城市軌道交通列車(chē)運(yùn)行等級(jí)節(jié)能研究

鄭 偉

(南京地鐵運(yùn)營(yíng)有限責(zé)任公司,210012,南京//工程師)

城市軌道交通系統(tǒng)總能耗主要包括電、燃?xì)狻⑷加?、水等能源消耗，其中主要以電力消耗為主。列?chē)電耗和動(dòng)力照明電耗各占總電耗的50%左右。目前,在列車(chē)牽引節(jié)電方面研究的主要方向?yàn)橹苿?dòng)再生能量回收，較多的軌道交通企業(yè)已試點(diǎn)安裝回收裝置。但是該方法也存在不確定性:一是能量回收裝置投入較大，投入和節(jié)能成效比短期內(nèi)無(wú)法確定；二是回收裝置的穩(wěn)定性和對(duì)供電系統(tǒng)的影響也需要進(jìn)一步驗(yàn)證。本研究主要從改變列車(chē)區(qū)間運(yùn)行方式入手，一個(gè)典型的區(qū)間是一個(gè)起伏坡道，一個(gè)區(qū)間包括若干上坡道，接著若干下坡道，其間可夾有平道。區(qū)間優(yōu)化操縱序列為少牽引、多惰行、少制動(dòng)。通過(guò)調(diào)整列車(chē)牽引、制動(dòng)和惰性的分配，測(cè)算和分析運(yùn)行等級(jí)與牽引能耗的關(guān)系，進(jìn)而優(yōu)化時(shí)刻表編制，達(dá)到節(jié)能成效。本研究的測(cè)試主要在南京地鐵機(jī)場(chǎng)線進(jìn)行。該線路采用自儀泰雷茲移動(dòng)閉塞信號(hào)系統(tǒng)，列車(chē)為阿爾斯通6節(jié)編組B型車(chē)，最高駕駛速度為100 km/h，線路全長(zhǎng)44.88 km，設(shè)8個(gè)車(chē)站。

1 運(yùn)行等級(jí)的劃定

信號(hào)系統(tǒng)自動(dòng)調(diào)整列車(chē)在區(qū)間運(yùn)行的時(shí)間一般為一個(gè)固定的范圍，編圖人員會(huì)根據(jù)周期選取時(shí)間范圍內(nèi)的某一固定值作為編制時(shí)刻表的區(qū)間運(yùn)行數(shù)據(jù)，但對(duì)該運(yùn)行等級(jí)產(chǎn)生的能耗沒(méi)有進(jìn)一步的研究。本研究在運(yùn)行等級(jí)劃分上，主要將固定的時(shí)間范圍從低到高，劃分為4個(gè)等級(jí)。區(qū)間最長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間定義為等級(jí)1，最短運(yùn)營(yíng)時(shí)間定義為等級(jí)4(如表1所示)。從等級(jí)劃分看，南京地鐵機(jī)場(chǎng)線采用等級(jí)4。本研究只選取了4個(gè)等級(jí)進(jìn)行典型分析，隨著選擇等級(jí)數(shù)目的增多，借助計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，可以生成列車(chē)運(yùn)行等級(jí)與能耗的關(guān)系。

2 單列空駛測(cè)試分析

在完成運(yùn)行等級(jí)劃分后，首先進(jìn)行同等條件下，單列車(chē)空駛牽引能耗測(cè)試分析，牽引能耗測(cè)算采用電客車(chē)牽引系統(tǒng)能耗分析軟件，通過(guò)采集CMD(電流互感器)以及VMD(電壓互感器)的實(shí)時(shí)電流與電壓數(shù)據(jù)，計(jì)算一個(gè)輪詢周期內(nèi)的實(shí)時(shí)能量消耗，再將其累加。同時(shí)忽略天氣變化等客觀條件對(duì)列車(chē)能耗的影響。

2.1 運(yùn)行等級(jí)能耗分析

牽引能耗指列車(chē)區(qū)間運(yùn)行時(shí)實(shí)際牽引消耗的電能。對(duì)列車(chē)空駛工況下，各運(yùn)行等級(jí)牽引能耗進(jìn)行測(cè)算(如表2所示)。從測(cè)算數(shù)據(jù)看，隨著運(yùn)行等級(jí)的提高，列車(chē)總牽引能耗依次增加。但從單個(gè)區(qū)間看，隨著運(yùn)行等級(jí)的提高，牽引能耗并非為遞增的規(guī)律。也就是說(shuō)，并非列車(chē)在區(qū)間運(yùn)行的時(shí)間越長(zhǎng),列車(chē)越節(jié)能。

表1 各運(yùn)行等級(jí)區(qū)間運(yùn)行時(shí)間統(tǒng)計(jì)表 s

表2 各運(yùn)行等級(jí)區(qū)間運(yùn)行牽引能耗統(tǒng)計(jì)表 kWh

在這里主要選取等級(jí)1和等級(jí)4進(jìn)行重點(diǎn)分析，列車(chē)等級(jí)1相比等級(jí)4總節(jié)能率可達(dá)11.2%，上行平均節(jié)能率為13.1%，下行平均節(jié)能率為9.3%。列車(chē)等級(jí)4牽引能耗約為7.72 kWh/km，等級(jí)1牽引能耗約為6.88 kWh/km。從對(duì)比數(shù)據(jù)看，不同區(qū)間節(jié)能率不同，最大的區(qū)間為翔宇北路站—正方中路站上行，節(jié)能率可達(dá)23.3%;同時(shí)，也存在3個(gè)負(fù)節(jié)能的區(qū)間，但負(fù)節(jié)能率相對(duì)較小。

2.2 列車(chē)能耗分析

列車(chē)輔助能耗指用于列車(chē)照明、空調(diào)、列車(chē)控制等消耗的電能。測(cè)試期間對(duì)列車(chē)輔助系統(tǒng)能耗進(jìn)行單獨(dú)測(cè)算。通過(guò)對(duì)列車(chē)輔助系統(tǒng)能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計(jì)算，列車(chē)在開(kāi)啟通風(fēng)情況下，單列車(chē)輔助能耗為48.87 kWh/h，以等級(jí)1空駛運(yùn)行方式測(cè)算，列車(chē)一個(gè)周期內(nèi)純牽引能耗為490 kWh，輔助能耗約為65 kWh，列車(chē)運(yùn)行過(guò)程中，輔助能耗約占列車(chē)總能耗的12%。在空調(diào)季節(jié)時(shí)，列車(chē)輔助能耗相對(duì)占比會(huì)進(jìn)一步增大。

3 載客測(cè)試分析

為了更好地驗(yàn)證空車(chē)分析數(shù)據(jù)在實(shí)際載客運(yùn)行中的成效，根據(jù)運(yùn)行等級(jí)1的數(shù)據(jù)編制測(cè)試時(shí)刻表(南京地鐵機(jī)場(chǎng)線正常時(shí)刻表選用運(yùn)行等級(jí)4的數(shù)據(jù))。在測(cè)試時(shí)刻表運(yùn)行期間，關(guān)閉列車(chē)自動(dòng)調(diào)整功能，在晚點(diǎn)情況下不進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。牽引能耗數(shù)據(jù)從南京地鐵能源監(jiān)控系統(tǒng)中采集，分析中提及的日能耗為正線每日4:00—23:00的能耗數(shù)據(jù)。在進(jìn)行列公里數(shù)據(jù)對(duì)比時(shí)，考慮到司機(jī)20:00后采用手動(dòng)駕駛，速度曲線與運(yùn)行等級(jí)速度曲線的不吻合性，數(shù)據(jù)時(shí)間使用6:00—20:00時(shí)間段的能耗和列公里數(shù)據(jù)。測(cè)試數(shù)據(jù)對(duì)比分析中，忽略客流波動(dòng)帶來(lái)的影響。

3.1 牽引外能耗分析

牽引外能耗主要為：列車(chē)輔助系統(tǒng)消耗的電能，用于列車(chē)照明、空調(diào)、列車(chē)控制電源等；供電系統(tǒng)本身消耗的電能。對(duì)南京地鐵機(jī)場(chǎng)線運(yùn)營(yíng)結(jié)束后供電系統(tǒng)本身能量消耗進(jìn)行分析，從23：00至次日4：00期間，平均每小時(shí)能耗為158 kWh，按照這個(gè)數(shù)據(jù)測(cè)算運(yùn)營(yíng)期間(4：00—23：00)供電系統(tǒng)本身約消耗3 000 kWh。供電系統(tǒng)自身消耗能量在運(yùn)營(yíng)期間會(huì)隨著列車(chē)再生制動(dòng)等出現(xiàn)變化，在此后的分析中，將忽略此部分變動(dòng)。

3.2 牽引能耗對(duì)比分析

(1)機(jī)場(chǎng)線能源監(jiān)控系統(tǒng)可統(tǒng)計(jì)各牽引所整流機(jī)組每小時(shí)輸出功率。為了確保數(shù)據(jù)對(duì)比的準(zhǔn)確性，一是排除夜間調(diào)試影響，選取運(yùn)營(yíng)期間(4:00—23:00)正線各整流機(jī)組輸出功率；二是排除氣溫因素的影響(氣溫與能耗成正向關(guān)系)，選取與測(cè)試期間(2016年5月16日至19日)溫度相同的正常時(shí)刻表能耗數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。測(cè)試前后3 d正常時(shí)刻表平均日牽引總能耗為57 610 kWh，日均節(jié)電約4 493 kWh(如表3所示)。從4 d的測(cè)試時(shí)刻表列車(chē)能耗數(shù)據(jù)看(如表4所示)，測(cè)試期間的平均日牽引總能耗為53 117 kWh，相比同等條件下的正常時(shí)刻表列車(chē)牽引能耗平均節(jié)能率約為7.8%。測(cè)試時(shí)刻表具有顯著的節(jié)能成效。

表3 正常時(shí)刻表能耗及溫度統(tǒng)計(jì)表

表4 測(cè)試時(shí)刻表能耗及溫度統(tǒng)計(jì)表

(2)總車(chē)公里能耗分析。在進(jìn)行車(chē)公里能耗分析時(shí)，考慮到司機(jī)在早晚手動(dòng)駕駛(手動(dòng)駕駛情況下，列車(chē)速度曲線不再按照節(jié)能方式運(yùn)行)，在數(shù)據(jù)分析中，節(jié)能模式運(yùn)行圖只選取6:00—20:00之前的能耗和里程數(shù)據(jù)，測(cè)試時(shí)刻表車(chē)公里能耗為8.03 kWh，正常時(shí)刻表車(chē)公里能耗為8.56 kWh。

(3)牽引車(chē)公里能耗分析。按照之前牽引外能耗分析的結(jié)果，計(jì)算出純牽引能耗。測(cè)試節(jié)能時(shí)刻表牽引車(chē)公里能耗為6.59 kWh，正常時(shí)刻表牽引車(chē)公里能耗為7.22 kWh，車(chē)公里節(jié)能率為8.72%。車(chē)公里能耗低于空駛列車(chē)測(cè)算(正常時(shí)刻表車(chē)公里牽引能耗為7.72 kWh、節(jié)能模式車(chē)公里牽引能耗為6.88 kWh)的主要原因?yàn)椋阂皇窃偕苿?dòng)的成效，單列空駛測(cè)算中，無(wú)法評(píng)估再生制動(dòng)成效，而在全天數(shù)據(jù)分析中，包含再生制動(dòng)成效；二是列車(chē)能耗與客流、天氣等的關(guān)系為非線性，特別是在機(jī)場(chǎng)線目前客流條件下，客流對(duì)能耗影響較小。

4 節(jié)能成效分析

經(jīng)過(guò)單車(chē)空駛測(cè)試、測(cè)試時(shí)刻表載客測(cè)試兩個(gè)階段的驗(yàn)證和完善后，從2016年8月5日起，機(jī)場(chǎng)線使用節(jié)能時(shí)刻表，運(yùn)行期間關(guān)閉列車(chē)自動(dòng)調(diào)整功能，晚點(diǎn)較多時(shí)，由行車(chē)調(diào)度員手動(dòng)開(kāi)啟調(diào)整功能。正線牽引能耗數(shù)據(jù)為能源監(jiān)控系統(tǒng)中正線各整流機(jī)組能耗數(shù)據(jù)總和?？紤]到每日6:00前和20：00后，司機(jī)采用手動(dòng)駕駛，無(wú)法達(dá)到節(jié)能效果。節(jié)能數(shù)據(jù)只對(duì)6:00—20:00進(jìn)行分析，沒(méi)有特殊說(shuō)明的情況下，牽引能耗均指該時(shí)間段內(nèi)的牽引能耗。同時(shí)忽略運(yùn)營(yíng)期間因故障加開(kāi)、晚點(diǎn)列車(chē)調(diào)整運(yùn)行等級(jí)等小范圍調(diào)整的影響。

4.1 節(jié)能成效環(huán)比分析

從南京地鐵機(jī)場(chǎng)線2016年月度平均能耗數(shù)據(jù)看(如表5所示)，1至7月份，隨著氣溫升高，正線牽引能耗具有明顯的上升趨勢(shì)，特別是在7月日平均氣溫達(dá)到32 ℃的情況下，7月日平均分析牽引能耗較6月份增長(zhǎng)8.50%。從理論分析看，8月的日平均氣溫高于7月，日牽引能耗較7月應(yīng)有一定程度的增長(zhǎng)，但是在8月5日?qǐng)?zhí)行節(jié)能時(shí)刻表后，8月的日均牽引能耗反而較7月有明顯的下降，在不考慮溫度變化對(duì)牽引能耗影響的情況下，日均節(jié)能約3 296 kWh。特別是進(jìn)入9月份，空調(diào)對(duì)能耗影響減少的情況下，節(jié)能時(shí)刻表能耗達(dá)到年度最低;取溫度相似月份(5月和6月)平均能耗與其相比，日均節(jié)電約3 117 kWh。

表5 2016年1—11月月均牽引能耗統(tǒng)計(jì)及環(huán)比表

4.2 節(jié)能成效同比分析

為更好地分析節(jié)能成效，對(duì)2016年8月份執(zhí)行節(jié)能時(shí)刻表的牽引能耗進(jìn)行同比數(shù)據(jù)分析(如表6所示)。從2016年1月至7月的同比數(shù)據(jù)看，2016年總體牽引能耗較2015年有一定程度的增長(zhǎng)，在非空調(diào)季節(jié)或氣溫同等條件下，增長(zhǎng)幅度不是很大，增幅約為1.4%；但在空調(diào)季節(jié)，月均高溫每增加1 ℃，月均牽引能耗增長(zhǎng)約4.25%，但從2016年8月看，其月均最高氣溫較2015年8月份增加2 ℃，理論同比增加8.5%，但實(shí)際月均牽引能耗同比增加僅為2.89%。特別是9月份進(jìn)入低溫期后，相比2015年9月份，同比節(jié)能4.86%。從同比數(shù)據(jù)看，執(zhí)行節(jié)能時(shí)刻表節(jié)能成效明顯。

表6 2016年1—11月月均牽引能耗統(tǒng)計(jì)及同比表

通過(guò)同比和環(huán)比分析，可以看出節(jié)能時(shí)刻表具有明顯的節(jié)能成效，高溫條件下日均節(jié)能約5 620 kWh，低溫條件下日均節(jié)能約3 117 kWh。同等溫度條件下的環(huán)比數(shù)據(jù)最能直觀地反映節(jié)能成效。月均環(huán)比數(shù)據(jù)可直觀反映出氣溫對(duì)牽引能耗的影響，同比數(shù)據(jù)能夠一定程度上反映出節(jié)能成效，但是客流和設(shè)備狀態(tài)等方面的影響比重增大，對(duì)數(shù)據(jù)分析的偏差影響較大。采用環(huán)比數(shù)據(jù)分析節(jié)能成效，數(shù)據(jù)更具有準(zhǔn)備性。

5 結(jié)語(yǔ)

從本研究分析可看出，通過(guò)改變列車(chē)運(yùn)行等級(jí)，可以在不進(jìn)行成本投入的情況下，取得較為明顯的節(jié)能成效。在成果應(yīng)用方面，本研究選用的線路具有區(qū)間長(zhǎng)和行車(chē)間隔大兩個(gè)特點(diǎn)，針對(duì)區(qū)間短和行車(chē)間隔小的市區(qū)線路，高峰期間運(yùn)行等級(jí)可調(diào)整的空間不大，但可通過(guò)高峰、平峰、低峰采用不同運(yùn)行等級(jí)的編表方式實(shí)現(xiàn)節(jié)能。本研究選取了4個(gè)運(yùn)行等級(jí)，今后可通過(guò)選取更多等級(jí)樣本，通過(guò)計(jì)算機(jī)學(xué)習(xí)方式，生成運(yùn)行等級(jí)和能耗的關(guān)系圖，進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，結(jié)合周期需要，選取正線最優(yōu)速度曲線。