中国水利水电第五工程局有限公司 何兴伟

1 引言

地铁作为一种快速轨道交通工具，具有频次高、速度快、运载量大、安全性高、辐射范围广等众多优势，备受大中型城市的青睐，不仅缓解了城市的交通压力，且对地铁沿线区域的经济发展具有积极的带动作用，为城市经济发展注入新的活力。但地铁在运行过程中电能消耗较大，应用地铁低压供电系统，在保证地铁运行中能得到稳定电力资源支持的同时，尽量减少不必要的电能消耗，提高电力资源的利用率，不但能显著降低地铁运营成本，扩大地铁运营的经济效益，还能间接地减少电力生产过程中对自然能源的消耗量，保护自然环境，获得良好的生态效益。

2 地铁供电系统电力资源耗能原因分析

城市地铁是依托轨道交通供电系统供能得以运行，轨道交通供电系统中主要包含高压供电源系统、牵引供电系统和低压配电系统三个主要部分。城市电网中110kV等级电压在输入轨道交通供电系统后，先经由高压供电源系统的主变电所进行降压，再通过牵引所及降压所为地铁提供运行和照明所需电能。该部分电能产生损耗的主要原因包含空载、热损耗、线路损耗等，深入分析地铁运行中各项电能损耗的数值，对应用针对性地铁低压供电系统节能降耗策略具有重要意义。本文以某城市地铁2号线2019年运营电能消耗记录为例，全面分析引发地铁抵押供电系统高耗能的主要原因，该线路地铁2019年全年运行中的能耗类型和能耗值统计如表1和图1所示。

表1 某城市地铁2号线2019年能耗统计情况

图1 某城市地铁2号线电能消耗占比图

2.1 牵引供电系统的电能消耗情况分析

牵引供电系统中包含牵引网、牵引变电所、回流线、钢轨等多种场所及设备设施，其主要作用是通过牵引供电系统，使地铁列车获得运行所必需的动力及制动力。牵引供电系统能耗水平会直接受到地铁频次、载客量、列车运行速度、运行时间及线路坡度等因素的影响，也是城市地铁运行中产生电能消耗的最主要原因。

2.2 低压配电系统的电能消耗情况分析

低压配电系统中包含动力照明配电线路、降压变电所等设备设施和场所，其主要作用是为地铁站、地铁列车、区间、空调设备、电梯、商业场所及设备和自动化设备等提供运行所需电源。低压配电系统在运行中的耗电途径较多，具体包含以下几种类型：

2.2.1 地铁空调系统、给排水系统运行耗电

地铁建设在地下环境中，通风换气功能不足，加之人员密集程度高，必须全天候利用空调系统和给排水系统对地下环境进行换气和制冷。地铁轨道交通环境中的空调系统和给排水系统中包含设备较多，如风机设备、冷水机组、冷冻泵、冷却泵、消防水泵等，每个系统及设备在长时间运行中都会消耗大量电力资源，且相关空调设备和给排水设因运行时间较长，老化速度较快，电能消耗水平可能比同类型设备更高。因此，在地铁运行过程中，空调系统和给排水系统成为仅次于牵引供电系统的第二大耗电途径。

2.2.2 地铁门梯系统运行耗电

为提升地铁客流量，增加居民出行的便捷性，地铁站内都设置多个用于集散的电梯设备，且电梯种类齐全，如客体、货梯、扶梯、杂物梯等，各电梯设备需要和地铁运行时间保持同步运行。另外，为保护乘客安全，当前一些城市地铁站台都设置电动站台门，跟随地铁列车出到站情况进行开合，该类设备在长时间运行过程中也需要大量电能支撑。

2.2.3 地铁照明系统运行耗电

地铁内部环境完全依靠各类照明设备进行采光，照明设备覆盖全面，如办公照明、设备照明、隧道照明、列车内部照明、车站内部照明、电缆通道照明灯[1]。

2.2.4 其他系统及设备运行耗电

除以上大型系统在运行中需要耗电外，地铁轨道交通环境中还包含多种弱电设备设施需要长时间运行，如自动售票机、安检机、地铁信号设备、办公设备等，加之一些地铁站地下通道中设置便利店，各类店铺用电及商业建设施工也会消耗电能，各类系统、设备、办公、商业用电的年耗电总量也较为可观。

3 地铁低压供电系统节能降耗策略分析

3.1 构建智能化能源管理系统

近年来，大数据技术快速发展，为各行业和企业发展提供了新的技术解决方案，对城市轨道交通来说，若想真正提高地铁供电系统的节能降耗水平，对地铁运行中各耗电系统的耗电数据进行采集、分类、储存十分必要，只有保障地铁各系统耗能数据采集的全面性，才能根据各系统的耗电水平，采用针对性的节能降耗策略。因此，可借助大数据技术，建立智能化能源管理系统，建立能耗管理架构，对城市地铁网络中所有线路、地铁站、各项设备、设施的用电信息进行自动采集、处理、分类和汇总。能耗管理架构按照分类和分户两种方式进行建设，架构图如图2所示。

图2 地铁耗电管理架构图

相关部门可利用智能化能源管理系统，对不同类别用户和设备设施的耗电情况进行监控和管理，具体包含以下五个管理方向：

一是对地铁站内办公用电及商业用电情况进行采集、统计和分析，根据地铁站正常办公用电及商业用电情况设置用电上限预警值，当发现某商户或办公用电超出预警值后，及时分析出现超量用电的原因，并采取有效措施对其进行整改。

二是对地铁站内各设备设施进行分类、分时段、分区域耗电量对比，通过分析各设备设施耗电的异常情况，即可发现存在过度老化或故障的设备设施，通过对其进行维修或更换改善相关设备设施的异常耗电现象。

三是分析同一地铁站内不同设备的耗电情况，针对站内耗电量较大设备设施采用合适的节能减排措施。

四是分析同一线路中不同地铁站的整体耗电水平，同时结合不同车站的客流量、客流峰值等数据，对不同地铁站运营采用针对性节能降耗策略。

五是按周、月、年对各条线路、各地铁站运营过程中的耗电数据进行统计和分析，通过同比、环比等方式，对电能消耗较大的车站、设备等进行针对性节能降耗改造。

3.2 牵引供电系统节能降耗策略

通过上文分析某城市地铁2号线年均总用电数据发现，牵引供电耗电和低压配电耗电在地铁运营总耗电量中约占85%，因此必须采用行之有效的节能降耗措施对以上两种系统的耗电情况进行优化，才能切实提高地铁低压供电系统的节能降耗水平。

3.2.1 合理调整列车频次，减少电能消耗

应用智能化能源管理系统对单条线路地铁的月空载量进行统计，并通过公式计算出各条线列车在空载过程中产生的不必要电量消耗，才能使制定针对性节能降耗措施得到准确的数据支撑[2]。假设单条地铁月空载运营里程为13000km，载客运营里程为250000km，则地铁牵引系统供电能耗计算公式为：

其中A空表示地铁空载耗电值；A载表示地铁定额载客耗电值；ΔA表示单位耗电，此处计算取值0.052kWh/t·km；M空表示地铁空载运行里程；M载表示地铁载客运行里程；G定表示地铁空载重量；G定表示地铁定额载运行重量。

若地铁列车种类为B型车4动2拖，动力列车重量为35t/列，拖车重量为33t/列，则地铁列车重量为35×4+33×2=206t；乘客人均重量取值60㎏，单节列车额定载客量为1460人，则客重87.6t。

通过计算发现，当单条地铁月空载运营里程为13000km时，该条地铁空载耗电量约为1671 072kWh，数值较高。因此，地铁供电管理部门必须对单条地铁的运行情况进行深入调查和分析，了解每条地铁线路、各地铁站的人流情况，在节假日、上下班高峰时段中，适当提高地铁运行频次，还可在高峰地段中设置区间车，以在减少电力消耗的基础上，提高地铁运力。在低峰时段中，延长地铁间隔频次，减少列车空载率，进一步节省电能。

3.2.2 优化列车行驶速度，减少电能消耗水平

当地铁列车以速度v进行行驶时，行驶过程中所受阻力设为Fw，列车总重量设为M，列车制动距离设为S，则制动过程中产生的能量E可用以下公式进行计算：

通过上述公式计算可知，当列车行驶速度越大，产生的制动能量越大，列车制动距离越远，制动所需时间越多，用于制动消耗的能量越高[3]。因此，可根据列车载客流量情况合理调整列车的行驶速度，提高列车运行效率的同时，减少地铁在客流低峰时段中不必要的电能消耗。

3.3 低压配电系统节能降耗策略

地铁低压配电系统运行中可应用的节能降耗策略主要包含以下四种：

一是根据地铁列车所在环境的气候条件优化地铁空调运行效果。如在温度宜人的春秋两季，可减少地铁环境中通风空调的运行数量，在满足地铁交通环境通风基本需求的基础上，减少电能的消耗[4]。冬、夏两季温度属全年最冷或最热时段，地铁交通环境对空调设备的依赖性较强，可根据不同地铁站、不同客流时段对地铁站内温度进行调控，既能充分保证地铁环境的舒适度，又能减少各地铁站以统一运行温度运行而产生的不必要的电能浪费。

二是应用变频技术减少地铁电梯设备、通风设备运行的耗电水平。变频技术在当前公共场所电梯设备管理中的应用较为广泛，根据客流情况对电梯设备的运行速度进行智能调控，在无人时段自动进行低频运转，高峰时段提高运转频率，能显著提高电能利用率。对通风设备来说，应用先进的变频空调设备度其运行中的送风量和给水量进行控制，能显著减少通风空调设备运行中的耗电水平。

三是积极应用自然能源补充电能。我国太阳能发电技术已经发展得较为成熟，可在地铁站地上建筑外部增设太阳能照明设备，利用太阳能为地铁站内照明设备等进行补充供电，以减少对电力资源的消耗[5]。

四是应用分区照明节能方案，减少照明耗电水平。在地铁站站台、站厅等环境的照明设备中加装时段控制设备，在地铁停运后，统一对站内照明设备进行关停操作，节省非运营段中照明耗电水平；在办公房、设备房、巡视通道等非连续工作区内，应用声控照明设备；在地面站台、站厅环境中应用光敏控制设备，在阴雨、黑天等时段中，自动启动照明设备，在白天自动关闭照明设备，节能充分保障照明需求，又能避免电能浪费。

4 结语

综上所述，地铁轨道交通对缓解城市公共交通压力、便捷居民出行、促进区域经济发展都有重要作用，但地铁列车在运行过程中，会消耗大量电力资源。在全民提倡节能减排的社会背景下，全面分析地铁运行过程中产生能耗的原因，结合地铁运营的实际需求，采用行之有效的低压供电系统节能降耗策略，对提高电力资源的利用率，实现国家可持续发展目标具有重要意义。