城市軌道交通供電系統負載特征分析

郭 志

(上海地鐵維護保障有限公司供電分公司,200235,上海//高級工程師)

在城市軌道交通供電系統運行過程中，供電系統的負載運行數據對于系統設備的可靠性分析及設備容量安全裕度的評估至關重要。基于系統負載的變化特性分析能為地鐵供電系統在正常和非正常運行方式下提供較為精確的運行數據，用于調整或控制線路列車的運行密度，同時還能為線路電源之間的支援運行提供重要設備的負載率評估。

1 城市軌道交通供電系統負載數據分類

在目前的城市軌道交通供電系統內，供電系統根據外電源的差異性分為集中供電和分散供電兩大類。分散供電方式主要從地方電力公司引入外部10 kV電源，采用降壓和整流等變流方式為車站提供低壓用電，為空調和通風及其他車站機電設備提供用電，同時還為列車的運行提供牽引用電；而采用集中供電方式的線路則設置獨立的軌道交通供電系統，該系統電壓等級包括110 kV、35 kV、10 kV、0.4 kV以及直流1 500 V等[1]，該系統負載分為低壓機電負載和直流1 500 V負載。

城市軌道交通用電負載，按照設備的用電性質可分為牽引用電負載和機電設備負載；按照季節相關特征可分為季節相關性負載和季節非相關性負載。

本文重點針對季節相關性負載進行數據的統計和分析，并對不同類型設備的負載隨季節變化的數據進行重點分析，以發現線路負載特性的季節差異性和相關性，為后續線路時變負載的變化及負載用電保障評估提供技術參考。

2 線路負載數據的基本特征

城市軌道交通供電系統的供電負載分為列車用的牽引用電負載和機電用電負載。從基本的用電特性分析，牽引供電負載具有秒級時變特征，而車站低壓用電負載則具有穩態變化特征，線路的供電負載變化則兼具時變和穩態變化的負載特性。

為此，對于線路負載的分析和趨勢變化的特性，可以按照兩種不同類型的負載分類進行匯總。本文結合上海軌道交通1號線負載線路的運行特性，針對性地進行了數據分析，通過對牽引變電站用電計量系統的用電量進行數據處理和匯總，得到牽引變電站典型的負載特征曲線。以及同站的低壓用電負載變化曲線(見圖1)。

圖1 上海軌道交通1號線上海火車站變電站牽引和降壓日用電負載特征對比曲線

由圖1可以看出，車站的低壓用電負載的特征基本為穩態變化趨勢，與牽引用電負載相比，車站低壓用電負載在線路運營時段的負載需求基本保持不變；牽引用電負載和實時功率需求比重較大，因此線路主變電站的用電負載曲線變化主要受牽引負載曲線影響[2]。

負載的時變特性與牽引負載的變化特征一致，故負載的變化特征分析需重點關注其與牽引負載的變化情況。而牽引負載的功率變化特征與線路的行車密度及車輛的負載特性曲線有直接相關性，因此應重點對牽引負載的變化特性進行分析。

3 線路牽引負載的季節性變化趨勢

在線路的運行過程中，線路的負載變化特征與行車存在強關聯特性，而線路牽引負載的變化特征曲線除與以上提及的車輛負載曲線和行車間隔等因素相關外，還與車輛的輔助負載存在一定的關聯。同時車輛的負載特征與車輛的載荷狀態、輔助通風和空調等因素也是影響牽引變電站負載特性的重要因素。

通過對牽引變電站進行負載測試，得到同站、同運行組織下牽引變電站負載隨季節性變化的曲線(見圖2)。

圖2 牽引變電站牽引負載的季節性變化對比曲線

通過對以上負載數據進行分析，并對夏季和冬季的負載變化進行了初步的數據對比，得到變電站夏季負載相對于冬季負載的季節性負載數據對比曲線，(見圖3)。

圖3 變電站季節性負載比曲線

從圖3可以看出，運營時段的負載數據在夏季和秋季兩個不同季節的比例基本一致，在線路客流特征基本穩定的情況下，車輛的運營載重基本保持不變時，車輛季節性的用電負載變化主要是由車輛空調設備的負載引起的；夏、秋季牽引負載比為1.25～1.50取中位數1.375，根據圖3可以估算出該線路牽引負載的用電量夏季較冬季的負載增量為37.5%左右，由此得到線路主變電站牽引用電的季節性變化增量為37.5%左右。

4 車站機電系統負載的季節性變化趨勢

車站機電低壓用電負載在年度的變化過程中，受環境溫度的影響較大，且地下車站和地面高架車站的低壓用電負載特征也存在一定的差異性，對部分典型地面和地下車站的夏季及冬季的用電負載進行了對比分析，以發現其變化規律或趨勢。經過對上海軌道交通1號線火車站站用電負載進行整理，得到季節性負載變化特征曲線(見圖4)。

圖4 上海火車站站降壓變電所負載季節性變化對比曲線

通過圖4可以明顯看出，每天在車站開站之前，夏季和冬季的負載相對穩定，此時主要為車站監測和監控類基本負載。在開站之后，用電負載呈現出明顯的差異性，通過數據處理可以得到夏季與冬季負載的功率比率變化曲線(見圖5)。

圖5 地下變電站夏、冬季負載比曲線

從圖5可以看出，地下車站夏季的用電負載與冬季的用電負載比為2.5～3.0，一般取2.75，該值可以作為地下車站低壓用電負載的比例參照。而對于地面高架車站低壓用電負載的季節變化特征，經整理，得到如圖6所示曲線。

圖6 變電站牽引負載的季節性變化曲線對比

從圖6可以看出，地面高架車站低壓用電負載的季節性變化不明顯，主要原因為地面站未設置大型的冷水機組及其配套的通風系統，且地面高架車站由于結構較為簡單，用于對制冷和控溫的機房面積較小，故負載基本維持在穩定狀態。

5 主變電站的負載變化特征

根據以上用電負載變化特征，按照牽引和低壓用電負載的特征曲線以及季節性變化特征，可以得到比率系數和主變電站冬季負載與夏季負載的曲線數據[3]。為驗證以上比率的數據，本文對上海軌道交通1號線人民廣場主變電站的低壓用電負載和牽引負載分別進行了統計，得到主變電站冬季的牽引和低壓負載的曲線對比(見圖7)。

同時對夏、冬季負載進行分析，可以得到運營時段夏、冬季負載比的變化(見圖8)。

從圖9可以看出，主變電站的負載隨季節性變化存在明顯的變化特征，且變化率為1.5～2.0，取中位數為1.75。該數值表明在夏季用電高峰時段，由于車載制冷空調、車站冷水機組等大容量低壓用電負載的投運，使得線路在運營時段的負載增加約為75%。本文對上海軌道交通1號線供電系統年度用電量進行匯總，得到牽引用電量匯總表(見表1)。

圖7 人民廣場主變電站負載的季節性變化對比曲線

圖8 人民廣場主變電站夏、冬季負載比變化曲線

圖9 人民廣場主變電站牽引用電量月度變化趨勢圖

表1 上海軌道交通1號線某年月度牽引用電量匯總表

由表1可知在一定的運營行車邊界條件下，單一線路的負載季節性變化存在較為良好的正相關性；夏季6～9月份高峰用電量均值與1～4月份低谷用電量均值比例為1.4，增量為40%，且與季節性日負載變化趨勢增量的37.5%接近。

對車站機電負載用電量的數據進行統計，如圖10所示。從圖10可以看出，夏季7～8月份高峰用電量與1～2月份的用電量比率為2.59，說明主變電站反映低壓用電負載的季節變化特征與車站的低壓用電負載特征基本一致，季節變化的比率為2.5左右。

圖10 正線段車站機電負載用電量月度變化趨勢圖

6 數據分析結論及典型應用

本本所分析的樣本為上海軌道交通1號線莘莊站—上海火車站區域的供電線路的功率負載及年度用電量的數據。通過對該線路負載以及用電量數據的相關性分析可以看出，該線路的牽引負載變化特征內牽引負載與空調制冷負載的能量需求比例接近1…0.4，即增加空調負載時，牽引站所增加的有效負載率為40%。而該線路區段的車站形式以地下車站為主，因此夏季車站機電負載的增加比例為259%，即相對于其他低壓負載用電量，車站冷水機組的負載為其他設備負載的1.5～1.6倍。

通過對同一線路主變電站、牽引變電站和降壓變電站的用電負載數據分析可以看出，在線路運營特征保持相對穩定的情況下，牽引站和降壓站單站的數據變化特征與線路整體負載特征存在一定的關聯性。且該比例關系會隨車站形式的不同、地下車站和地面車站數量的不同存在一定的差異。而牽引負載變化與車輛的功率特性相關，且空調負載占行車負載的比例接近40%，因此如何通過優化來降低夏季高峰負載的需求顯得尤為重要。建議在線路建設、設計階段和新線以及既有線改造時的車輛設計、采購過程中，進一步重視滿載用電負載與空調制冷負載的需求配比，從而優化線路用電負載的季節性波動，進而控制線路運營后期供電系統的負載。

7 結語

通過對以上數據進行分析，可對供電系統的負載進行評估，通過對調整行車間隔后的負載進行預測，在仿真計算時，借助該數據分析結果，可對既有的仿真結論與供電系統運行數據進行差異對比，以更好地驗證仿真模型的工程應用偏差，為模型[4]的修正及后續新線的仿真計算提供更為精確的數據，同時也為設備的選型、電氣參數的核算、可靠性分析及系統設備裕度設計提供參考。