淮安市超级电容现代有轨电车技术研究

严 兰 任晓刚 朱唯耀 张 宇

（上海市城市建设设计研究总院（集团）有限公司，200125，上海市∥教授级高级工程师）

目前，国际上未来的工业重点发展是电气化、自动化和数字化。围绕着这一国际战略思路，在设计江苏省淮安市超级电容现代有轨电车工程机电方案中，采用了数字工业4.0智能数字互联互通的设计理念。

超级电容现代有轨电车供电系统是车辆及供电设备的动力能源，主要分为高压供电系统和有轨电车内部供电系统两大部分。超级电容现代有轨电车以超级电容器作为动力储存装置，全线无需架设地面或架空供电系统，仅利用停站时间即可完成充电，能量回馈率达到85%，具有大容量、高功率比、高能量比等高性能指标。随着超级电容器性价比的提高，超级电容现代有轨电车发展迅猛。

1 淮安现代有轨电车的设计

淮安现代有轨电车共规划了4条（T1—T4）线路，车辆基地1座。淮安现代有轨电车一期工程（T1、T2）线路总长度约20.07 km，全线均为地面线，共设车站23座，平均站间距913 m。线路起点为淮海北路体育馆站，终点为商贸城站。规划线路走向为交通路—运河广场北—和平路—翔宇大道—楚州大道—商贸城站。

1.1 车站

为使城市现代有轨电车的车站更具识别性，站型以现代有轨电车的车为原型，车站顶棚整体以通透为主，车站端部镂空处可使行人进入站台候车（见图1）。从远处看车站犹如现代有轨电车停于路中。

图1 现代有轨电车的站型示意图

车站所选择的装修材料具有不燃、无毒、放射性指标满足国家环保要求、经济、耐久、便于设备管理和清晰的性能，地面材料防滑、耐久、耐磨、耐腐蚀，既能满足交通建筑使用功能要求，又能满足防火规范和运营维护要求。车站的无障碍设计充分考虑了残疾人的使用需要。

1.2 车辆基地

本线设板闸车辆基地1座，位于翔宇大道西侧、宁连公路北侧地块。车辆基地占地约16.36万m2，承担全线车辆停放、运用和各修程检修作业，远期还承担T1—T4线共计4条线路车辆的厂架修任务。全线设控制中心1处，位于板闸车辆基地内。

车辆基地设计内容包括车辆基地工艺设计、站场线路设计、房屋建筑设计、给排水及消防设计、电力工程设计、路基工程设计、道路设计、通风空调设计、环境保护及劳动安全卫生和节能设计。

车辆基地道路环状布置，以满足人流、物流和消防要求，使得各分区、各建筑物、各车间之间联系方便、捷近。主要道路按双车道或消防车道考虑，路宽7 m，次要道路按单行车道考虑，路宽4 m。设2个出入口与外界道路连接。靠近办公生活区的出入口为主出入口，与翔宇大道相连；东北侧设次出入口，与南京路相连。车辆基地四周设围蔽设施。车辆基地总平面布置方案示意图见图2。

图2 车辆基地总平面布置方案示意图

1.3 车辆

有轨电车列车按4模块设计，最高速度为70 km/h，辅助逆变器总功率为80 kW。

车辆采用超级电容器作为储能器件，实现无触网供电，仅在列车停站的20 s时间内由变电所向列车提供电源，给车辆上的超级电容充电。在离站的区间运行均有车辆上的超级电容供电，不需要外部电源。车站站台设置充电装置，充电需求为：DC 900 V，2 400 A，充电时间为15～ 26 s。

1.4 机电工程

1.4.1 供电系统

（1）现代有轨电车采用半集中-分散式供电方式，通过4座10 kV中心配电室从城市电网引入10 kV电源。牵引供电系统由中心配电室、牵引变电所、馈电线、站台充电柜、充电轨、走行轨及回流线等组成。

（2）变电所至车站设置的斩波调压器采用DC 1 500 V供电，车站设置斩波调压器降为DC 900 V直流电，车站设置DC 900 V充电架，车辆段采用DC 900 V架空充电架方式。

（3）牵引降压混合变电所及降压变电所均由两回互为备用的电源供电。当一座牵引变电所解列时，由相邻牵引变电所实行越区供电，负担其供电范围内牵引负荷。

（4）牵引变电所设备容量除应满足正常运行方式下高峰小时牵引负荷要求外，还应满足该所越区供电时高峰小时牵引负荷的需要。整流机组负荷等级为GB/T 10411—2005规定的VI级负荷。

（5）本工程采用10座储能型充电混合变电所，其中正线8座，车辆段2座（其中1座为车辆基地与正线共用）。超级电容储能式供电系统由高压开关柜、整流兼配电变压器、低压开关柜、整流充电装置、低压配电箱、电源装置和监控系统等构成。

1.4.2 储能型有轨电车充电所

储能型有轨电车充电所是为实现超级电容的充电需求而设计的，采用了四线圈组合变压器、整流充电单元模块等，实现了超级电容的恒电流、恒电压充电，同时可与车载电池管理系统互联结合，实现了对车载电池的安全、高效充电。

技术特点如下：

（1）绿色环保：全功能小型化储能型有轨电车充电所的降压配电装置占地10 m2，整流充电装置占地3.5 m2，布置在有轨电车车站红线内的站台端部。总占地面积不超过20 m2，约为目前市场土建变电所投运产品的1/4。

（2）智能先进：中央监控装置主机采用通用的工业控制机，同时作为车站一体化监控装置，用于开关操作控制和信息传送。储能型有轨电车充电站设计了占地充电控制装置，当充电站探测到有轨电车进入充电位置时自动开始充电，当探测到有轨电车驶出充电位置时自动停止充电；充电设备自动适应超级电容+动力电池混动系统的端口电压，根据预先设定的电流参数和充电流程自动调节输出电流；充电装置采集显示开关设备的位置信号，当开关柜及变压器设备运行故障时可发出预警信号，对电流、电压采用直接交流采样，测量的数据可通过通信网络直接传送大综合自动化系统的主控单元；通过网络化设计配置了RS-232/RS-485标准的通信接口，对保护的编程、调试、整定、就地访问和采集的开关位置、事故、预告信息、运行参数的上传以及远方控制指挥中心对供电设备的监视等，实现了远程监控和无人值守操作。

（3）高度集成：采用专有技术的大功率、模块化、全功时AC/DC变流装置，高度集成的功率单元，单模块功率达到45 kW，总功率达到1 800 kW；整流充电装置标准统一的模块，全线通用。

（4）功能全面：采用了充电电流逆流截止技术，可同时为上下行列车充电，实现单套充电装置向两列有轨电车同时充电的新技术，并可有效避免不同有轨电车之间的充放电；降压配电装置与整流充电装置一对一配置，降压配电装置与车站低压配电一对二配置。整流充电装置采用模块化结构，配置了监控单元、冗余配置，避免了两列车同时充电的安全风险。

（5）安全可靠：采用通信信号的成熟信标技术，优化了现代有轨电车触发充电所向车辆充电的控制逻辑，成功地提高了充电的可靠性，避免了目前有轨电车充电过程存在的燃弧现象。

（6）维修简便：储能型有轨电车充电站设计了一套不间断电源装置，作为操作、保护电源；整流变压器与变压器合一，减少了设备数量和体积；整流充电装置可实现模块化替换，对运营人员的技术要求简单，现场维修方便。

（7）经济适用：充电所采用工业4.0模块化的设计，设备种类和数量减少，环网电缆布线紧凑，选用的四线圈组合变压器同时具备整流充电和动力配电两种功能，极大地减少了占地面积和工程投资。

1.5 工业4.0智能数字化应用

1.5.1 车站和车辆监控

采用数控监测技术，实时监测车站区域内车辆准确的位置信息，车辆进入充电区域时能够对接触网送电，车辆离开充电区时断电，保证了车站和停车场车辆充电区域的无电状态。

1.5.2 充电装置监控

采用的充电装置控制系统能够实时地监测车站区域内车辆的运行状态、车载储能装置的启动和停止充电，能自动选择充电参数，能将运行数据的状态信息、故障数据和控制参数上传到检测系统，可对充电装置的运行参数进行就地和远程的控制。

采用对充电装置具有自动控制功能的系统，可自动控制调整充电时间、充电电流、充电限压，可选用不同的充电模式，当储能装置故障时能够停止充电。充电模式的选择可就地或由远方控制中心进行设定，对充电柜实现了自动检测、远方手动投切和现场手动投切，各种方式之间设定了可靠的闭锁装置，以防止事故发生。实现了无人值守。

1.5.3 通信系统监控

采用了标准的数据通信接口，用光纤以太网、通信速率自适应、开放式协议实现变电所综合自动化系统的实时监测监控。

1.5.4 运营调度管理监控

淮安现代有轨电车一期工程采用的运营调度管理系统由控制中心、中心调度管理子系统、正线道岔控制子系统、车辆自动定位子系统、平交路口信号优先子系统、车辆段道岔联锁子系统、培训中心子系统等构成。

1.5.5 中心调度管理监控

（1）中心调度管理子系统主要作用是编制、管理行车计划，实现对全线列车的自动监视及行车信息显示等。

（2）正线道岔控制子系统的设备分为轨旁设备和车载设备两大部分。正常情况下，正线上的各类道岔由正线道岔控制子系统根据列车识别号和行车计划表，与道岔控制箱互联，自动办理进路。当车载设备故障而无法完成控制时，司机可下车通过安装于轨旁的电动按钮手动设置进路或者手动转动转辙机，以完成道岔状态转换。

（3）车辆自动定位子系统由检测环路（与正线道岔控制子系统等合用）和车载定位设备（编码里程计）组成。子系统通过专用无线通信将每列车辆定位信息实时上传至中心调度管理子系统，对全线车辆进行实时定位，实现了控制中心对全线现代有轨电车的自动监视功能。

（4）车辆基地联锁子系统能对车辆段内的调车作业进行集中控制，实现车辆基地内进路上的道岔、信号机和轨道区段的联锁功能，保证车辆基地内调车作业及车辆出入基地作业的安全。

（5）平交路口信号子系统通过与道路交通信号灯控制系统接口，使道路交通信号控制系统对现代有轨电车进行倾斜性的信号分配，以提高列车在交叉口的通行效率，确保现代有轨电车的优先通行权。

1.5.6 车辆自动定位监控

实现了控制中心对整体车辆的自动监视功能，并对全线车辆进行实时定位。定位方案可采用GPS（全球定位系统，车载定位）/BDS（北斗卫星导航系统，设备检测环路定位）方案和车载定位设备+检测环路（与正线道岔控制子系统合用）的定位方案。定位信息通过专用无线通信与控制中心相联接。

1.5.7 平交路口信号优先监控

淮安市的首条现代有轨电车线将是担负运送大批客流重任的公交骨干线路，在路段中有专用路权，在道路交叉口与其他交通混行，并享有优先通行权。因此，现代有轨电车的信号控制需与城市道路交通信号控制系统进行协调。

（1）交叉口的现代有轨电车与各方向的社会交通流、机动车流、行人组成了交通基本要素。交通信号控制的作用是保障各交通要素安全、高效地疏散。在此基础上，交通信号控制建立交通控制协调区间，使协调区间内的交通更可靠、安全，还能提高通行效率，减少废气排放和噪声对环境的污染。这对淮安智慧城市的建设有重要意义。

（2）淮安市的交通信号控制系统应满足城市的整体规划和长远发展目标，使之成为城市智能交通的一个组成系统。淮安现代有轨电车工程建设的交通信号控制系统将奠定淮安市交通信号控制系统及其联网控制系统的基础。

（3）淮安市现代有轨电车沿线的48个道路交叉口（人行道口）设置（或改造）具有现代有轨电车优先通行控制的交通信号系统，并在其中的33个路口设置（或恢复）电子警察系统，在3个路段恢复卡口系统，升级1个交通控制中心。

（4）现代有轨电车沿线的交通信号系统将连接在淮安市交通控制中心。交通控制中心设在淮安交警大队内，由淮安交警大队接管。交通控制中心集智能数字多功能于一体，交通信号控制、视频监控、闯红灯电子警察中心和卡口的中心系统均设在该交通控制中心内。交警大队可以调看所管辖路段范围内的视频和电子警察采集的信息。

（5）现代有轨电车沿线采集的路口视频信息汇聚到交通控制中心内原有的视频监控系统，对现有中心进行少许的扩容，就可以满足新增视频信息的控制和存储。现代有轨电车沿线采集的电子警察和卡口信息汇聚到交通控制中心内原有的视频监控系统，对现有中心少许适当的扩容，即可满足新增图片、车辆等信息的存储。

（6）该工程的交通信号控制系统采用“基于离线协调的有条件主动式信号优先”的技术路线，强调行车安全是首要任务。视频监控采用高清数字监控技术；电子警察以及卡口系统在保证精确度的前提下，采用“设备功能复用，具有综合违法抓拍、治安及交通辅助”的综合执法技术。

1.5.8 正线道岔监控

系统设计采用高可靠性和安全性原则；正线道岔控制具备本地自动控制和司机遥控两种模式，其中司机遥控优先，并由控制中心监视车辆运行；本地道岔控制单元可接收中心调度管理子系统的控制信息（进路表等），并将轨旁设备状态实时反馈至中心；车辆通过道岔时，道岔控制权具有特定、唯一、一次性。1.5.9 设备控制管理监控

根据控制中心互联互通的技术要求，电力、给水、污水、通信等均从翔宇大道引入或引出，雨水处理后排入附近河道。设计中加强了建筑弱电控制方面的设计，共设置了通信、安全防范、火灾报警、设备监控和综合布线等子系统，大大提升了车辆基地内互联互通数字智能信息化水平，并且考虑了控制中心按兼顾其他线路共享条件预留的余量。

（1）系统室外关键设备（如交换机等）采用工业级设备，以保证系统安全、可靠的运行；

（2）系统具备不同场景下的降级或应急模式；

（3）系统所使用的电线和电缆为无卤低烟阻燃或无卤低烟耐火电缆，满足DIN 5510等级标准；

（4）在非常情况下，控制中心作为事件处理的指挥中心，指导防灾、救灾工作；

（5）控制中心设置火灾报警子系统，保障在火灾状况下的设备及人身安全。1.5.10 票务系统监控

（1）票务系统采用车载读卡器检票方案。淮安市公交卡可作为储值票使用。在列车的上车门设置淮安市公交卡POS机和投币箱,车站内设自动售票设备。

（2）全线采用车上售检票。车票采用单一票价制，分为单程票、储值票。单程票一次使用有效；储值票可采用非接触式IC（集成电路）卡，不回收，可不断加值，长期使用。以后根据需要可增加其它票种。

（3）站务管理按照中运量公共交通系统的模式，技术上采用了互联互通数据共享，站台采用类似于地面公交的站台形式，站务管理采用公交管理模式。所有车站由调度运营部统一管理。

1.6 节约能源

1.6.1 设计原则

贯彻“节约能源、合理利用能源”的设计方针；该工程节能设计主要涉及车辆和行车组织、线路、车站、建筑、供电、采暖通风空调、给排水以及车辆基地等方面，在满足功能需求的前提下，采取了有效的节能措施；本着节约、合理利用能源的原则，贯彻于整个设计过程方案的比较、工艺流程的选择和设备的选型等各方面；各专业的节能标准和措施均需符合国家相关规范的规定，设计应符合《江苏省节约能源条例》的要求。

1.6.2 环保

各运行设备均采用高效率、低噪声类型；为满足各使用场合的噪声要求，对振动设备进行隔振处理，有噪声设备采取消噪措施；通风设备均选用低噪声产品，采用隔振基座（减振吊架）软管连接，并设有消声措施；穿越机房围护结构的所有管道和安装洞周围的缝隙都严密封堵；冷源制冷剂采用环保型。

1.6.3 节能

通过储能动力装置实现能量在牵引制动运行过程中的循环转换和循环利用，制动能量由超级电容回收，再生制动能量回收率可达到75%～80%左右，相比传统触网受电模式的低地板车辆节能25%～30%以上；选用低噪声、高效率的风机，多联式空调机组选用能效达到国家二级以上的设备；通风设备就地控制。

1.6.4 措施

（1）车辆选型根据客流预测和特征，在确定车辆技术条件时充分考虑节能措施和技术。

（2）在行车组织与运营管理上根据客流特征确定合适的车辆编组、运行交路、运输能力和运营调度等运营组织方案。

（3）线路设计中尽量选用大半径曲线，以减少车辆运行阻力、降低能耗。

（4）轨道采用无缝线路，以减少运行阻力和线路维修工作量。

（5）供电采用10 kV分散供电方式，降低供电线路长度，以减少线路能源损耗。

（6）变电所采用了低损耗、节能型变压器，并合理选择了配电线路的截面及走向。

（7）车站顶棚采用光伏玻璃，白天充分利用自然采光并储存太阳能源，夜晚用于车站照明并采用新技术节能型照明设备和照明方式；不同功能区采取不同照度标准；有效控制广告用电量。

（8）车辆基地总平面合理布置，生产设施按系统、性质分区布置；变电所等动力车间尽量靠近负荷中心，以减少供电的能耗。

（9）给排水和供热采用先进高效节能型的水泵。生产、生活给水系统尽量直接利用城市管网压力供水。车辆基地设置了雨水处理系统、带有水循环的车辆清洗系统和水处理设备等，供热系统的热源采用来自热电站饱和蒸汽，并设置了太阳能热水供应系统，通风空调系统采用满足节能规范要求的设备。

2 结语

江苏省淮安市超级电容现代有轨电车一期工程在2015年12月28日正式投入运营2年多以来，运行安全、稳定，各项指标符合运营技术的要求，获得了2017年度上海市勘察设计优秀工程一等奖。

江苏省淮安市超级电容现代有轨电车工程，在设计中结合超级电容的储能供电技术，积极响应国家节能减排的号召，在超级电容现代有轨电车的车辆、车站、车辆基地的建筑物等多个方面进行了储能技术的研究，应用了多项节能储能的新技术，并取得了积极的效果。

参考文献

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［3］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.城市轨道交通工程安全控制技术规范：GB/T 50839—2013［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

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［5］ 中国城市科学研究会.城市照明节能评价标准：JGJ/T 307—2013［S］.北京：中国建筑工业出版社，2013.

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［7］ 中华人民共和国住房和城乡建设部.绿色工业建筑评价标准：GB/T 50878—2013［S］.北京：中国建筑工业出版社，2012.

［8］ 中国建筑科学研究院.绿色建筑评价标准：GB/T 50378—2014［S］.北京：中国建筑工业出版社，2014.

［9］ 中华人民共和国建设部.公共建筑节能标准：GB 50189—2005［S］.北京：中国建筑工业出版社，2005.

（收稿日期：2017-03-14）

一场关于地铁减振的博弈

城市里越来越密集的地铁网络、科研机构中越来越灵敏的精密仪器，都是中国经济社会快速发展的标志。可当高精尖仪器遇上地铁线路，谁该避让，成了难以调和的矛盾。北京地铁4号线开通时，北京大学校园内有价值11亿元的精密仪器，其中4亿元的仪器受到振动影响。为了减少地铁振动对这些仪器的干扰，北京市和北大都付出了巨大努力。在4号线北大东门段，地铁公司铺设了最先进的减振轨道；北大专门在较远处新修了综合科研楼，转移了部分精密仪器，但地铁振动的影响仍难以消除，一些学者只能在地铁停运后的半夜做实验。面临地铁振动干扰的科研单位不止北大。记者了解得知，清华大学、中国科学院、复旦大学、南京大学、首都医科大学、郑州大学医学院也曾遭遇相似困境。中国目前尚无环境振动污染防治法，虽然环境保护标准中有关于振动对居住建筑、办公建筑、医院、学校内的人影响的规定，却未涉及对精密仪器的干扰。这导致地铁规划方案进入环境影响评价阶段时，环保部门很少考虑这一层面。最近，生态环境部发布了《环境影响评价技术导则 城市轨道交通（征求意见稿）》，但仍未提及振动对振动敏感仪器的影响。相关评价标准的缺位，导致很多途经科研机构及工业园区的地铁方案考虑欠周。振动技术研究中心工程师左汉文告诉记者，目前效果最好的方案是综合减振，除了在轨道下铺设钢弹簧浮置板，同时在仪器楼修建之初装上靠弹簧撑起来的隔振支架。如果楼已竣工，只能在每一台仪器下加装减振台，成本将大大提升。见证了高级的德国浮置板、繁琐的修楼搬迁和昂贵的地铁改线，北大最精密的电子显微镜未来身下还将装上复杂的减振台。但它能否逃脱地铁振动的干扰，谁也不敢保证。