.4 運營調度管理監控

淮安現代有軌電車一期工程采用的運營調度管理系統由控制中心、中心調度管理子系統、正線道岔控制子系統、車輛自動定位子系統、平交路口信號優先子系統、車輛段道岔聯鎖子系統、培訓中心子系統等構成。

1.5.5 中心調度管理監控

（1）中心調度管理子系統主要作用是編制、管理行車計劃，實現對全線列車的自動監視及行車信息顯示等。

（2）正線道岔控制子系統的設備分為軌旁設備和車載設備兩大部分。正常情況下，正線上的各類道岔由正線道岔控制子系統根據列車識別號和行車計劃表，與道岔控制箱互聯，自動辦理進路。當車載設備故障而無法完成控制時，司機可下車通過安裝于軌旁的電動按鈕手動設置進路或者手動轉動轉轍機，以完成道岔狀態轉換。

（3）車輛自動定位子系統由檢測環路（與正線道岔控制子系統等合用）和車載定位設備（編碼里程計）組成。子系統通過專用無線通信將每列車輛定位信息實時上傳至中心調度管理子系統，對全線車輛進行實時定位，實現了控制中心對全線現代有軌電車的自動監視功能。

（4）車輛基地聯鎖子系統能對車輛段內的調車作業進行集中控制，實現車輛基地內進路上的道岔、信號機和軌道區段的聯鎖功能，保證車輛基地內調車作業及車輛出入基地作業的安全。

（5）平交路口信號子系統通過與道路交通信號燈控制系統接口，使道路交通信號控制系統對現代有軌電車進行傾斜性的信號分配，以提高列車在交叉口的通行效率，確?，F代有軌電車的優先通行權。

1.5.6 車輛自動定位監控

實現了控制中心對整體車輛的自動監視功能，并對全線車輛進行實時定位。定位方案可采用GPS（全球定位系統，車載定位）/BDS（北斗衛星導航系統，設備檢測環路定位）方案和車載定位設備+檢測環路（與正線道岔控制子系統合用）的定位方案。定位信息通過專用無線通信與控制中心相聯接。

1.5.7 平交路口信號優先監控

淮安市的首條現代有軌電車線將是擔負運送大批客流重任的公交骨干線路，在路段中有專用路權，在道路交叉口與其他交通混行，并享有優先通行權。因此，現代有軌電車的信號控制需與城市道路交通信號控制系統進行協調。

（1）交叉口的現代有軌電車與各方向的社會交通流、機動車流、行人組成了交通基本要素。交通信號控制的作用是保障各交通要素安全、高效地疏散。在此基礎上，交通信號控制建立交通控制協調區間，使協調區間內的交通更可靠、安全，還能提高通行效率，減少廢氣排放和噪聲對環境的污染。這對淮安智慧城市的建設有重要意義。

（2）淮安市的交通信號控制系統應滿足城市的整體規劃和長遠發展目標，使之成為城市智能交通的一個組成系統?；窗铂F代有軌電車工程建設的交通信號控制系統將奠定淮安市交通信號控制系統及其聯網控制系統的基礎。

（3）淮安市現代有軌電車沿線的48個道路交叉口（人行道口）設置（或改造）具有現代有軌電車優先通行控制的交通信號系統，并在其中的33個路口設置（或恢復）電子警察系統，在3個路段恢復卡口系統，升級1個交通控制中心。

（4）現代有軌電車沿線的交通信號系統將連接在淮安市交通控制中心。交通控制中心設在淮安交警大隊內，由淮安交警大隊接管。交通控制中心集智能數字多功能于一體，交通信號控制、視頻監控、闖紅燈電子警察中心和卡口的中心系統均設在該交通控制中心內。交警大隊可以調看所管轄路段范圍內的視頻和電子警察采集的信息。

（5）現代有軌電車沿線采集的路口視頻信息匯聚到交通控制中心內原有的視頻監控系統，對現有中心進行少許的擴容，就可以滿足新增視頻信息的控制和存儲。現代有軌電車沿線采集的電子警察和卡口信息匯聚到交通控制中心內原有的視頻監控系統，對現有中心少許適當的擴容，即可滿足新增圖片、車輛等信息的存儲。

（6）該工程的交通信號控制系統采用“基于離線協調的有條件主動式信號優先”的技術路線，強調行車安全是首要任務。視頻監控采用高清數字監控技術；電子警察以及卡口系統在保證精確度的前提下，采用“設備功能復用，具有綜合違法抓拍、治安及交通輔助”的綜合執法技術。

1.5.8 正線道岔監控

系統設計采用高可靠性和安全性原則；正線道岔控制具備本地自動控制和司機遙控兩種模式，其中司機遙控優先，并由控制中心監視車輛運行；本地道岔控制單元可接收中心調度管理子系統的控制信息（進路表等），并將軌旁設備狀態實時反饋至中心；車輛通過道岔時，道岔控制權具有特定、唯一、一次性。1.5.9 設備控制管理監控

根據控制中心互聯互通的技術要求，電力、給水、污水、通信等均從翔宇大道引入或引出，雨水處理后排入附近河道。設計中加強了建筑弱電控制方面的設計，共設置了通信、安全防范、火災報警、設備監控和綜合布線等子系統，大大提升了車輛基地內互聯互通數字智能信息化水平，并且考慮了控制中心按兼顧其他線路共享條件預留的余量。

（1）系統室外關鍵設備（如交換機等）采用工業級設備，以保證系統安全、可靠的運行；

（2）系統具備不同場景下的降級或應急模式；

（3）系統所使用的電線和電纜為無鹵低煙阻燃或無鹵低煙耐火電纜，滿足DIN 5510等級標準；

（4）在非常情況下，控制中心作為事件處理的指揮中心，指導防災、救災工作；

（5）控制中心設置火災報警子系統，保障在火災狀況下的設備及人身安全。1.5.10 票務系統監控

（1）票務系統采用車載讀卡器檢票方案?；窗彩泄豢勺鳛閮χ灯笔褂?。在列車的上車門設置淮安市公交卡POS機和投幣箱,車站內設自動售票設備。

（2）全線采用車上售檢票。車票采用單一票價制，分為單程票、儲值票。單程票一次使用有效；儲值票可采用非接觸式IC（集成電路）卡，不回收，可不斷加值，長期使用。以后根據需要可增加其它票種。

（3）站務管理按照中運量公共交通系統的模式，技術上采用了互聯互通數據共享，站臺采用類似于地面公交的站臺形式，站務管理采用公交管理模式。所有車站由調度運營部統一管理。

1.6 節約能源

1.6.1 設計原則

貫徹“節約能源、合理利用能源”的設計方針；該工程節能設計主要涉及車輛和行車組織、線路、車站、建筑、供電、采暖通風空調、給排水以及車輛基地等方面，在滿足功能需求的前提下，采取了有效的節能措施；本著節約、合理利用能源的原則，貫徹于整個設計過程方案的比較、工藝流程的選擇和設備的選型等各方面；各專業的節能標準和措施均需符合國家相關規范的規定，設計應符合《江蘇省節約能源條例》的要求。

1.6.2 環保

各運行設備均采用高效率、低噪聲類型；為滿足各使用場合的噪聲要求，對振動設備進行隔振處理，有噪聲設備采取消噪措施；通風設備均選用低噪聲產品，采用隔振基座（減振吊架）軟管連接，并設有消聲措施；穿越機房圍護結構的所有管道和安裝洞周圍的縫隙都嚴密封堵；冷源制冷劑采用環保型。

1.6.3 節能

通過儲能動力裝置實現能量在牽引制動運行過程中的循環轉換和循環利用，制動能量由超級電容回收，再生制動能量回收率可達到75%～80%左右，相比傳統觸網受電模式的低地板車輛節能25%～30%以上；選用低噪聲、高效率的風機，多聯式空調機組選用能效達到國家二級以上的設備；通風設備就地控制。

1.6.4 措施

（1）車輛選型根據客流預測和特征，在確定車輛技術條件時充分考慮節能措施和技術。

（2）在行車組織與運營管理上根據客流特征確定合適的車輛編組、運行交路、運輸能力和運營調度等運營組織方案。

（3）線路設計中盡量選用大半徑曲線，以減少車輛運行阻力、降低能耗。

（4）軌道采用無縫線路，以減少運行阻力和線路維修工作量。

（5）供電采用10 kV分散供電方式，降低供電線路長度，以減少線路能源損耗。

（6）變電所采用了低損耗、節能型變壓器，并合理選擇了配電線路的截面及走向。

（7）車站頂棚采用光伏玻璃，白天充分利用自然采光并儲存太陽能源，夜晚用于車站照明并采用新技術節能型照明設備和照明方式；不同功能區采取不同照度標準；有效控制廣告用電量。

（8）車輛基地總平面合理布置，生產設施按系統、性質分區布置；變電所等動力車間盡量靠近負荷中心，以減少供電的能耗。

（9）給排水和供熱采用先進高效節能型的水泵。生產、生活給水系統盡量直接利用城市管網壓力供水。車輛基地設置了雨水處理系統、帶有水循環的車輛清洗系統和水處理設備等，供熱系統的熱源采用來自熱電站飽和蒸汽，并設置了太陽能熱水供應系統，通風空調系統采用滿足節能規范要求的設備。

2 結語

江蘇省淮安市超級電容現代有軌電車一期工程在2015年12月28日正式投入運營2年多以來，運行安全、穩定，各項指標符合運營技術的要求，獲得了2017年度上海市勘察設計優秀工程一等獎。

江蘇省淮安市超級電容現代有軌電車工程，在設計中結合超級電容的儲能供電技術，積極響應國家節能減排的號召，在超級電容現代有軌電車的車輛、車站、車輛基地的建筑物等多個方面進行了儲能技術的研究，應用了多項節能儲能的新技術，并取得了積極的效果。

參考文獻

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（收稿日期：2017-03-14）

一場關于地鐵減振的博弈

城市里越來越密集的地鐵網絡、科研機構中越來越靈敏的精密儀器，都是中國經濟社會快速發展的標志。可當高精尖儀器遇上地鐵線路，誰該避讓，成了難以調和的矛盾。北京地鐵4號線開通時，北京大學校園內有價值11億元的精密儀器，其中4億元的儀器受到振動影響。為了減少地鐵振動對這些儀器的干擾，北京市和北大都付出了巨大努力。在4號線北大東門段，地鐵公司鋪設了最先進的減振軌道；北大專門在較遠處新修了綜合科研樓，轉移了部分精密儀器，但地鐵振動的影響仍難以消除，一些學者只能在地鐵停運后的半夜做實驗。面臨地鐵振動干擾的科研單位不止北大。記者了解得知，清華大學、中國科學院、復旦大學、南京大學、首都醫科大學、鄭州大學醫學院也曾遭遇相似困境。中國目前尚無環境振動污染防治法，雖然環境保護標準中有關于振動對居住建筑、辦公建筑、醫院、學校內的人影響的規定，卻未涉及對精密儀器的干擾。這導致地鐵規劃方案進入環境影響評價階段時，環保部門很少考慮這一層面。最近，生態環境部發布了《環境影響評價技術導則 城市軌道交通（征求意見稿）》，但仍未提及振動對振動敏感儀器的影響。相關評價標準的缺位，導致很多途經科研機構及工業園區的地鐵方案考慮欠周。振動技術研究中心工程師左漢文告訴記者，目前效果最好的方案是綜合減振，除了在軌道下鋪設鋼彈簧浮置板，同時在儀器樓修建之初裝上靠彈簧撐起來的隔振支架。如果樓已竣工，只能在每一臺儀器下加裝減振臺，成本將大大提升。見證了高級的德國浮置板、繁瑣的修樓搬遷和昂貴的地鐵改線，北大最精密的電子顯微鏡未來身下還將裝上復雜的減振臺。但它能否逃脫地鐵振動的干擾，誰也不敢保證。