城市轨道交通列车运行等级节能研究

郑 伟

(南京地铁运营有限责任公司,210012,南京//工程师)

城市轨道交通系统总能耗主要包括电、燃气、燃油、水等能源消耗，其中主要以电力消耗为主。列车电耗和动力照明电耗各占总电耗的50%左右。目前,在列车牵引节电方面研究的主要方向为制动再生能量回收，较多的轨道交通企业已试点安装回收装置。但是该方法也存在不确定性:一是能量回收装置投入较大，投入和节能成效比短期内无法确定；二是回收装置的稳定性和对供电系统的影响也需要进一步验证。本研究主要从改变列车区间运行方式入手，一个典型的区间是一个起伏坡道，一个区间包括若干上坡道，接着若干下坡道，其间可夹有平道。区间优化操纵序列为少牵引、多惰行、少制动。通过调整列车牵引、制动和惰性的分配，测算和分析运行等级与牵引能耗的关系，进而优化时刻表编制，达到节能成效。本研究的测试主要在南京地铁机场线进行。该线路采用自仪泰雷兹移动闭塞信号系统，列车为阿尔斯通6节编组B型车，最高驾驶速度为100 km/h，线路全长44.88 km，设8个车站。

1 运行等级的划定

信号系统自动调整列车在区间运行的时间一般为一个固定的范围，编图人员会根据周期选取时间范围内的某一固定值作为编制时刻表的区间运行数据，但对该运行等级产生的能耗没有进一步的研究。本研究在运行等级划分上，主要将固定的时间范围从低到高，划分为4个等级。区间最长运行时间定义为等级1，最短运营时间定义为等级4(如表1所示)。从等级划分看，南京地铁机场线采用等级4。本研究只选取了4个等级进行典型分析，随着选择等级数目的增多，借助计算机进行数据分析，可以生成列车运行等级与能耗的关系。

2 单列空驶测试分析

在完成运行等级划分后，首先进行同等条件下，单列车空驶牵引能耗测试分析，牵引能耗测算采用电客车牵引系统能耗分析软件，通过采集CMD(电流互感器)以及VMD(电压互感器)的实时电流与电压数据，计算一个轮询周期内的实时能量消耗，再将其累加。同时忽略天气变化等客观条件对列车能耗的影响。

2.1 运行等级能耗分析

牵引能耗指列车区间运行时实际牵引消耗的电能。对列车空驶工况下，各运行等级牵引能耗进行测算(如表2所示)。从测算数据看，随着运行等级的提高，列车总牵引能耗依次增加。但从单个区间看，随着运行等级的提高，牵引能耗并非为递增的规律。也就是说，并非列车在区间运行的时间越长,列车越节能。

表1 各运行等级区间运行时间统计表 s

表2 各运行等级区间运行牵引能耗统计表 kWh

在这里主要选取等级1和等级4进行重点分析，列车等级1相比等级4总节能率可达11.2%，上行平均节能率为13.1%，下行平均节能率为9.3%。列车等级4牵引能耗约为7.72 kWh/km，等级1牵引能耗约为6.88 kWh/km。从对比数据看，不同区间节能率不同，最大的区间为翔宇北路站—正方中路站上行，节能率可达23.3%;同时，也存在3个负节能的区间，但负节能率相对较小。

2.2 列车能耗分析

列车辅助能耗指用于列车照明、空调、列车控制等消耗的电能。测试期间对列车辅助系统能耗进行单独测算。通过对列车辅助系统能耗数据进行分析计算，列车在开启通风情况下，单列车辅助能耗为48.87 kWh/h，以等级1空驶运行方式测算，列车一个周期内纯牵引能耗为490 kWh，辅助能耗约为65 kWh，列车运行过程中，辅助能耗约占列车总能耗的12%。在空调季节时，列车辅助能耗相对占比会进一步增大。

3 载客测试分析

为了更好地验证空车分析数据在实际载客运行中的成效，根据运行等级1的数据编制测试时刻表(南京地铁机场线正常时刻表选用运行等级4的数据)。在测试时刻表运行期间，关闭列车自动调整功能，在晚点情况下不进行自动调整，以确保数据的准确性。牵引能耗数据从南京地铁能源监控系统中采集，分析中提及的日能耗为正线每日4:00—23:00的能耗数据。在进行列公里数据对比时，考虑到司机20:00后采用手动驾驶，速度曲线与运行等级速度曲线的不吻合性，数据时间使用6:00—20:00时间段的能耗和列公里数据。测试数据对比分析中，忽略客流波动带来的影响。

3.1 牵引外能耗分析

牵引外能耗主要为：列车辅助系统消耗的电能，用于列车照明、空调、列车控制电源等；供电系统本身消耗的电能。对南京地铁机场线运营结束后供电系统本身能量消耗进行分析，从23：00至次日4：00期间，平均每小时能耗为158 kWh，按照这个数据测算运营期间(4：00—23：00)供电系统本身约消耗3 000 kWh。供电系统自身消耗能量在运营期间会随着列车再生制动等出现变化，在此后的分析中，将忽略此部分变动。

3.2 牵引能耗对比分析

(1)机场线能源监控系统可统计各牵引所整流机组每小时输出功率。为了确保数据对比的准确性，一是排除夜间调试影响，选取运营期间(4:00—23:00)正线各整流机组输出功率；二是排除气温因素的影响(气温与能耗成正向关系)，选取与测试期间(2016年5月16日至19日)温度相同的正常时刻表能耗数据进行对比。测试前后3 d正常时刻表平均日牵引总能耗为57 610 kWh，日均节电约4 493 kWh(如表3所示)。从4 d的测试时刻表列车能耗数据看(如表4所示)，测试期间的平均日牵引总能耗为53 117 kWh，相比同等条件下的正常时刻表列车牵引能耗平均节能率约为7.8%。测试时刻表具有显著的节能成效。

表3 正常时刻表能耗及温度统计表

表4 测试时刻表能耗及温度统计表

(2)总车公里能耗分析。在进行车公里能耗分析时，考虑到司机在早晚手动驾驶(手动驾驶情况下，列车速度曲线不再按照节能方式运行)，在数据分析中，节能模式运行图只选取6:00—20:00之前的能耗和里程数据，测试时刻表车公里能耗为8.03 kWh，正常时刻表车公里能耗为8.56 kWh。

(3)牵引车公里能耗分析。按照之前牵引外能耗分析的结果，计算出纯牵引能耗。测试节能时刻表牵引车公里能耗为6.59 kWh，正常时刻表牵引车公里能耗为7.22 kWh，车公里节能率为8.72%。车公里能耗低于空驶列车测算(正常时刻表车公里牵引能耗为7.72 kWh、节能模式车公里牵引能耗为6.88 kWh)的主要原因为：一是再生制动的成效，单列空驶测算中，无法评估再生制动成效，而在全天数据分析中，包含再生制动成效；二是列车能耗与客流、天气等的关系为非线性，特别是在机场线目前客流条件下，客流对能耗影响较小。

4 节能成效分析

经过单车空驶测试、测试时刻表载客测试两个阶段的验证和完善后，从2016年8月5日起，机场线使用节能时刻表，运行期间关闭列车自动调整功能，晚点较多时，由行车调度员手动开启调整功能。正线牵引能耗数据为能源监控系统中正线各整流机组能耗数据总和。考虑到每日6:00前和20：00后，司机采用手动驾驶，无法达到节能效果。节能数据只对6:00—20:00进行分析，没有特殊说明的情况下，牵引能耗均指该时间段内的牵引能耗。同时忽略运营期间因故障加开、晚点列车调整运行等级等小范围调整的影响。

4.1 节能成效环比分析

从南京地铁机场线2016年月度平均能耗数据看(如表5所示)，1至7月份，随着气温升高，正线牵引能耗具有明显的上升趋势，特别是在7月日平均气温达到32 ℃的情况下，7月日平均分析牵引能耗较6月份增长8.50%。从理论分析看，8月的日平均气温高于7月，日牵引能耗较7月应有一定程度的增长，但是在8月5日执行节能时刻表后，8月的日均牵引能耗反而较7月有明显的下降，在不考虑温度变化对牵引能耗影响的情况下，日均节能约3 296 kWh。特别是进入9月份，空调对能耗影响减少的情况下，节能时刻表能耗达到年度最低;取温度相似月份(5月和6月)平均能耗与其相比，日均节电约3 117 kWh。

表5 2016年1—11月月均牵引能耗统计及环比表

4.2 节能成效同比分析

为更好地分析节能成效，对2016年8月份执行节能时刻表的牵引能耗进行同比数据分析(如表6所示)。从2016年1月至7月的同比数据看，2016年总体牵引能耗较2015年有一定程度的增长，在非空调季节或气温同等条件下，增长幅度不是很大，增幅约为1.4%；但在空调季节，月均高温每增加1 ℃，月均牵引能耗增长约4.25%，但从2016年8月看，其月均最高气温较2015年8月份增加2 ℃，理论同比增加8.5%，但实际月均牵引能耗同比增加仅为2.89%。特别是9月份进入低温期后，相比2015年9月份，同比节能4.86%。从同比数据看，执行节能时刻表节能成效明显。

表6 2016年1—11月月均牵引能耗统计及同比表

通过同比和环比分析，可以看出节能时刻表具有明显的节能成效，高温条件下日均节能约5 620 kWh，低温条件下日均节能约3 117 kWh。同等温度条件下的环比数据最能直观地反映节能成效。月均环比数据可直观反映出气温对牵引能耗的影响，同比数据能够一定程度上反映出节能成效，但是客流和设备状态等方面的影响比重增大，对数据分析的偏差影响较大。采用环比数据分析节能成效，数据更具有准备性。

5 结语

从本研究分析可看出，通过改变列车运行等级，可以在不进行成本投入的情况下，取得较为明显的节能成效。在成果应用方面，本研究选用的线路具有区间长和行车间隔大两个特点，针对区间短和行车间隔小的市区线路，高峰期间运行等级可调整的空间不大，但可通过高峰、平峰、低峰采用不同运行等级的编表方式实现节能。本研究选取了4个运行等级，今后可通过选取更多等级样本，通过计算机学习方式，生成运行等级和能耗的关系图，进行大数据分析，结合周期需要，选取正线最优速度曲线。