广州地铁1号线列车节能运行模式的实测分析

谢小星 王保坚 黎新华 丛 丛

(1.厦门市交通运输管理局，361001，厦门； 2.厦门市公交集团有限公司， 361001，厦门；3.广州地铁集团有限公司运营事业总部，510380，广州； 4.广东交通职业技术学院， 510650，广州//第一作者，高级工程师)

广州地铁1号线的开通时间早，技术较为成熟，但其列车运行能耗过大仍是需解决的技术难题。广州地铁1号线于1999年12月28日开通运营，线路总长18.48 km，平均站间距1.23 km。正线运行的西门子与庞巴迪A型车为6节编组，采用西门子准移动信号系统，具有再生制动馈能功能。列车最高运行速度为80 km/h。本研究以广州地铁1号线列车的牵引耗能与运行状态参数之间关系为对象，通过实际测试分析，找出广州地铁列车节能运行的最优方案。

1 测试方案

通过测试，掌握列车运行时的主要车辆参数状况。对实测数据进行汇总整理及分析计算，做出能耗评估，进而分析影响牵引能耗的因素。测试方案主要包括：

1) 使列车分别按60 km/h、65 km/h及70 km/h限速工况来运行，研究列车牵引能耗与运行时间的关系，以分析列车降速后的能耗水平；

2) 根据列车起动与制动过程的时间，以及该时间区域内列车吸收和反馈的电功率瞬时曲线，来推断有效能量对冲时间；

3) 通过调整列车区间运行时间，研究在运行图改变情况下的列车牵引能耗变化；

4) 改变列车的牵引控制方式，研究牵引能耗的改善，并提出优化控制方案。

2 测试原理及方法

2.1 列车运行能耗分析

列车的牵引能耗可表示为：

(1)

P(t)=v×F

(2)

式中：

E——牵引能耗；

t——时间；

P(t)——t时的功率；

v——列车速度；

F——列车牵引力。

单列列车在运行过程中，要经历牵引、惰行、巡航及制动过程，其功率分别为为：

Pq=Fq×v；

Px=Fq×v；

Pd=0；

Pz=fz×v

(3)

式中：

Pq——单列列车处于牵引阶段的功率；

px——单列列车处于巡航阶段的功率；

Pd——单列列车处于惰行阶段的功率；

Pz——单列列车处于制动阶段的功率；

Fq——列车牵引力；

fz——列车制动力。

可见，不同运行工况下，列车能耗亦不同。

2.2 测试方法

测试系统框架如图1所示。

2.3 正线测试过程

试验列车由西朗站上行至广州东站，折返后，再由广州东站下行至西朗站，分别按60 km/h、65 km/h及70 km/h限速，在正常运行模式和SM(监督下的人工)模式下运行。试验以10 Hz和100 Hz两种测量频率对列车正线运行状态进行全天不间断测试，通过3次测试，得到较为详实的运行数据。

图1 测试系统框图

3 测试数据分析

为了提高数据的可比性，列车牵引能耗按区间分段计算，将相同区间不同限速工况下的牵引能耗按kW·h/(100 km·t)(即单程牵引能耗同分段距离和载重(含空车重)的乘积之比)折算。

3.1 在不同限速工况及驾驶模式下的列车能耗

3.1.1 分段牵引能耗曲线比较

通过改变列车运行限速工况及牵引模式，得到不同时段的能耗及再生反馈能量。其中，平常时段的单列列车在不同限速工况下的输入能量、牵引能耗及再生能量的折算值见图2。

图2 平常时段上行方向单列列车在不同限速工况下的各区间测试结果

3.1.2 不同限速工况下的列车实际运行速度情况

典型区间不同限速工况下的列车实际运行的速度时间曲线见图3。从图3可知，区间限速越低，列车的区间运行时间越长，对牵引节能就越有利。

图3 典型区间不同工况下的速度时间曲线

3.1.3 不同限速工况下的列车能耗情况

不同限速工况下的列车能耗测试结果见表1，列车每100 km·t的能耗情况见表2。

3.1.4 测试结果分析

1) 在相同限速工况下，采用SM模式的列车牵引能耗最低。在低谷时段，80 km/h限速工况下的列车实际牵引能耗最高；在平常时段，70 km/h限速工况下的列车实际牵引能耗最低，80 km/h限速工况下最高。

2) 再生反馈能量与在线列车数成正比，实际牵引能耗与在线列车数成反比。

3) 通过不同限速工况的测试可看出，当列车全天按70 km/h限速运行时，其高峰时段运能只是稍微下降。在高峰时段，列车单程旅行速度由46.87 km/h降至45.78 km/h，而单程运行时间最多仅增加了40 s，满足运行时刻表考核要求，相应能耗降低了6.39%。在平常时段和低谷时段，列车能耗分别降低了15.56%和17.05%，节能效果明显。

表1 不同工况下的列车能耗测试结果

表2 不同工况下列车每100 km·t的能耗情况

3.2 牵引与制动的能量对冲影响

目前,广州地铁1号线列车不同限速工况下的制动电阻耗能情况如表3所示。分析不同限速工况下的制动电阻耗能情况可以看出，制动电阻能耗随机性较大。这说明目前广州地铁1号线运行调度没有充分考虑列车能量对冲情况，也证明了减少制动电阻耗能优化方法的必要性和可行性。由表3可知，全线制动电阻能耗占牵引能耗6%左右。

3.3 延长列车区间运行时间

通过修改运行图，将限速70 km/h、65 km/h和60 km/h的列车区间运行时间分别相应延长，测试列车的实际运行速度v实，并据此计算列车的实际运行能耗。延长区间运行时间后的v实见图4～5。

表3 不同限速工况下的制动电阻耗能情况

图4 80、70 km/h限速工况下的列车速度对比

图5 65 km/h限速工况下的列车速度对比

理论上，延长列车区间运行时间方案可以实现节能。但由于列车信号系统具有“赶点”功能，延长列车区间运行时间后，列车进入“赶点”状态，列车实际最高运行速度反而提升，使得该方案的节能效果并不明显。

3.4 改变列车牵引控制方式

以SM模式下的“牵引-惰行-制动”的方式代替ATO(列车自动运行)模式下频繁的“牵引-制动”，列车在典型区间的运行速度曲线如图6所示。

图6 80 km/h限速工况下列车在杨箕站-东山口站区间不同模式的速度曲线

在ATO模式下，列车要尽量按ATP(列车自动保护)系统推荐的速度运行，故列车频繁切换牵引和制动模式，其电机也相应地频繁启动、制动。这使得电机效率降低、电损耗增大。可见，减少列车加减速的次数，使其平稳行驶，是减小牵引能耗的有效途径之一。在低谷时段，当列车最高运行速度为80 km/h时的单位牵引能耗， SM模式比ATO模式减少29.4%。

4 结论

通过对广州地铁1号线的实测，得到了较为详尽的测试数据。通过分析和研究测试数据，得到减少牵引能耗的建议主要有：

1) 列车运行时应保持较为平滑的速度曲线、减少列车加减速次数。在非高峰时段应采用SM模式驾驶，使列车以贴近ATP建议的速度运行，并采用牵引-惰行-制动方式控制列车，以减少电机的频繁启动与制动，提升电机效率。

2) 优化运行图，增加在线列车起动及制动能量对冲，提高再生制动能量利用率。

3) 在不影响客运量的情况下，应尽量降低车速。根据测试计算结果，推荐列车以70 km/h为最高运行速度，此时节能效果最优。

4) 测试结果表明：全天的列车载重与空车自重之比均较小，为5%～35%；小载客量运行会增大单位牵引能耗。应进一步研究载客分布，并合理地实时调整车速和在线列车数。