導語：地鐵供電系統(tǒng)節(jié)能降耗技術探討一文來源于網(wǎng)友上傳，不代表本站觀點，若需要原創(chuàng)文章可咨詢客服老師，歡迎參考。

摘要：城市軌道交通是城市發(fā)展的重要基礎設施，地鐵供電系統(tǒng)是為城市軌道交通運營提供所需電能，也是能耗較大的系統(tǒng)，在保障地鐵正常運營的前提下，應用有效的節(jié)能降耗技術降低運營成本、節(jié)約能源是目前地鐵供電系統(tǒng)運行中必須考慮的環(huán)節(jié)。本文結合貴陽地鐵建設和運營情況，分析地鐵主要能耗因素，提出節(jié)能降耗方案，為地鐵運營更好地實現(xiàn)節(jié)能減排、綠色環(huán)保提供參考。

關鍵詞：地鐵；低壓；供電系統(tǒng)；節(jié)能降耗；技術

城市軌道交通供電系統(tǒng)的節(jié)能降耗一直以來受到業(yè)界人士的高度關注，提出了各類節(jié)能降耗實施方案，但其思路大都重點放在了設計和建設階段。其中設計階段主要考慮各級變電所與變壓器的容量設置、中壓網(wǎng)絡電壓等級及接線形式、運行方式、電纜的選擇、牽引網(wǎng)的設置等；建設階段主要考慮各種能耗設備的選型，在滿足運營要求的前提下重點考慮節(jié)能指標。由于不同的地區(qū)氣候條件不同，運營線路客流量不同，商業(yè)及辦公模式也有所不同，因此，分析運營階段能源需求，采用相應的管理手段也是實現(xiàn)節(jié)能降耗的重要措施。本文主要研究地鐵線路運營階段供電系統(tǒng)的節(jié)能降耗技術及相應管理措施。

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)負責提供車輛及設備運行所需的電能，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等級電壓，通過主變電所降壓后分配給降壓所和牽引所，為電客車和動力照明設備提供電能，該部分的電能消耗主要為設備運行中的線路損耗、空載損耗、熱損耗等，已在設計階段有所考慮。本文以貴陽地鐵某線路為例，主要分析運營階段牽引供電系統(tǒng)和低壓配電系統(tǒng)的電能消耗問題。統(tǒng)計貴陽地鐵某線路運營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)在運營中的電能消耗。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的運行牽引消耗，同時也是城市軌道交通供電系統(tǒng)中能源消耗的主要部分。在城市軌道交通運營中，牽引能耗主要與行車間隔、載客量、線路坡度、運營速度和運營時間等因素有關。1.2低壓配電系統(tǒng)在運營中的電能消耗。低壓配電系統(tǒng)由降壓變電所和動力照明配電線路等組成，為車輛段、車場、車站、區(qū)間、各類照明、辦公、商業(yè)、電扶梯、風機空調(diào)、水泵等動力設備及通信、信號、自動化等設備提供電源。在城市軌道交通運營中，低壓配電系統(tǒng)能耗主要由以下幾部分組成：（1）地鐵通風制冷、給排水系統(tǒng)能量消耗。通風制冷、給排水系統(tǒng)能耗僅次于牽引供電系統(tǒng)的能耗，這2個系統(tǒng)含有冷水機組、冷卻泵、冷凍泵、各大風機、消防水泵、污水泵，需要消耗較多能量，而且地鐵在運營期間，空調(diào)通風制冷系統(tǒng)長時間處于固定運行模式，能量消耗巨大，且單一運行模式還會縮短空調(diào)的使用壽命，導致地鐵空調(diào)通風系統(tǒng)的能量消耗增加。（2）地鐵門梯系統(tǒng)能量消耗。地鐵規(guī)模不斷擴大，設備眾多，各大地鐵站使用電梯的種類也不盡相同，如雜物梯、自動扶梯、客梯、貨梯等，這些電梯和扶梯設備在運營時間段需要保持在啟動狀態(tài)；各地鐵車站的站臺門在運營時間段根據(jù)電客車的到出站情況隨時開關，這些大型動力設備運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)對于地鐵運營非常重要，其能量消耗較大，照明裝置類型繁多。由于地鐵車站基本設置在地下，照明設備不僅在站臺和站廳需要設置，在設備房、辦公區(qū)、隧道區(qū)間、電纜通道等區(qū)域均需設置，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、自動售檢票、綜合自動化等系統(tǒng)在地鐵運營中為弱電設備，但為保障多個弱電系統(tǒng)設備的穩(wěn)定運行，必須確保全天24h不間斷供電及為弱電設備蓄電池充電，雖然單個設備用電量不大，但各系統(tǒng)設備較多，綜合用電量則相當大。另外，地鐵運營中還涉及辦公用電以及物業(yè)開發(fā)等商業(yè)用電，辦公電能消耗主要為車站及車輛段和停車場辦公環(huán)境中空調(diào)設備、照明設備、電梯設備、辦公設備等；商業(yè)電能消耗主要為地鐵站物業(yè)開發(fā)、地鐵站商業(yè)建設施工、商鋪開發(fā)用電等。

2地鐵供電系統(tǒng)節(jié)能降耗管理及應用

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置能源管理系統(tǒng)較少，且僅限于對部分能耗數(shù)據(jù)進行收集、存儲并供用戶集中查詢，收集的數(shù)據(jù)較為粗放，無法有效對運營節(jié)能降耗管理進行分析和指導。針對該現(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)絡架構。根據(jù)地鐵供電系統(tǒng)的實際情況，將能源管理系統(tǒng)設計為由計量終端、能源管理系統(tǒng)子站、能源管理系統(tǒng)主站3大部分構成。計量終端主要由智能電度計量表、通信設備和用電設備構成，智能電度計量表按照不同供電設備的電壓等級、每個車站的不同區(qū)域、不同用電設備和不同用戶進行安裝，實行分類、分項和分戶計量，重點計量末端設備的能耗，并通過通信設備將相關數(shù)據(jù)傳輸給能源管理子站。能源管理系統(tǒng)子站設于各車站內(nèi)，主要由網(wǎng)絡設備構成，負責將計量終端智能計量表采集的開關柜、配電箱、環(huán)控電控柜、配電控制箱等設備電能參數(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，設于車輛段，主要包括數(shù)據(jù)存儲與分析服務器、數(shù)據(jù)查詢服務器、線路級數(shù)據(jù)采集服務器、工作站、打印機和網(wǎng)絡設備。主站通過網(wǎng)絡與各子站系統(tǒng)進行通信，采集全線路的能耗參數(shù)及主要設備的狀態(tài)信息，完成數(shù)據(jù)采集、存儲管理、統(tǒng)計分析，建立設備運行狀態(tài)的統(tǒng)計和分析系統(tǒng)，建立設備評價、服務評價及用能效果評價指標體系，指導能耗管理工作的開展。2.1.2智能化能源管理系統(tǒng)的功能及應用。智能化能源管理系統(tǒng)主要以分類、分項、分戶的形式采集供電系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的用能數(shù)據(jù)，并將相關數(shù)據(jù)植入地鐵能耗管理數(shù)據(jù)庫內(nèi)，建立用能模型，實現(xiàn)如下能耗管理需求，指導能源管理工作。能耗管理架構如圖2所示。（1）能源管理部門對正常運營、辦公和商業(yè)用電量進行核算，將核算后的數(shù)據(jù)按照每戶每月正常用電需求在系統(tǒng)中設置能量消耗上限值，當用戶能耗超限系統(tǒng)將自動報警，方便管理人員及時對超限能耗用戶的使用情況進行核查，判斷是否存在非正常用電情況。（2）通過系統(tǒng)采集用電數(shù)據(jù)對車站同類設備不同區(qū)域、不同時段的用電情況進行統(tǒng)計、分析、對比，管理人員可通過分析結果及時發(fā)現(xiàn)設備的不正常運行情況及是否存在設備老化耗能情況。（3）通過系統(tǒng)采集車站不同類型設備的用電量并進行對比分析，管理人員可重點對能耗較大的設備系統(tǒng)采取節(jié)能減排措施，在不影響正常運行的情況下降低能量消耗。（4）采集同一條線路不同車站的電能使用情況，并按照總體使用、分類使用、分項使用、分戶使用進行分析排名，指導管理人員提出合理的節(jié)能減排方案。（5）通過數(shù)據(jù)采集和分析可以按月、年以圖表的形式顯示用戶分類、分項和分戶用能情況，管理人員可對能量消耗較大的車站、用電設備、用電商戶進行分析，提出合理的節(jié)能措施。（6）系統(tǒng)可通過數(shù)據(jù)采集在大數(shù)據(jù)庫中與國內(nèi)各條線路重點設備系統(tǒng)能量消耗情況進行數(shù)據(jù)對比分析，管理人員根據(jù)數(shù)據(jù)對比及時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營單位學習交流，進一步完善能源管理。2.2牽引供電系統(tǒng)節(jié)能降耗管理。根據(jù)貴陽地鐵運營總結分析，地鐵牽引供電系統(tǒng)電能消耗占整個供電系統(tǒng)電能消耗近一半，在設計和現(xiàn)有設備不變的前提下，通過如下技術管理手段可以降低地鐵供電系統(tǒng)的牽引能耗。2.2.1通過合理調(diào)整行車間隔節(jié)約能耗。根據(jù)貴陽地鐵某線路首通段運營日報統(tǒng)計計算，每月電客車的空載運營里程約為13000km，載客運行里程約為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載為載客運行里程；G空為電客車空載重量；G定為電客車定額載客重量。電客車為B型車4動2拖，Mp=35t，Tc=33t，電客車自重35×4+33×2=206t；每人平均按60kg，定員1460人，客重為1460×0.06=87.6t。通過上式計算發(fā)現(xiàn)每年的牽引空載能耗約為1671072kW•h，損耗量相當大，僅低于線路損耗。因此，運營指揮中心應對地鐵線路的乘客乘車高峰、平穩(wěn)、低谷等各個時間段進行調(diào)查分析，制定合理的行車計劃，在客流高峰期提高行車密度，在客流低谷時間段增大行車間隔，同時根據(jù)早、晚期間客流的情況調(diào)整首末班車的開行時間（如在節(jié)假日和大型公共活動期間可以推遲末班車，提前首班車），在滿足客流需求的前提下，適當安排各時間段列車的開行對數(shù)和速度，提高列車滿載率，減少列車空駛距離。2.2.2通過合理調(diào)整行車速度實現(xiàn)節(jié)約能耗。假設車輛的運行阻力為FW，制動速度為v，列車總重量為M，車輛的制動距離為S，則產(chǎn)生的制動能量為E=Mv2/2−FWS由式（3）可以看出，車輛制動初速度越大所產(chǎn)生的制動能量也會越大，同時制動距離和制動時間越長，列車再生制動能量也越大。因此根據(jù)客流量的實際情況調(diào)整行車速度，在客流高峰期提高行車速度，在客流平穩(wěn)期適當降低行車速度，在客流低谷時間段大幅降低行車速度，從而降低列車制動能量消耗。2.2.3提高再生制動能量吸收裝置的應用。車輛制動分為電制動和空氣制動，電制動又分為再生電制動和電阻制動，當再生制動失效時自動轉為電阻制動。車輛再生制動產(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自用電消耗一部分，并按比例（一般為20%～80%，取決于列車運行密度和區(qū)間距離）被其他相鄰取流列車吸收和利用，剩余部分將主要被車輛的吸收電阻以發(fā)熱的方式消耗。當線路行車間隔較大時，再生制動能量由車輛吸收的幾率較小，由于車輛的制動主要發(fā)生在運行過程中，如果再生能量由車輛吸收電阻吸收，必將帶來隧道和地下車站的溫升問題，同時也增加了地下車站內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)的負荷，造成大量的能源消耗，增加運營成本。因此貴陽地鐵牽引供電系統(tǒng)配置了再生能量吸收裝置以實現(xiàn)制動能量的回收和再利用，并在運營期間加強運營輔助設備的管理，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結合季節(jié)氣候特點，合理啟動通風空調(diào)用量。貴陽地處西南地區(qū)，春、秋季節(jié)氣候涼爽，溫差不大，平均溫度在15℃左右，可盡量減少通風空調(diào)的啟用，節(jié)約電能消耗。根據(jù)目前貴陽地鐵的調(diào)查研究，在春、秋季節(jié)地下車站站臺層和站廳層僅啟動1/3數(shù)量的空調(diào)即可，地面車站的站臺和站廳層可充分利用自然通風，僅啟用小系統(tǒng)，滿足設備房的通風即可。夏季相對溫度稍高，為科學合理地開啟空調(diào)，在空調(diào)系統(tǒng)內(nèi)安裝溫控啟動裝置，實現(xiàn)車站不同區(qū)域按照不同的溫度調(diào)節(jié)啟動空調(diào)的數(shù)量。冬季氣溫相對較低，地下站臺和站廳層僅開啟通風功能即可，實現(xiàn)節(jié)能降耗。2.3.2充分利用變頻技術。在地鐵低壓配電系統(tǒng)中，電扶梯和風機系統(tǒng)是能源消耗較大的系統(tǒng)和設備，且運行時間長。在電扶梯系統(tǒng)中使用變頻技術，實行分時管理，自動變速，客流高峰時段采用高頻率運轉，非高峰時段人流量降低時轉為低頻率運轉，在無人乘梯時供電頻率降到最低，可以極大降低能源的消耗，在節(jié)約客流通行時間的同時達到了節(jié)能的目的。在通風空調(diào)系統(tǒng)中使用變頻技術，取代傳統(tǒng)的風機風量和給水量的控制功能，通過變頻調(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)計分析，在通風空調(diào)系統(tǒng)中使用變頻技術，可以節(jié)約20%～50%電能。2.3.3充分利用自然能源。在車輛段、停車場、車站室外廣場、站口外、高架區(qū)間等室外區(qū)域，增設太陽能照明設備，在日常照明中只開啟太陽能照明燈，滿足室外照明，有效降低照明能耗。2.3.4控制區(qū)域照度和照明時長。在地鐵站口和地面站站臺、站廳層照明設備上裝設光照控制器，通過光照控制照明燈的啟停，達到節(jié)能的目的；對站廳和站臺層照明設備按照不同區(qū)域客流的不同，合理開啟照明設備，且照明設備上裝設時間控制器控制啟停，實現(xiàn)夜間停運后自動關閉大部分照明設備；對設備巡視通道、設備房、辦公房等不常用照明的區(qū)域安裝聲控設備，實現(xiàn)聲控啟停；對車站相關顯示、指示類設備的照明在非運營時間段進行自動關閉設置，實現(xiàn)節(jié)能降耗。

3結語

地鐵供電節(jié)能降耗技術應用的意義重大，符合可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略要求，同時也是城市地鐵運行系統(tǒng)長足穩(wěn)定發(fā)展的需要。因此，必須從多方面入手，充分運用現(xiàn)代化先進技術、先進設備，如大數(shù)據(jù)技術、變頻技術、智能技術等，提升地鐵設備運行的整體效率，實現(xiàn)節(jié)能減排，保障地鐵的運行更加安全可靠、綠色環(huán)保。

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作者:朱龍佳 單位:貴陽市城市軌道交通集團有限公司