地鐵低壓配電系統(tǒng)節(jié)能降耗技術(shù)分析與應(yīng)用

摘要：城市軌道交通是城市發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，也是城市發(fā)展必不可少的重要公共交通工具；地鐵低壓配電系統(tǒng)是城市軌道交通運營必不可少的重要組成部分，也是地鐵運營的能源消耗大戶。因此，節(jié)約能源是目前城市軌道交通運營中必須考慮的重要環(huán)節(jié)，在保障地鐵正常運行的前提下，將行業(yè)內(nèi)新型有效的節(jié)能降耗技術(shù)應(yīng)用到低壓配電系統(tǒng)中，以達到降低運營成本的效果。本文結(jié)合貴州某地鐵運營情況，分析低壓配電系統(tǒng)電能消耗因素，提出節(jié)能降耗技術(shù)，以期為更好地節(jié)約地鐵運營能耗和降低運營成本提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵；低壓配電系統(tǒng)；節(jié)能降耗；技術(shù)；應(yīng)用

一、引言

近年來，為了積極響應(yīng)國家節(jié)能降耗政策，城市軌道交通低壓配電系統(tǒng)節(jié)能降耗工作一直以來廣受業(yè)界技術(shù)人員的關(guān)注并提出各種實施方案，但大部分工作尚停留在設(shè)計和建設(shè)階段。為了更好地完善地鐵系統(tǒng)節(jié)能降耗工作，在運營期間做好總結(jié)分析并提出合理的節(jié)能技術(shù)手段，是一項必不可少的重要措施。

二、地鐵低壓配電系統(tǒng)能耗分析

地鐵供電能耗主要來自牽引供電系統(tǒng)和低壓配電系統(tǒng)兩大部分，其中牽引供電系統(tǒng)主要是為電力機車提供電能，消耗電能約占總能耗的40%，牽引供電能耗一般由行車間隔、行車速度、機車組車型、乘客運量等方面確定，在運營期間合理安排即可。低壓配電系統(tǒng)主要是為車站動力設(shè)備系統(tǒng)、商業(yè)、辦公、照明等提供電能，消耗電能約占總能耗的60%，低壓配電系統(tǒng)能耗在運營期間合理開發(fā)和利用節(jié)能技術(shù)是可以極大程度地降低電能消耗的。因此，本文主要分析地鐵低壓配電系統(tǒng)電能消耗問題，提出合理有效的節(jié)能技術(shù)，根據(jù)統(tǒng)計，貴州某地鐵1線路運營一年的平均電能消耗如表1、表2。從現(xiàn)有設(shè)備能耗分析可見，低壓配電系統(tǒng)末端設(shè)備分布多，能耗占比區(qū)別明顯，可以根據(jù)不同設(shè)備的運行特性、運行時段和重要程度等，采取不同的系統(tǒng)節(jié)能降耗措施。

三、地鐵低壓配電系統(tǒng)節(jié)能降耗管理技術(shù)的分析及應(yīng)用

（一）建立完善的節(jié)能降耗管理制度和計劃

建立完善的節(jié)能管理制度和計劃是地鐵運營單位開展節(jié)能工作的重要前提。通過建立完善的節(jié)能管理制度和計劃，促進節(jié)能技術(shù)的分析和應(yīng)用，同時，通過相關(guān)制度和計劃約束全體職工參與到節(jié)能工作中，增強節(jié)能意識，節(jié)能工作才能得到事半功倍的效果。

（二）基于大數(shù)據(jù)建立完善的智能化能源管理系統(tǒng)

在傳統(tǒng)城市軌道交通工程中，設(shè)置的能源管理系統(tǒng)較少，即使設(shè)置了能源管理系統(tǒng)，大多也僅限于對底層數(shù)據(jù)進行收集、存儲，并供用戶集中提取查詢，并且收集的數(shù)據(jù)較為粗放，對運營節(jié)能降耗起不到分析指導(dǎo)作用。因此，我們需要在傳統(tǒng)能源管理系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加上層數(shù)據(jù)分析處理單元，在軟件層面上對數(shù)據(jù)進行二次加工，形成數(shù)據(jù)分析報表，并將其融入地鐵大數(shù)據(jù)，為優(yōu)化資源配置提供理論支持及依據(jù)。同時，結(jié)合大數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)挖掘等現(xiàn)下主流的計算機技術(shù)，研究能源管理系統(tǒng)在數(shù)據(jù)資源分配管理方面的技術(shù)。

（三）智能化能源管理系統(tǒng)架構(gòu)模型設(shè)計

根據(jù)地鐵供電系統(tǒng)的實際情況，利用大數(shù)據(jù)及先進的技術(shù)手段將傳統(tǒng)能源管理系統(tǒng)的粗放設(shè)計進行優(yōu)化，更深入、更形象、更具體地統(tǒng)計和分析現(xiàn)場設(shè)備的能耗情況，為節(jié)能降耗提供有力的數(shù)據(jù)支撐，并將能源管理系統(tǒng)設(shè)為計量終端、能源管理系統(tǒng)子站、能源管理系統(tǒng)主站三大部分構(gòu)成，各版塊的功能和作用如下。

1.計量終端系統(tǒng)

主要由智能電度計量表和用電設(shè)備構(gòu)成，智能表按照不同維度、不同區(qū)域?qū)τ秒娫O(shè)備進行分類、分項和分戶計量。分類即按照能源種類劃分進行采集和整理能耗數(shù)據(jù)；分項指按照主要用途進行劃分；分戶則指按照提供給不同能源消耗主體進行劃分。同時，計量也可按照按優(yōu)先級進行劃分計量，以滿足運營管理和指標考核為最終目的。智能表記在采集各用電設(shè)備的電能數(shù)據(jù)后，通過通信總線將數(shù)據(jù)傳輸給能源管理系統(tǒng)子站。

2.能源管理系統(tǒng)子站系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)子站為車站級，設(shè)于各車站內(nèi)，主要由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成，負責通過網(wǎng)絡(luò)將計量終端智能計量表采集的開關(guān)柜、環(huán)控電控柜、配電控制箱等設(shè)備電能參數(shù)匯總處理，然后上傳給能源管理系統(tǒng)主站。

3.能源管理系統(tǒng)主站系統(tǒng)

能源管理系統(tǒng)主站為中央級，設(shè)于能源管理辦公室，主要包括數(shù)據(jù)存儲與分析服務(wù)器、數(shù)據(jù)查詢服務(wù)器、線路級數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、工作站、打印機和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。主站通過網(wǎng)絡(luò)與各子站系統(tǒng)進行通信，采集各子站的能耗參數(shù)和主要設(shè)備的狀態(tài)信息，完成數(shù)據(jù)采集、存儲管理、統(tǒng)計分析，并建立設(shè)備運行情況的統(tǒng)計和分析系統(tǒng)以及設(shè)備評價、服務(wù)評價和用能效果評價指標體系。

4.能源管理系統(tǒng)主要功能設(shè)計

地鐵能源管理系統(tǒng)通過采集的能源數(shù)據(jù)，監(jiān)測各車站、各系統(tǒng)和各重點設(shè)備的用能趨勢，并建立用能模型，用于預(yù)警和管理用能情況。同時，通過能效對標、能耗KPI考核等方式，增強人員的節(jié)能意識，提高人員的節(jié)能技術(shù)和技能，為節(jié)能技術(shù)的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)支持和效果驗證。該系統(tǒng)為地鐵運營管理人員提供精細化的用能管理服務(wù)，實現(xiàn)節(jié)能減排，促進地鐵線路的綠色節(jié)能運營。因此，能源管理系統(tǒng)必須滿足實現(xiàn)以下統(tǒng)計分析功能。

各類系統(tǒng)能源用量對比分析：對車站內(nèi)各類用電設(shè)備能耗的用量進行統(tǒng)計對比，可按日、月、年進行統(tǒng)計分析，并以圖狀及報表方式呈現(xiàn)。

同類系統(tǒng)或設(shè)備用能情況環(huán)比分析：對同類系統(tǒng)或設(shè)備用能情況按年、月進行環(huán)比分析（逐年、逐月），并以柱狀圖及報表方式呈現(xiàn)，分析系統(tǒng)或設(shè)備的能耗變化趨勢和分布情況。

同類系統(tǒng)或設(shè)備用能情況同比分析：對同類系統(tǒng)或設(shè)備用能情況按月、日進行同比分析（不同月份相同日期、不同年份相同月份），并以圖狀及報表方式呈現(xiàn)，分析系統(tǒng)或設(shè)備的能耗變化趨勢和分布情況。

同類系統(tǒng)中不同設(shè)備用能情況對比分析：對同類系統(tǒng)不同設(shè)備的用能情況按年、月、日進行對比分析，并以圖狀及報表方式呈現(xiàn)。

車站負荷趨勢分析：對車站的逐時負荷、逐月負荷、周日負荷趨勢進行分析。

能耗相關(guān)性分析：對車站內(nèi)的各類設(shè)備或系統(tǒng)進行能耗相關(guān)性分析，例如，室外環(huán)境的溫度或焓值對空調(diào)系統(tǒng)能耗的相關(guān)性分析、車站客流對空調(diào)系統(tǒng)能耗的相關(guān)性分析、車站客流對閘機和電扶梯的能耗相關(guān)性分析、車站類型對車站能耗的相關(guān)性分析以及車站面積對車站能耗的相關(guān)性分析等。

不同時間段設(shè)備能耗統(tǒng)計分析：對車站各設(shè)備在工作時間和非工作時間能耗進行統(tǒng)計分析，以及對車站間相同類型系統(tǒng)或設(shè)備工作時間和非工作時間能耗進行統(tǒng)計分析。

能耗對比分析：對線路中各車站的總能耗進行對比分析、對各車站中同類子系統(tǒng)（例如站臺門系統(tǒng)）能耗進行對比分析，可按日、月、年進行統(tǒng)計分析，并以圖狀及報表方式呈現(xiàn)。

能耗排名分析：按各種能耗系統(tǒng)類型對各車站的用能情況進行排名，例如，照明總能耗排名、動力總能耗排名、空調(diào)總能耗排名、單位乘客能耗排名等；

能耗評價指標對比分析：對各車站的各類能耗指標進行統(tǒng)計排名。

能耗費用分析：按各種能耗系統(tǒng)類型對各車站的用能全年費用情況進行排名，例如，照明總費用排名、動力總費用排名、空調(diào)總費用排名等。

各車站間相同類型設(shè)備的費用分析：對各車站相同類型設(shè)備按年、月、日對其能耗費用進行對比，對同一條線路不同車站間能耗費用進行對比、分析和評價。

同車站不同類型設(shè)備能耗費用分析：對同車站不同類型設(shè)備按年、月、日進行能耗費用占比進行對比、分析和評價。

車站總能耗費用和票務(wù)售票系統(tǒng)費用對比分析：各車站總能耗費用和車站票務(wù)進款費用按年、月、日進行對比、分析和評價。

5.地鐵能源管理系統(tǒng)的運用實況

同類系統(tǒng)或設(shè)備用能情況同、環(huán)比分析：對同類系統(tǒng)或設(shè)備用能情況按年、月進行環(huán)比分析（逐年、逐月），按不同月份相同日期、不同年份相同月份進行同比分析，并以柱狀圖及報表方式呈現(xiàn)，分析系統(tǒng)或設(shè)備的能耗變化趨勢和分布情況。

車站負荷趨勢分析：通過直接對比上一周期的負荷曲線，對車站的逐時負荷、逐月負荷、逐日負荷趨勢進行分析，如圖2所示。

能耗相關(guān)性分析：對車站內(nèi)的各類設(shè)備或系統(tǒng)進行能耗相關(guān)性分析，例如，室外環(huán)境的溫度或焓值對空調(diào)系統(tǒng)的能耗的相關(guān)性分析、車站客流對空調(diào)系統(tǒng)能耗的相關(guān)性分析、車站客流對閘機和電扶梯的能耗相關(guān)性分析、車站類型對車站能耗的相關(guān)性分析、車站面積對車站能耗的相關(guān)性分析等，如圖3所示。

能耗對比分析：對線路中各車站的總能耗進行對比分析、對各車站中同類子系統(tǒng)（例如站臺門系統(tǒng)）能耗進行對比分析，可按日、月、年進行統(tǒng)計分析，并以圖狀及報表方式呈現(xiàn)。

不同時間段設(shè)備能耗統(tǒng)計分析：對車站各設(shè)備在工作時間和非工作時間能耗統(tǒng)計分析，以及對車站間相同類型系統(tǒng)或設(shè)備工作時間和非工作時間能耗統(tǒng)計分析。

能耗排名分析：按各種能耗系統(tǒng)類型對各車站的用能情況進行排名，例如，照明總能耗排名、動力總能耗排名、空調(diào)總能耗排名、單位乘客能耗排名等，如圖4。

指標對比分析：能源管理系統(tǒng)主站按采集的數(shù)據(jù)計算車站、線路行車耗能指標，例如，車站每萬人次乘客的電耗、線路每車公里的牽引電耗等，并以上年同期單位電耗和單位綜合電耗為參照進行對比分析。

在線集抄功能：按不同系統(tǒng)分類對系統(tǒng)中的智能表計進行遠程集中抄表，可以按年、季度、月不同時間間隔進行設(shè)置，如圖5所示。

定額管理：按各類設(shè)備、系統(tǒng)的趨勢分析、同環(huán)比分析、相關(guān)性分析等分析結(jié)果，為各車站、設(shè)備設(shè)置用能定額，當車站、設(shè)備用能達到定額的一定百分比時，分不同等級進行報警，車站、設(shè)備管理人員根據(jù)報警情況合理調(diào)整能源消耗。

用能診斷：從車站或設(shè)備不同時段的瞬時能耗值、上下級表計用能平衡分析、能耗趨勢對比等方面判斷用能異常情況并報警，例如，通過水表瞬時數(shù)據(jù)異常判斷站內(nèi)水管漏水或爆管，通過400V主開關(guān)電表有功電度與子開關(guān)柜電表有功總和不一致判斷電表功能異常或漏電等，從而及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障，提高檢修效率，阻止能源浪費。

四、地鐵低壓配電系統(tǒng)節(jié)能降耗技術(shù)措施分析及應(yīng)用

（一）充分利用自然條件降低動力設(shè)備電能消耗

通風空調(diào)系統(tǒng)是車站低壓配電能耗設(shè)備中的能耗大戶，在全國地鐵運營中，大多數(shù)車站根據(jù)季節(jié)將通風空調(diào)使用分為空調(diào)季和非空調(diào)季。在非空調(diào)季，通風空調(diào)系統(tǒng)會全天24小時開啟，以確保車站和設(shè)備房的溫度保持正常；而在空調(diào)季，冷源系統(tǒng)會全天保持開啟，以保持車站和設(shè)備房的適宜溫度。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，目前車站的設(shè)計一般會在地下車站站臺門上方安裝通風風閥，該風閥能夠連接隧道、站臺和站廳，充分利用當?shù)氐淖匀粴夂驐l件。因此，可以通過調(diào)查站內(nèi)外的溫差，并結(jié)合車站客流情況，制定停用車站通風空調(diào)系統(tǒng)的時間表。通過開啟站臺門上方的風閥，利用車輛從隧道區(qū)間帶入和帶出的自然風，調(diào)節(jié)車站的空氣和溫度，從而降低通風空調(diào)系統(tǒng)的電能消耗。例如，在貴州某地鐵地處西南地區(qū)，1月至5月和10月至12月的平均氣溫在16℃左右，除了早高峰時段（7點至10點）和晚高峰時段（16點至20點），其他時間段都可以開啟站臺風閥以采取自然通風模式運行。經(jīng)過測試，站內(nèi)的通風質(zhì)量滿足標準要求。

（二）利用氣候條件降低大功率設(shè)備運行能耗

低壓配電系統(tǒng)中冷卻系統(tǒng)和大功率風機運行能耗較大，在地鐵運營中，為了保障車站和軌行區(qū)溫度滿足需求，一般將冷卻系統(tǒng)和軌道風機設(shè)置為全天24小時開啟運行。經(jīng)過分析發(fā)現(xiàn)，冷卻系統(tǒng)設(shè)備可以在25～28℃啟動運行，在夜間過24：00后，氣溫下降，此時可以考慮關(guān)停冷卻裝置，啟用小系統(tǒng)通風多聯(lián)機的模式保障設(shè)備房正常溫度，而站廳和站臺可以利用自然風系統(tǒng)通風。此外，軌道風機可以設(shè)置在29℃以上自啟動運行。由于行車期間隧道內(nèi)有活塞風流動，軌行區(qū)一般保持在20℃以下，因此軌道風機設(shè)置后基本一年不會啟動，這樣將會極大地降低兩大耗能設(shè)備的電能消耗。

（三）利用新能源創(chuàng)新供電模式降低照明設(shè)備電能消耗

場段室外照明是必不可少的部分，相比地下車站，也為節(jié)能降耗提供更好的便利條件。貴州某地鐵區(qū)域日平均日照時間僅為3小時，并考慮投資成本的因素，平常使用太陽能為路燈供電，當太陽能裝置的蓄電池電量不足時，由常規(guī)電源對路燈進行供電，大幅降低了場段路燈電能消耗。以貴州某地鐵區(qū)域?qū)嶋H情況實施，每年節(jié)能成本對比分析如表3所示。

（四）主動改造增強節(jié)能措施

地鐵線路從設(shè)計到施工完成一般需要3至5年，有的甚至可跨越10年。因此，當開通運營后，一些設(shè)計理念和設(shè)備已不再是最新技術(shù)和標準，需要運營單位積極主動進行改造或更新?lián)Q代，以達到節(jié)能最佳狀態(tài)。地下車站站臺和站廳照明需要24小時開啟，但往往由于設(shè)計期間新型照明設(shè)備的落后，會考慮較密集的照明燈，后期照明設(shè)備在同樣功率下照度會增強，這就需要通過改造減少照明設(shè)備密度，并重新布局，以滿足照度需求；高架站區(qū)間照明設(shè)備在設(shè)計期間由于無法考慮自動開停條件，一般設(shè)置為人工關(guān)停，這會導(dǎo)致關(guān)停不及時浪費能源，后期可以通過改造自動檢測室外亮度或時間自行啟停，降低電能消耗。

（五）分析客流量降低電扶梯開啟時間

在地鐵車站運營期間，不同的車站客流量不同，一般末端站和住宅區(qū)較少的站客流量較小，在設(shè)計時，為方便乘客出行，每個地鐵口均安裝了扶梯和垂梯。運營單位可以分析不同車站客流量情況，減少出站口電梯的開啟數(shù)量，也可以選擇垂梯和扶梯只開啟一臺。同時，還應(yīng)當劃分客流高峰和低峰時段，在低峰時段減少電梯開啟數(shù)量，以此降低電能消耗。

五、運用效果

貴州X地鐵1號線在運營中通過分析總結(jié)，并結(jié)合實際情況，采取了一系列有效的節(jié)能技術(shù)措施，取得了顯著的節(jié)能效果：年均降低低壓配電系統(tǒng)能耗4000萬kWh～5000萬kWh，占總能耗的2%～3%。根據(jù)當?shù)仄骄妰r0.65元計算，平均每年節(jié)約運營成本約三百萬，這意味著通過實施這些節(jié)能措施，地鐵運營商在維持服務(wù)質(zhì)量的同時，能夠有效降低能源成本，提高運營效益。

六、結(jié)束語

地鐵低壓配電節(jié)能降耗技術(shù)的應(yīng)用意義重大，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，也是城市地鐵長足穩(wěn)定運行的需求。但不同的地鐵線路需要結(jié)合當?shù)氐倪\營政策、客流需求、氣候條件、前期設(shè)計情況、建設(shè)期設(shè)備的采用和選型等多方面因素進行具體分析和總結(jié)，深挖節(jié)能關(guān)節(jié)技術(shù)，提出科學(xué)合理的節(jié)能降耗技術(shù)方案，并將其應(yīng)用到節(jié)能工作中，提升地鐵低壓設(shè)備的整體運行效率，實現(xiàn)節(jié)能目標。只有這樣，才能更好地實現(xiàn)地鐵運營降本增效，確保地鐵運行更加綠色、環(huán)保、舒適和便捷。

作者單位：楊波 貴陽市公共交通投資運營集團有限公司

參" 考" 文" 獻

[1]趙瑞瑞.地鐵在杭州城市形象塑造中的功能探析[D].蘭州：蘭州大學(xué)，2020.

[2]劉蓮蓮.太陽能路燈在地鐵車輛段中的應(yīng)用研究[J].工程管理前沿，2014（09）.

[3]耿玲.建筑節(jié)能監(jiān)管系統(tǒng)在高校中的應(yīng)用[D].沈陽：沈陽建筑大學(xué)，2017.

[4]董旭華.淺析現(xiàn)代城市軌道交通系統(tǒng)的設(shè)備管理[J].重慶市軌道交通（集團）有限公司，2020.

[5]胡冰光，龔玲，蘇小倩.淺談城市軌道交通供電系統(tǒng)的節(jié)能措施與經(jīng)濟運行[J].重慶軌道交通（集團）有限公司，2020.

[6]陳奉剛.能耗監(jiān)控管理分析決策系統(tǒng)的研究及數(shù)據(jù)庫建立[D].廣州：華南理工大學(xué)，2014.