郭 志

(上海地铁维护保障有限公司供电分公司,200235,上海//高级工程师)

在城市轨道交通供电系统运行过程中，供电系统的负载运行数据对于系统设备的可靠性分析及设备容量安全裕度的评估至关重要。基于系统负载的变化特性分析能为地铁供电系统在正常和非正常运行方式下提供较为精确的运行数据，用于调整或控制线路列车的运行密度，同时还能为线路电源之间的支援运行提供重要设备的负载率评估。

1 城市轨道交通供电系统负载数据分类

在目前的城市轨道交通供电系统内，供电系统根据外电源的差异性分为集中供电和分散供电两大类。分散供电方式主要从地方电力公司引入外部10 kV电源，采用降压和整流等变流方式为车站提供低压用电，为空调和通风及其他车站机电设备提供用电，同时还为列车的运行提供牵引用电；而采用集中供电方式的线路则设置独立的轨道交通供电系统，该系统电压等级包括110 kV、35 kV、10 kV、0.4 kV以及直流1 500 V等[1]，该系统负载分为低压机电负载和直流1 500 V负载。

城市轨道交通用电负载，按照设备的用电性质可分为牵引用电负载和机电设备负载；按照季节相关特征可分为季节相关性负载和季节非相关性负载。

本文重点针对季节相关性负载进行数据的统计和分析，并对不同类型设备的负载随季节变化的数据进行重点分析，以发现线路负载特性的季节差异性和相关性，为后续线路时变负载的变化及负载用电保障评估提供技术参考。

2 线路负载数据的基本特征

城市轨道交通供电系统的供电负载分为列车用的牵引用电负载和机电用电负载。从基本的用电特性分析，牵引供电负载具有秒级时变特征，而车站低压用电负载则具有稳态变化特征，线路的供电负载变化则兼具时变和稳态变化的负载特性。

为此，对于线路负载的分析和趋势变化的特性，可以按照两种不同类型的负载分类进行汇总。本文结合上海轨道交通1号线负载线路的运行特性，针对性地进行了数据分析，通过对牵引变电站用电计量系统的用电量进行数据处理和汇总，得到牵引变电站典型的负载特征曲线。以及同站的低压用电负载变化曲线(见图1)。

图1 上海轨道交通1号线上海火车站变电站牵引和降压日用电负载特征对比曲线

由图1可以看出，车站的低压用电负载的特征基本为稳态变化趋势，与牵引用电负载相比，车站低压用电负载在线路运营时段的负载需求基本保持不变；牵引用电负载和实时功率需求比重较大，因此线路主变电站的用电负载曲线变化主要受牵引负载曲线影响[2]。

负载的时变特性与牵引负载的变化特征一致，故负载的变化特征分析需重点关注其与牵引负载的变化情况。而牵引负载的功率变化特征与线路的行车密度及车辆的负载特性曲线有直接相关性，因此应重点对牵引负载的变化特性进行分析。

3 线路牵引负载的季节性变化趋势

在线路的运行过程中，线路的负载变化特征与行车存在强关联特性，而线路牵引负载的变化特征曲线除与以上提及的车辆负载曲线和行车间隔等因素相关外，还与车辆的辅助负载存在一定的关联。同时车辆的负载特征与车辆的载荷状态、辅助通风和空调等因素也是影响牵引变电站负载特性的重要因素。

通过对牵引变电站进行负载测试，得到同站、同运行组织下牵引变电站负载随季节性变化的曲线(见图2)。

图2 牵引变电站牵引负载的季节性变化对比曲线

通过对以上负载数据进行分析，并对夏季和冬季的负载变化进行了初步的数据对比，得到变电站夏季负载相对于冬季负载的季节性负载数据对比曲线，(见图3)。

图3 变电站季节性负载比曲线

从图3可以看出，运营时段的负载数据在夏季和秋季两个不同季节的比例基本一致，在线路客流特征基本稳定的情况下，车辆的运营载重基本保持不变时，车辆季节性的用电负载变化主要是由车辆空调设备的负载引起的；夏、秋季牵引负载比为1.25～1.50取中位数1.375，根据图3可以估算出该线路牵引负载的用电量夏季较冬季的负载增量为37.5%左右，由此得到线路主变电站牵引用电的季节性变化增量为37.5%左右。

4 车站机电系统负载的季节性变化趋势

车站机电低压用电负载在年度的变化过程中，受环境温度的影响较大，且地下车站和地面高架车站的低压用电负载特征也存在一定的差异性，对部分典型地面和地下车站的夏季及冬季的用电负载进行了对比分析，以发现其变化规律或趋势。经过对上海轨道交通1号线火车站站用电负载进行整理，得到季节性负载变化特征曲线(见图4)。

图4 上海火车站站降压变电所负载季节性变化对比曲线

通过图4可以明显看出，每天在车站开站之前，夏季和冬季的负载相对稳定，此时主要为车站监测和监控类基本负载。在开站之后，用电负载呈现出明显的差异性，通过数据处理可以得到夏季与冬季负载的功率比率变化曲线(见图5)。

图5 地下变电站夏、冬季负载比曲线

从图5可以看出，地下车站夏季的用电负载与冬季的用电负载比为2.5～3.0，一般取2.75，该值可以作为地下车站低压用电负载的比例参照。而对于地面高架车站低压用电负载的季节变化特征，经整理，得到如图6所示曲线。

图6 变电站牵引负载的季节性变化曲线对比

从图6可以看出，地面高架车站低压用电负载的季节性变化不明显，主要原因为地面站未设置大型的冷水机组及其配套的通风系统，且地面高架车站由于结构较为简单，用于对制冷和控温的机房面积较小，故负载基本维持在稳定状态。

5 主变电站的负载变化特征

根据以上用电负载变化特征，按照牵引和低压用电负载的特征曲线以及季节性变化特征，可以得到比率系数和主变电站冬季负载与夏季负载的曲线数据[3]。为验证以上比率的数据，本文对上海轨道交通1号线人民广场主变电站的低压用电负载和牵引负载分别进行了统计，得到主变电站冬季的牵引和低压负载的曲线对比(见图7)。

同时对夏、冬季负载进行分析，可以得到运营时段夏、冬季负载比的变化(见图8)。

从图9可以看出，主变电站的负载随季节性变化存在明显的变化特征，且变化率为1.5～2.0，取中位数为1.75。该数值表明在夏季用电高峰时段，由于车载制冷空调、车站冷水机组等大容量低压用电负载的投运，使得线路在运营时段的负载增加约为75%。本文对上海轨道交通1号线供电系统年度用电量进行汇总，得到牵引用电量汇总表(见表1)。

图7 人民广场主变电站负载的季节性变化对比曲线

图8 人民广场主变电站夏、冬季负载比变化曲线

图9 人民广场主变电站牵引用电量月度变化趋势图

表1 上海轨道交通1号线某年月度牵引用电量汇总表

由表1可知在一定的运营行车边界条件下，单一线路的负载季节性变化存在较为良好的正相关性；夏季6～9月份高峰用电量均值与1～4月份低谷用电量均值比例为1.4，增量为40%，且与季节性日负载变化趋势增量的37.5%接近。

对车站机电负载用电量的数据进行统计，如图10所示。从图10可以看出，夏季7～8月份高峰用电量与1～2月份的用电量比率为2.59，说明主变电站反映低压用电负载的季节变化特征与车站的低压用电负载特征基本一致，季节变化的比率为2.5左右。

图10 正线段车站机电负载用电量月度变化趋势图

6 数据分析结论及典型应用

本本所分析的样本为上海轨道交通1号线莘庄站—上海火车站区域的供电线路的功率负载及年度用电量的数据。通过对该线路负载以及用电量数据的相关性分析可以看出，该线路的牵引负载变化特征内牵引负载与空调制冷负载的能量需求比例接近1…0.4，即增加空调负载时，牵引站所增加的有效负载率为40%。而该线路区段的车站形式以地下车站为主，因此夏季车站机电负载的增加比例为259%，即相对于其他低压负载用电量，车站冷水机组的负载为其他设备负载的1.5～1.6倍。

通过对同一线路主变电站、牵引变电站和降压变电站的用电负载数据分析可以看出，在线路运营特征保持相对稳定的情况下，牵引站和降压站单站的数据变化特征与线路整体负载特征存在一定的关联性。且该比例关系会随车站形式的不同、地下车站和地面车站数量的不同存在一定的差异。而牵引负载变化与车辆的功率特性相关，且空调负载占行车负载的比例接近40%，因此如何通过优化来降低夏季高峰负载的需求显得尤为重要。建议在线路建设、设计阶段和新线以及既有线改造时的车辆设计、采购过程中，进一步重视满载用电负载与空调制冷负载的需求配比，从而优化线路用电负载的季节性波动，进而控制线路运营后期供电系统的负载。

7 结语

通过对以上数据进行分析，可对供电系统的负载进行评估，通过对调整行车间隔后的负载进行预测，在仿真计算时，借助该数据分析结果，可对既有的仿真结论与供电系统运行数据进行差异对比，以更好地验证仿真模型的工程应用偏差，为模型[4]的修正及后续新线的仿真计算提供更为精确的数据，同时也为设备的选型、电气参数的核算、可靠性分析及系统设备裕度设计提供参考。