地鐵低壓供電系統節能降耗策略研究

中國水利水電第五工程局有限公司 何興偉

1 引言

地鐵作為一種快速軌道交通工具，具有頻次高、速度快、運載量大、安全性高、輻射范圍廣等眾多優勢，備受大中型城市的青睞，不僅緩解了城市的交通壓力，且對地鐵沿線區域的經濟發展具有積極的帶動作用，為城市經濟發展注入新的活力。但地鐵在運行過程中電能消耗較大，應用地鐵低壓供電系統，在保證地鐵運行中能得到穩定電力資源支持的同時，盡量減少不必要的電能消耗，提高電力資源的利用率，不但能顯著降低地鐵運營成本，擴大地鐵運營的經濟效益，還能間接地減少電力生產過程中對自然能源的消耗量，保護自然環境，獲得良好的生態效益。

2 地鐵供電系統電力資源耗能原因分析

城市地鐵是依托軌道交通供電系統供能得以運行，軌道交通供電系統中主要包含高壓供電源系統、牽引供電系統和低壓配電系統三個主要部分。城市電網中110kV等級電壓在輸入軌道交通供電系統后，先經由高壓供電源系統的主變電所進行降壓，再通過牽引所及降壓所為地鐵提供運行和照明所需電能。該部分電能產生損耗的主要原因包含空載、熱損耗、線路損耗等，深入分析地鐵運行中各項電能損耗的數值，對應用針對性地鐵低壓供電系統節能降耗策略具有重要意義。本文以某城市地鐵2號線2019年運營電能消耗記錄為例，全面分析引發地鐵抵押供電系統高耗能的主要原因，該線路地鐵2019年全年運行中的能耗類型和能耗值統計如表1和圖1所示。

表1 某城市地鐵2號線2019年能耗統計情況

圖1 某城市地鐵2號線電能消耗占比圖

2.1 牽引供電系統的電能消耗情況分析

牽引供電系統中包含牽引網、牽引變電所、回流線、鋼軌等多種場所及設備設施，其主要作用是通過牽引供電系統，使地鐵列車獲得運行所必需的動力及制動力。牽引供電系統能耗水平會直接受到地鐵頻次、載客量、列車運行速度、運行時間及線路坡度等因素的影響，也是城市地鐵運行中產生電能消耗的最主要原因。

2.2 低壓配電系統的電能消耗情況分析

低壓配電系統中包含動力照明配電線路、降壓變電所等設備設施和場所，其主要作用是為地鐵站、地鐵列車、區間、空調設備、電梯、商業場所及設備和自動化設備等提供運行所需電源。低壓配電系統在運行中的耗電途徑較多，具體包含以下幾種類型：

2.2.1 地鐵空調系統、給排水系統運行耗電

地鐵建設在地下環境中，通風換氣功能不足，加之人員密集程度高，必須全天候利用空調系統和給排水系統對地下環境進行換氣和制冷。地鐵軌道交通環境中的空調系統和給排水系統中包含設備較多，如風機設備、冷水機組、冷凍泵、冷卻泵、消防水泵等，每個系統及設備在長時間運行中都會消耗大量電力資源，且相關空調設備和給排水設因運行時間較長，老化速度較快，電能消耗水平可能比同類型設備更高。因此，在地鐵運行過程中，空調系統和給排水系統成為僅次于牽引供電系統的第二大耗電途徑。

2.2.2 地鐵門梯系統運行耗電

為提升地鐵客流量，增加居民出行的便捷性，地鐵站內都設置多個用于集散的電梯設備，且電梯種類齊全，如客體、貨梯、扶梯、雜物梯等，各電梯設備需要和地鐵運行時間保持同步運行。另外，為保護乘客安全，當前一些城市地鐵站臺都設置電動站臺門，跟隨地鐵列車出到站情況進行開合，該類設備在長時間運行過程中也需要大量電能支撐。

2.2.3 地鐵照明系統運行耗電

地鐵內部環境完全依靠各類照明設備進行采光，照明設備覆蓋全面，如辦公照明、設備照明、隧道照明、列車內部照明、車站內部照明、電纜通道照明燈[1]。

2.2.4 其他系統及設備運行耗電

除以上大型系統在運行中需要耗電外，地鐵軌道交通環境中還包含多種弱電設備設施需要長時間運行，如自動售票機、安檢機、地鐵信號設備、辦公設備等，加之一些地鐵站地下通道中設置便利店，各類店鋪用電及商業建設施工也會消耗電能，各類系統、設備、辦公、商業用電的年耗電總量也較為可觀。

3 地鐵低壓供電系統節能降耗策略分析

3.1 構建智能化能源管理系統

近年來，大數據技術快速發展，為各行業和企業發展提供了新的技術解決方案，對城市軌道交通來說，若想真正提高地鐵供電系統的節能降耗水平，對地鐵運行中各耗電系統的耗電數據進行采集、分類、儲存十分必要，只有保障地鐵各系統耗能數據采集的全面性，才能根據各系統的耗電水平，采用針對性的節能降耗策略。因此，可借助大數據技術，建立智能化能源管理系統，建立能耗管理架構，對城市地鐵網絡中所有線路、地鐵站、各項設備、設施的用電信息進行自動采集、處理、分類和匯總。能耗管理架構按照分類和分戶兩種方式進行建設，架構圖如圖2所示。

圖2 地鐵耗電管理架構圖

相關部門可利用智能化能源管理系統，對不同類別用戶和設備設施的耗電情況進行監控和管理，具體包含以下五個管理方向：

一是對地鐵站內辦公用電及商業用電情況進行采集、統計和分析，根據地鐵站正常辦公用電及商業用電情況設置用電上限預警值，當發現某商戶或辦公用電超出預警值后，及時分析出現超量用電的原因，并采取有效措施對其進行整改。

二是對地鐵站內各設備設施進行分類、分時段、分區域耗電量對比，通過分析各設備設施耗電的異常情況，即可發現存在過度老化或故障的設備設施，通過對其進行維修或更換改善相關設備設施的異常耗電現象。

三是分析同一地鐵站內不同設備的耗電情況，針對站內耗電量較大設備設施采用合適的節能減排措施。

四是分析同一線路中不同地鐵站的整體耗電水平，同時結合不同車站的客流量、客流峰值等數據，對不同地鐵站運營采用針對性節能降耗策略。

五是按周、月、年對各條線路、各地鐵站運營過程中的耗電數據進行統計和分析，通過同比、環比等方式，對電能消耗較大的車站、設備等進行針對性節能降耗改造。

3.2 牽引供電系統節能降耗策略

通過上文分析某城市地鐵2號線年均總用電數據發現，牽引供電耗電和低壓配電耗電在地鐵運營總耗電量中約占85%，因此必須采用行之有效的節能降耗措施對以上兩種系統的耗電情況進行優化，才能切實提高地鐵低壓供電系統的節能降耗水平。

3.2.1 合理調整列車頻次，減少電能消耗

應用智能化能源管理系統對單條線路地鐵的月空載量進行統計，并通過公式計算出各條線列車在空載過程中產生的不必要電量消耗，才能使制定針對性節能降耗措施得到準確的數據支撐[2]。假設單條地鐵月空載運營里程為13000km，載客運營里程為250000km，則地鐵牽引系統供電能耗計算公式為：

其中A空表示地鐵空載耗電值；A載表示地鐵定額載客耗電值；ΔA表示單位耗電，此處計算取值0.052kWh/t·km；M空表示地鐵空載運行里程；M載表示地鐵載客運行里程；G定表示地鐵空載重量；G定表示地鐵定額載運行重量。

若地鐵列車種類為B型車4動2拖，動力列車重量為35t/列，拖車重量為33t/列，則地鐵列車重量為35×4+33×2=206t；乘客人均重量取值60㎏，單節列車額定載客量為1460人，則客重87.6t。

通過計算發現，當單條地鐵月空載運營里程為13000km時，該條地鐵空載耗電量約為1671 072kWh，數值較高。因此，地鐵供電管理部門必須對單條地鐵的運行情況進行深入調查和分析，了解每條地鐵線路、各地鐵站的人流情況，在節假日、上下班高峰時段中，適當提高地鐵運行頻次，還可在高峰地段中設置區間車，以在減少電力消耗的基礎上，提高地鐵運力。在低峰時段中，延長地鐵間隔頻次，減少列車空載率，進一步節省電能。

3.2.2 優化列車行駛速度，減少電能消耗水平

當地鐵列車以速度v進行行駛時，行駛過程中所受阻力設為Fw，列車總重量設為M，列車制動距離設為S，則制動過程中產生的能量E可用以下公式進行計算：

通過上述公式計算可知，當列車行駛速度越大，產生的制動能量越大，列車制動距離越遠，制動所需時間越多，用于制動消耗的能量越高[3]。因此，可根據列車載客流量情況合理調整列車的行駛速度，提高列車運行效率的同時，減少地鐵在客流低峰時段中不必要的電能消耗。

3.3 低壓配電系統節能降耗策略

地鐵低壓配電系統運行中可應用的節能降耗策略主要包含以下四種：

一是根據地鐵列車所在環境的氣候條件優化地鐵空調運行效果。如在溫度宜人的春秋兩季，可減少地鐵環境中通風空調的運行數量，在滿足地鐵交通環境通風基本需求的基礎上，減少電能的消耗[4]。冬、夏兩季溫度屬全年最冷或最熱時段，地鐵交通環境對空調設備的依賴性較強，可根據不同地鐵站、不同客流時段對地鐵站內溫度進行調控，既能充分保證地鐵環境的舒適度，又能減少各地鐵站以統一運行溫度運行而產生的不必要的電能浪費。

二是應用變頻技術減少地鐵電梯設備、通風設備運行的耗電水平。變頻技術在當前公共場所電梯設備管理中的應用較為廣泛，根據客流情況對電梯設備的運行速度進行智能調控，在無人時段自動進行低頻運轉，高峰時段提高運轉頻率，能顯著提高電能利用率。對通風設備來說，應用先進的變頻空調設備度其運行中的送風量和給水量進行控制，能顯著減少通風空調設備運行中的耗電水平。

三是積極應用自然能源補充電能。我國太陽能發電技術已經發展得較為成熟，可在地鐵站地上建筑外部增設太陽能照明設備，利用太陽能為地鐵站內照明設備等進行補充供電，以減少對電力資源的消耗[5]。

四是應用分區照明節能方案，減少照明耗電水平。在地鐵站站臺、站廳等環境的照明設備中加裝時段控制設備，在地鐵停運后，統一對站內照明設備進行關停操作，節省非運營段中照明耗電水平；在辦公房、設備房、巡視通道等非連續工作區內，應用聲控照明設備；在地面站臺、站廳環境中應用光敏控制設備，在陰雨、黑天等時段中，自動啟動照明設備，在白天自動關閉照明設備，節能充分保障照明需求，又能避免電能浪費。

4 結語

綜上所述，地鐵軌道交通對緩解城市公共交通壓力、便捷居民出行、促進區域經濟發展都有重要作用，但地鐵列車在運行過程中，會消耗大量電力資源。在全民提倡節能減排的社會背景下，全面分析地鐵運行過程中產生能耗的原因，結合地鐵運營的實際需求，采用行之有效的低壓供電系統節能降耗策略，對提高電力資源的利用率，實現國家可持續發展目標具有重要意義。