廣州地鐵1號線列車節能運行模式的實測分析

謝小星 王保堅 黎新華 叢 叢

(1.廈門市交通運輸管理局，361001，廈門； 2.廈門市公交集團有限公司， 361001，廈門；3.廣州地鐵集團有限公司運營事業總部，510380，廣州； 4.廣東交通職業技術學院， 510650，廣州//第一作者，高級工程師)

廣州地鐵1號線的開通時間早，技術較為成熟，但其列車運行能耗過大仍是需解決的技術難題。廣州地鐵1號線于1999年12月28日開通運營，線路總長18.48 km，平均站間距1.23 km。正線運行的西門子與龐巴迪A型車為6節編組，采用西門子準移動信號系統，具有再生制動饋能功能。列車最高運行速度為80 km/h。本研究以廣州地鐵1號線列車的牽引耗能與運行狀態參數之間關系為對象，通過實際測試分析，找出廣州地鐵列車節能運行的最優方案。

1 測試方案

通過測試，掌握列車運行時的主要車輛參數狀況。對實測數據進行匯總整理及分析計算，做出能耗評估，進而分析影響牽引能耗的因素。測試方案主要包括：

1) 使列車分別按60 km/h、65 km/h及70 km/h限速工況來運行，研究列車牽引能耗與運行時間的關系，以分析列車降速后的能耗水平；

2) 根據列車起動與制動過程的時間，以及該時間區域內列車吸收和反饋的電功率瞬時曲線，來推斷有效能量對沖時間；

3) 通過調整列車區間運行時間，研究在運行圖改變情況下的列車牽引能耗變化；

4) 改變列車的牽引控制方式，研究牽引能耗的改善，并提出優化控制方案。

2 測試原理及方法

2.1 列車運行能耗分析

列車的牽引能耗可表示為：

(1)

P(t)=v×F

(2)

式中：

E——牽引能耗；

t——時間；

P(t)——t時的功率；

v——列車速度；

F——列車牽引力。

單列列車在運行過程中，要經歷牽引、惰行、巡航及制動過程，其功率分別為為：

Pq=Fq×v；

Px=Fq×v；

Pd=0；

Pz=fz×v

(3)

式中：

Pq——單列列車處于牽引階段的功率；

px——單列列車處于巡航階段的功率；

Pd——單列列車處于惰行階段的功率；

Pz——單列列車處于制動階段的功率；

Fq——列車牽引力；

fz——列車制動力。

可見，不同運行工況下，列車能耗亦不同。

2.2 測試方法

測試系統框架如圖1所示。

2.3 正線測試過程

試驗列車由西朗站上行至廣州東站，折返后，再由廣州東站下行至西朗站，分別按60 km/h、65 km/h及70 km/h限速，在正常運行模式和SM(監督下的人工)模式下運行。試驗以10 Hz和100 Hz兩種測量頻率對列車正線運行狀態進行全天不間斷測試，通過3次測試，得到較為詳實的運行數據。

圖1 測試系統框圖

3 測試數據分析

為了提高數據的可比性，列車牽引能耗按區間分段計算，將相同區間不同限速工況下的牽引能耗按kW·h/(100 km·t)(即單程牽引能耗同分段距離和載重(含空車重)的乘積之比)折算。

3.1 在不同限速工況及駕駛模式下的列車能耗

3.1.1 分段牽引能耗曲線比較

通過改變列車運行限速工況及牽引模式，得到不同時段的能耗及再生反饋能量。其中，平常時段的單列列車在不同限速工況下的輸入能量、牽引能耗及再生能量的折算值見圖2。

圖2 平常時段上行方向單列列車在不同限速工況下的各區間測試結果

3.1.2 不同限速工況下的列車實際運行速度情況

典型區間不同限速工況下的列車實際運行的速度時間曲線見圖3。從圖3可知，區間限速越低，列車的區間運行時間越長，對牽引節能就越有利。

圖3 典型區間不同工況下的速度時間曲線

3.1.3 不同限速工況下的列車能耗情況

不同限速工況下的列車能耗測試結果見表1，列車每100 km·t的能耗情況見表2。

3.1.4 測試結果分析

1) 在相同限速工況下，采用SM模式的列車牽引能耗最低。在低谷時段，80 km/h限速工況下的列車實際牽引能耗最高；在平常時段，70 km/h限速工況下的列車實際牽引能耗最低，80 km/h限速工況下最高。

2) 再生反饋能量與在線列車數成正比，實際牽引能耗與在線列車數成反比。

3) 通過不同限速工況的測試可看出，當列車全天按70 km/h限速運行時，其高峰時段運能只是稍微下降。在高峰時段，列車單程旅行速度由46.87 km/h降至45.78 km/h，而單程運行時間最多僅增加了40 s，滿足運行時刻表考核要求，相應能耗降低了6.39%。在平常時段和低谷時段，列車能耗分別降低了15.56%和17.05%，節能效果明顯。

表1 不同工況下的列車能耗測試結果

表2 不同工況下列車每100 km·t的能耗情況

3.2 牽引與制動的能量對沖影響

目前,廣州地鐵1號線列車不同限速工況下的制動電阻耗能情況如表3所示。分析不同限速工況下的制動電阻耗能情況可以看出，制動電阻能耗隨機性較大。這說明目前廣州地鐵1號線運行調度沒有充分考慮列車能量對沖情況，也證明了減少制動電阻耗能優化方法的必要性和可行性。由表3可知，全線制動電阻能耗占牽引能耗6%左右。

3.3 延長列車區間運行時間

通過修改運行圖，將限速70 km/h、65 km/h和60 km/h的列車區間運行時間分別相應延長，測試列車的實際運行速度v實，并據此計算列車的實際運行能耗。延長區間運行時間后的v實見圖4～5。

表3 不同限速工況下的制動電阻耗能情況

圖4 80、70 km/h限速工況下的列車速度對比

圖5 65 km/h限速工況下的列車速度對比

理論上，延長列車區間運行時間方案可以實現節能。但由于列車信號系統具有“趕點”功能，延長列車區間運行時間后，列車進入“趕點”狀態，列車實際最高運行速度反而提升，使得該方案的節能效果并不明顯。

3.4 改變列車牽引控制方式

以SM模式下的“牽引-惰行-制動”的方式代替ATO(列車自動運行)模式下頻繁的“牽引-制動”，列車在典型區間的運行速度曲線如圖6所示。

圖6 80 km/h限速工況下列車在楊箕站-東山口站區間不同模式的速度曲線

在ATO模式下，列車要盡量按ATP(列車自動保護)系統推薦的速度運行，故列車頻繁切換牽引和制動模式，其電機也相應地頻繁啟動、制動。這使得電機效率降低、電損耗增大。可見，減少列車加減速的次數，使其平穩行駛，是減小牽引能耗的有效途徑之一。在低谷時段，當列車最高運行速度為80 km/h時的單位牽引能耗， SM模式比ATO模式減少29.4%。

4 結論

通過對廣州地鐵1號線的實測，得到了較為詳盡的測試數據。通過分析和研究測試數據，得到減少牽引能耗的建議主要有：

1) 列車運行時應保持較為平滑的速度曲線、減少列車加減速次數。在非高峰時段應采用SM模式駕駛，使列車以貼近ATP建議的速度運行，并采用牽引-惰行-制動方式控制列車，以減少電機的頻繁啟動與制動，提升電機效率。

2) 優化運行圖，增加在線列車起動及制動能量對沖，提高再生制動能量利用率。

3) 在不影響客運量的情況下，應盡量降低車速。根據測試計算結果，推薦列車以70 km/h為最高運行速度，此時節能效果最優。

4) 測試結果表明：全天的列車載重與空車自重之比均較小，為5%～35%；小載客量運行會增大單位牽引能耗。應進一步研究載客分布，并合理地實時調整車速和在線列車數。