導(dǎo)語(yǔ)：地鐵供電系統(tǒng)節(jié)能降耗技術(shù)探討一文來(lái)源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點(diǎn)，若需要原創(chuàng)文章可咨詢(xún)客服老師，歡迎參考。

摘要：城市軌道交通是城市發(fā)展的重要基礎(chǔ)設(shè)施，地鐵供電系統(tǒng)是為城市軌道交通運(yùn)營(yíng)提供所需電能，也是能耗較大的系統(tǒng)，在保障地鐵正常運(yùn)營(yíng)的前提下，應(yīng)用有效的節(jié)能降耗技術(shù)降低運(yùn)營(yíng)成本、節(jié)約能源是目前地鐵供電系統(tǒng)運(yùn)行中必須考慮的環(huán)節(jié)。本文結(jié)合貴陽(yáng)地鐵建設(shè)和運(yùn)營(yíng)情況，分析地鐵主要能耗因素，提出節(jié)能降耗方案，為地鐵運(yùn)營(yíng)更好地實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、綠色環(huán)保提供參考。

關(guān)鍵詞：地鐵；低壓；供電系統(tǒng)；節(jié)能降耗；技術(shù)

城市軌道交通供電系統(tǒng)的節(jié)能降耗一直以來(lái)受到業(yè)界人士的高度關(guān)注，提出了各類(lèi)節(jié)能降耗實(shí)施方案，但其思路大都重點(diǎn)放在了設(shè)計(jì)和建設(shè)階段。其中設(shè)計(jì)階段主要考慮各級(jí)變電所與變壓器的容量設(shè)置、中壓網(wǎng)絡(luò)電壓等級(jí)及接線形式、運(yùn)行方式、電纜的選擇、牽引網(wǎng)的設(shè)置等；建設(shè)階段主要考慮各種能耗設(shè)備的選型，在滿(mǎn)足運(yùn)營(yíng)要求的前提下重點(diǎn)考慮節(jié)能指標(biāo)。由于不同的地區(qū)氣候條件不同，運(yùn)營(yíng)線路客流量不同，商業(yè)及辦公模式也有所不同，因此，分析運(yùn)營(yíng)階段能源需求，采用相應(yīng)的管理手段也是實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗的重要措施。本文主要研究地鐵線路運(yùn)營(yíng)階段供電系統(tǒng)的節(jié)能降耗技術(shù)及相應(yīng)管理措施。

1地鐵供電系統(tǒng)電能消耗分析

城市軌道交通供電系統(tǒng)負(fù)責(zé)提供車(chē)輛及設(shè)備運(yùn)行所需的電能，主要由高壓供電源系統(tǒng)、牽引供電系統(tǒng)和低壓配電系統(tǒng)3大部分組成。其中高壓供電源系統(tǒng)主要是從城市電網(wǎng)引入110kV等級(jí)電壓，通過(guò)主變電所降壓后分配給降壓所和牽引所，為電客車(chē)和動(dòng)力照明設(shè)備提供電能，該部分的電能消耗主要為設(shè)備運(yùn)行中的線路損耗、空載損耗、熱損耗等，已在設(shè)計(jì)階段有所考慮。本文以貴陽(yáng)地鐵某線路為例，主要分析運(yùn)營(yíng)階段牽引供電系統(tǒng)和低壓配電系統(tǒng)的電能消耗問(wèn)題。統(tǒng)計(jì)貴陽(yáng)地鐵某線路運(yùn)營(yíng)一年的平均電能消耗如表1、圖1所示。1.1牽引供電系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)中的電能消耗。牽引供電系統(tǒng)由牽引變電所、牽引網(wǎng)、鋼軌、回流線等部分組成，其電能消耗主要為電客車(chē)的運(yùn)行牽引消耗，同時(shí)也是城市軌道交通供電系統(tǒng)中能源消耗的主要部分。在城市軌道交通運(yùn)營(yíng)中，牽引能耗主要與行車(chē)間隔、載客量、線路坡度、運(yùn)營(yíng)速度和運(yùn)營(yíng)時(shí)間等因素有關(guān)。1.2低壓配電系統(tǒng)在運(yùn)營(yíng)中的電能消耗。低壓配電系統(tǒng)由降壓變電所和動(dòng)力照明配電線路等組成，為車(chē)輛段、車(chē)場(chǎng)、車(chē)站、區(qū)間、各類(lèi)照明、辦公、商業(yè)、電扶梯、風(fēng)機(jī)空調(diào)、水泵等動(dòng)力設(shè)備及通信、信號(hào)、自動(dòng)化等設(shè)備提供電源。在城市軌道交通運(yùn)營(yíng)中，低壓配電系統(tǒng)能耗主要由以下幾部分組成：（1）地鐵通風(fēng)制冷、給排水系統(tǒng)能量消耗。通風(fēng)制冷、給排水系統(tǒng)能耗僅次于牽引供電系統(tǒng)的能耗，這2個(gè)系統(tǒng)含有冷水機(jī)組、冷卻泵、冷凍泵、各大風(fēng)機(jī)、消防水泵、污水泵，需要消耗較多能量，而且地鐵在運(yùn)營(yíng)期間，空調(diào)通風(fēng)制冷系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間處于固定運(yùn)行模式，能量消耗巨大，且單一運(yùn)行模式還會(huì)縮短空調(diào)的使用壽命，導(dǎo)致地鐵空調(diào)通風(fēng)系統(tǒng)的能量消耗增加。（2）地鐵門(mén)梯系統(tǒng)能量消耗。地鐵規(guī)模不斷擴(kuò)大，設(shè)備眾多，各大地鐵站使用電梯的種類(lèi)也不盡相同，如雜物梯、自動(dòng)扶梯、客梯、貨梯等，這些電梯和扶梯設(shè)備在運(yùn)營(yíng)時(shí)間段需要保持在啟動(dòng)狀態(tài)；各地鐵車(chē)站的站臺(tái)門(mén)在運(yùn)營(yíng)時(shí)間段根據(jù)電客車(chē)的到出站情況隨時(shí)開(kāi)關(guān)，這些大型動(dòng)力設(shè)備運(yùn)行均需消耗大量的電能。（3）地鐵照明系統(tǒng)能量消耗。地鐵照明系統(tǒng)對(duì)于地鐵運(yùn)營(yíng)非常重要，其能量消耗較大，照明裝置類(lèi)型繁多。由于地鐵車(chē)站基本設(shè)置在地下，照明設(shè)備不僅在站臺(tái)和站廳需要設(shè)置，在設(shè)備房、辦公區(qū)、隧道區(qū)間、電纜通道等區(qū)域均需設(shè)置，且基本保持全天24h不間斷照明，因此整條地鐵線路的照明電能消耗量也較大。（4）其他系統(tǒng)消耗電能。地鐵信號(hào)、自動(dòng)售檢票、綜合自動(dòng)化等系統(tǒng)在地鐵運(yùn)營(yíng)中為弱電設(shè)備，但為保障多個(gè)弱電系統(tǒng)設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行，必須確保全天24h不間斷供電及為弱電設(shè)備蓄電池充電，雖然單個(gè)設(shè)備用電量不大，但各系統(tǒng)設(shè)備較多，綜合用電量則相當(dāng)大。另外，地鐵運(yùn)營(yíng)中還涉及辦公用電以及物業(yè)開(kāi)發(fā)等商業(yè)用電，辦公電能消耗主要為車(chē)站及車(chē)輛段和停車(chē)場(chǎng)辦公環(huán)境中空調(diào)設(shè)備、照明設(shè)備、電梯設(shè)備、辦公設(shè)備等；商業(yè)電能消耗主要為地鐵站物業(yè)開(kāi)發(fā)、地鐵站商業(yè)建設(shè)施工、商鋪開(kāi)發(fā)用電等。

2地鐵供電系統(tǒng)節(jié)能降耗管理及應(yīng)用

2.1基于大數(shù)據(jù)建立完善的智能化能源管理系統(tǒng)。傳統(tǒng)城市軌道交通工程設(shè)置能源管理系統(tǒng)較少，且僅限于對(duì)部分能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、存儲(chǔ)并供用戶(hù)集中查詢(xún)，收集的數(shù)據(jù)較為粗放，無(wú)法有效對(duì)運(yùn)營(yíng)節(jié)能降耗管理進(jìn)行分析和指導(dǎo)。針對(duì)該現(xiàn)狀，提出建立一套完善的基于大數(shù)據(jù)的智能化能源管理系統(tǒng)。2.1.1智能化能源管理系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。根據(jù)地鐵供電系統(tǒng)的實(shí)際情況，將能源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)為由計(jì)量終端、能源管理系統(tǒng)子站、能源管理系統(tǒng)主站3大部分構(gòu)成。計(jì)量終端主要由智能電度計(jì)量表、通信設(shè)備和用電設(shè)備構(gòu)成，智能電度計(jì)量表按照不同供電設(shè)備的電壓等級(jí)、每個(gè)車(chē)站的不同區(qū)域、不同用電設(shè)備和不同用戶(hù)進(jìn)行安裝，實(shí)行分類(lèi)、分項(xiàng)和分戶(hù)計(jì)量，重點(diǎn)計(jì)量末端設(shè)備的能耗，并通過(guò)通信設(shè)備將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給能源管理子站。能源管理系統(tǒng)子站設(shè)于各車(chē)站內(nèi)，主要由網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成，負(fù)責(zé)將計(jì)量終端智能計(jì)量表采集的開(kāi)關(guān)柜、配電箱、環(huán)控電控柜、配電控制箱等設(shè)備電能參數(shù)集中處理后上傳給能源管理系統(tǒng)主站。能源管理系統(tǒng)主站為中央級(jí)，設(shè)于車(chē)輛段，主要包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與分析服務(wù)器、數(shù)據(jù)查詢(xún)服務(wù)器、線路級(jí)數(shù)據(jù)采集服務(wù)器、工作站、打印機(jī)和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。主站通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與各子站系統(tǒng)進(jìn)行通信，采集全線路的能耗參數(shù)及主要設(shè)備的狀態(tài)信息，完成數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)管理、統(tǒng)計(jì)分析，建立設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的統(tǒng)計(jì)和分析系統(tǒng)，建立設(shè)備評(píng)價(jià)、服務(wù)評(píng)價(jià)及用能效果評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，指導(dǎo)能耗管理工作的開(kāi)展。2.1.2智能化能源管理系統(tǒng)的功能及應(yīng)用。智能化能源管理系統(tǒng)主要以分類(lèi)、分項(xiàng)、分戶(hù)的形式采集供電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的用能數(shù)據(jù)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)植入地鐵能耗管理數(shù)據(jù)庫(kù)內(nèi)，建立用能模型，實(shí)現(xiàn)如下能耗管理需求，指導(dǎo)能源管理工作。能耗管理架構(gòu)如圖2所示。（1）能源管理部門(mén)對(duì)正常運(yùn)營(yíng)、辦公和商業(yè)用電量進(jìn)行核算，將核算后的數(shù)據(jù)按照每戶(hù)每月正常用電需求在系統(tǒng)中設(shè)置能量消耗上限值，當(dāng)用戶(hù)能耗超限系統(tǒng)將自動(dòng)報(bào)警，方便管理人員及時(shí)對(duì)超限能耗用戶(hù)的使用情況進(jìn)行核查，判斷是否存在非正常用電情況。（2）通過(guò)系統(tǒng)采集用電數(shù)據(jù)對(duì)車(chē)站同類(lèi)設(shè)備不同區(qū)域、不同時(shí)段的用電情況進(jìn)行統(tǒng)計(jì)、分析、對(duì)比，管理人員可通過(guò)分析結(jié)果及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的不正常運(yùn)行情況及是否存在設(shè)備老化耗能情況。（3）通過(guò)系統(tǒng)采集車(chē)站不同類(lèi)型設(shè)備的用電量并進(jìn)行對(duì)比分析，管理人員可重點(diǎn)對(duì)能耗較大的設(shè)備系統(tǒng)采取節(jié)能減排措施，在不影響正常運(yùn)行的情況下降低能量消耗。（4）采集同一條線路不同車(chē)站的電能使用情況，并按照總體使用、分類(lèi)使用、分項(xiàng)使用、分戶(hù)使用進(jìn)行分析排名，指導(dǎo)管理人員提出合理的節(jié)能減排方案。（5）通過(guò)數(shù)據(jù)采集和分析可以按月、年以圖表的形式顯示用戶(hù)分類(lèi)、分項(xiàng)和分戶(hù)用能情況，管理人員可對(duì)能量消耗較大的車(chē)站、用電設(shè)備、用電商戶(hù)進(jìn)行分析，提出合理的節(jié)能措施。（6）系統(tǒng)可通過(guò)數(shù)據(jù)采集在大數(shù)據(jù)庫(kù)中與國(guó)內(nèi)各條線路重點(diǎn)設(shè)備系統(tǒng)能量消耗情況進(jìn)行數(shù)據(jù)對(duì)比分析，管理人員根據(jù)數(shù)據(jù)對(duì)比及時(shí)掌握本線路的能量管理情況，向能量管理較好地鐵線路的運(yùn)營(yíng)單位學(xué)習(xí)交流，進(jìn)一步完善能源管理。2.2牽引供電系統(tǒng)節(jié)能降耗管理。根據(jù)貴陽(yáng)地鐵運(yùn)營(yíng)總結(jié)分析，地鐵牽引供電系統(tǒng)電能消耗占整個(gè)供電系統(tǒng)電能消耗近一半，在設(shè)計(jì)和現(xiàn)有設(shè)備不變的前提下，通過(guò)如下技術(shù)管理手段可以降低地鐵供電系統(tǒng)的牽引能耗。2.2.1通過(guò)合理調(diào)整行車(chē)間隔節(jié)約能耗。根據(jù)貴陽(yáng)地鐵某線路首通段運(yùn)營(yíng)日?qǐng)?bào)統(tǒng)計(jì)計(jì)算，每月電客車(chē)的空載運(yùn)營(yíng)里程約為13000km，載客運(yùn)行里程約為250000km，牽引能耗估算式為A空=ΔA×G空×M空（1）A載=ΔA×G空×M空+ΔA×G定×M載（2）式中，A空為空載能耗；A載為定額載客能耗；ΔA為單位能耗，取值0.052kW•h/t•km；M空為空駛里程；M載為載客運(yùn)行里程；G空為電客車(chē)空載重量；G定為電客車(chē)定額載客重量。電客車(chē)為B型車(chē)4動(dòng)2拖，Mp=35t，Tc=33t，電客車(chē)自重35×4+33×2=206t；每人平均按60kg，定員1460人，客重為1460×0.06=87.6t。通過(guò)上式計(jì)算發(fā)現(xiàn)每年的牽引空載能耗約為1671072kW•h，損耗量相當(dāng)大，僅低于線路損耗。因此，運(yùn)營(yíng)指揮中心應(yīng)對(duì)地鐵線路的乘客乘車(chē)高峰、平穩(wěn)、低谷等各個(gè)時(shí)間段進(jìn)行調(diào)查分析，制定合理的行車(chē)計(jì)劃，在客流高峰期提高行車(chē)密度，在客流低谷時(shí)間段增大行車(chē)間隔，同時(shí)根據(jù)早、晚期間客流的情況調(diào)整首末班車(chē)的開(kāi)行時(shí)間（如在節(jié)假日和大型公共活動(dòng)期間可以推遲末班車(chē)，提前首班車(chē)），在滿(mǎn)足客流需求的前提下，適當(dāng)安排各時(shí)間段列車(chē)的開(kāi)行對(duì)數(shù)和速度，提高列車(chē)滿(mǎn)載率，減少列車(chē)空駛距離。2.2.2通過(guò)合理調(diào)整行車(chē)速度實(shí)現(xiàn)節(jié)約能耗。假設(shè)車(chē)輛的運(yùn)行阻力為FW，制動(dòng)速度為v，列車(chē)總重量為M，車(chē)輛的制動(dòng)距離為S，則產(chǎn)生的制動(dòng)能量為E=Mv2/2−FWS由式（3）可以看出，車(chē)輛制動(dòng)初速度越大所產(chǎn)生的制動(dòng)能量也會(huì)越大，同時(shí)制動(dòng)距離和制動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)，列車(chē)再生制動(dòng)能量也越大。因此根據(jù)客流量的實(shí)際情況調(diào)整行車(chē)速度，在客流高峰期提高行車(chē)速度，在客流平穩(wěn)期適當(dāng)降低行車(chē)速度，在客流低谷時(shí)間段大幅降低行車(chē)速度，從而降低列車(chē)制動(dòng)能量消耗。2.2.3提高再生制動(dòng)能量吸收裝置的應(yīng)用。車(chē)輛制動(dòng)分為電制動(dòng)和空氣制動(dòng)，電制動(dòng)又分為再生電制動(dòng)和電阻制動(dòng)，當(dāng)再生制動(dòng)失效時(shí)自動(dòng)轉(zhuǎn)為電阻制動(dòng)。車(chē)輛再生制動(dòng)產(chǎn)生的反饋能量一般約為牽引能量的30%，而這些再生能量被列車(chē)自用電消耗一部分，并按比例（一般為20%～80%，取決于列車(chē)運(yùn)行密度和區(qū)間距離）被其他相鄰取流列車(chē)吸收和利用，剩余部分將主要被車(chē)輛的吸收電阻以發(fā)熱的方式消耗。當(dāng)線路行車(chē)間隔較大時(shí)，再生制動(dòng)能量由車(chē)輛吸收的幾率較小，由于車(chē)輛的制動(dòng)主要發(fā)生在運(yùn)行過(guò)程中，如果再生能量由車(chē)輛吸收電阻吸收，必將帶來(lái)隧道和地下車(chē)站的溫升問(wèn)題，同時(shí)也增加了地下車(chē)站內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的負(fù)荷，造成大量的能源消耗，增加運(yùn)營(yíng)成本。因此貴陽(yáng)地鐵牽引供電系統(tǒng)配置了再生能量吸收裝置以實(shí)現(xiàn)制動(dòng)能量的回收和再利用，并在運(yùn)營(yíng)期間加強(qiáng)運(yùn)營(yíng)輔助設(shè)備的管理，提高再生能量回饋裝置的利用率，降低電能消耗。2.3低壓配電系統(tǒng)節(jié)能降耗管理。2.3.1結(jié)合季節(jié)氣候特點(diǎn)，合理啟動(dòng)通風(fēng)空調(diào)用量。貴陽(yáng)地處西南地區(qū)，春、秋季節(jié)氣候涼爽，溫差不大，平均溫度在15℃左右，可盡量減少通風(fēng)空調(diào)的啟用，節(jié)約電能消耗。根據(jù)目前貴陽(yáng)地鐵的調(diào)查研究，在春、秋季節(jié)地下車(chē)站站臺(tái)層和站廳層僅啟動(dòng)1/3數(shù)量的空調(diào)即可，地面車(chē)站的站臺(tái)和站廳層可充分利用自然通風(fēng)，僅啟用小系統(tǒng)，滿(mǎn)足設(shè)備房的通風(fēng)即可。夏季相對(duì)溫度稍高，為科學(xué)合理地開(kāi)啟空調(diào)，在空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)安裝溫控啟動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)車(chē)站不同區(qū)域按照不同的溫度調(diào)節(jié)啟動(dòng)空調(diào)的數(shù)量。冬季氣溫相對(duì)較低，地下站臺(tái)和站廳層僅開(kāi)啟通風(fēng)功能即可，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。2.3.2充分利用變頻技術(shù)。在地鐵低壓配電系統(tǒng)中，電扶梯和風(fēng)機(jī)系統(tǒng)是能源消耗較大的系統(tǒng)和設(shè)備，且運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)。在電扶梯系統(tǒng)中使用變頻技術(shù)，實(shí)行分時(shí)管理，自動(dòng)變速，客流高峰時(shí)段采用高頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，非高峰時(shí)段人流量降低時(shí)轉(zhuǎn)為低頻率運(yùn)轉(zhuǎn)，在無(wú)人乘梯時(shí)供電頻率降到最低，可以極大降低能源的消耗，在節(jié)約客流通行時(shí)間的同時(shí)達(dá)到了節(jié)能的目的。在通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中使用變頻技術(shù)，取代傳統(tǒng)的風(fēng)機(jī)風(fēng)量和給水量的控制功能，通過(guò)變頻調(diào)速器調(diào)節(jié)流量，可以極大降低電能的消耗。根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析，在通風(fēng)空調(diào)系統(tǒng)中使用變頻技術(shù)，可以節(jié)約20%～50%電能。2.3.3充分利用自然能源。在車(chē)輛段、停車(chē)場(chǎng)、車(chē)站室外廣場(chǎng)、站口外、高架區(qū)間等室外區(qū)域，增設(shè)太陽(yáng)能照明設(shè)備，在日常照明中只開(kāi)啟太陽(yáng)能照明燈，滿(mǎn)足室外照明，有效降低照明能耗。2.3.4控制區(qū)域照度和照明時(shí)長(zhǎng)。在地鐵站口和地面站站臺(tái)、站廳層照明設(shè)備上裝設(shè)光照控制器，通過(guò)光照控制照明燈的啟停，達(dá)到節(jié)能的目的；對(duì)站廳和站臺(tái)層照明設(shè)備按照不同區(qū)域客流的不同，合理開(kāi)啟照明設(shè)備，且照明設(shè)備上裝設(shè)時(shí)間控制器控制啟停，實(shí)現(xiàn)夜間停運(yùn)后自動(dòng)關(guān)閉大部分照明設(shè)備；對(duì)設(shè)備巡視通道、設(shè)備房、辦公房等不常用照明的區(qū)域安裝聲控設(shè)備，實(shí)現(xiàn)聲控啟停；對(duì)車(chē)站相關(guān)顯示、指示類(lèi)設(shè)備的照明在非運(yùn)營(yíng)時(shí)間段進(jìn)行自動(dòng)關(guān)閉設(shè)置，實(shí)現(xiàn)節(jié)能降耗。

3結(jié)語(yǔ)

地鐵供電節(jié)能降耗技術(shù)應(yīng)用的意義重大，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，同時(shí)也是城市地鐵運(yùn)行系統(tǒng)長(zhǎng)足穩(wěn)定發(fā)展的需要。因此，必須從多方面入手，充分運(yùn)用現(xiàn)代化先進(jìn)技術(shù)、先進(jìn)設(shè)備，如大數(shù)據(jù)技術(shù)、變頻技術(shù)、智能技術(shù)等，提升地鐵設(shè)備運(yùn)行的整體效率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排，保障地鐵的運(yùn)行更加安全可靠、綠色環(huán)保。

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作者:朱龍佳 單位:貴陽(yáng)市城市軌道交通集團(tuán)有限公司