地鐵低壓配電系統節能降耗技術分析與應用

摘要：城市軌道交通是城市發展的重要基礎設施，也是城市發展必不可少的重要公共交通工具；地鐵低壓配電系統是城市軌道交通運營必不可少的重要組成部分，也是地鐵運營的能源消耗大戶。因此，節約能源是目前城市軌道交通運營中必須考慮的重要環節，在保障地鐵正常運行的前提下，將行業內新型有效的節能降耗技術應用到低壓配電系統中，以達到降低運營成本的效果。本文結合貴州某地鐵運營情況，分析低壓配電系統電能消耗因素，提出節能降耗技術，以期為更好地節約地鐵運營能耗和降低運營成本提供參考。

關鍵詞：地鐵；低壓配電系統；節能降耗；技術；應用

一、引言

近年來，為了積極響應國家節能降耗政策，城市軌道交通低壓配電系統節能降耗工作一直以來廣受業界技術人員的關注并提出各種實施方案，但大部分工作尚停留在設計和建設階段。為了更好地完善地鐵系統節能降耗工作，在運營期間做好總結分析并提出合理的節能技術手段，是一項必不可少的重要措施。

二、地鐵低壓配電系統能耗分析

地鐵供電能耗主要來自牽引供電系統和低壓配電系統兩大部分，其中牽引供電系統主要是為電力機車提供電能，消耗電能約占總能耗的40%，牽引供電能耗一般由行車間隔、行車速度、機車組車型、乘客運量等方面確定，在運營期間合理安排即可。低壓配電系統主要是為車站動力設備系統、商業、辦公、照明等提供電能，消耗電能約占總能耗的60%，低壓配電系統能耗在運營期間合理開發和利用節能技術是可以極大程度地降低電能消耗的。因此，本文主要分析地鐵低壓配電系統電能消耗問題，提出合理有效的節能技術，根據統計，貴州某地鐵1線路運營一年的平均電能消耗如表1、表2。從現有設備能耗分析可見，低壓配電系統末端設備分布多，能耗占比區別明顯，可以根據不同設備的運行特性、運行時段和重要程度等，采取不同的系統節能降耗措施。

三、地鐵低壓配電系統節能降耗管理技術的分析及應用

（一）建立完善的節能降耗管理制度和計劃

建立完善的節能管理制度和計劃是地鐵運營單位開展節能工作的重要前提。通過建立完善的節能管理制度和計劃，促進節能技術的分析和應用，同時，通過相關制度和計劃約束全體職工參與到節能工作中，增強節能意識，節能工作才能得到事半功倍的效果。

（二）基于大數據建立完善的智能化能源管理系統

在傳統城市軌道交通工程中，設置的能源管理系統較少，即使設置了能源管理系統，大多也僅限于對底層數據進行收集、存儲，并供用戶集中提取查詢，并且收集的數據較為粗放，對運營節能降耗起不到分析指導作用。因此，我們需要在傳統能源管理系統的基礎上增加上層數據分析處理單元，在軟件層面上對數據進行二次加工，形成數據分析報表，并將其融入地鐵大數據，為優化資源配置提供理論支持及依據。同時，結合大數據和數據挖掘等現下主流的計算機技術，研究能源管理系統在數據資源分配管理方面的技術。

（三）智能化能源管理系統架構模型設計

根據地鐵供電系統的實際情況，利用大數據及先進的技術手段將傳統能源管理系統的粗放設計進行優化，更深入、更形象、更具體地統計和分析現場設備的能耗情況，為節能降耗提供有力的數據支撐，并將能源管理系統設為計量終端、能源管理系統子站、能源管理系統主站三大部分構成，各版塊的功能和作用如下。

1.計量終端系統

主要由智能電度計量表和用電設備構成，智能表按照不同維度、不同區域對用電設備進行分類、分項和分戶計量。分類即按照能源種類劃分進行采集和整理能耗數據；分項指按照主要用途進行劃分；分戶則指按照提供給不同能源消耗主體進行劃分。同時，計量也可按照按優先級進行劃分計量，以滿足運營管理和指標考核為最終目的。智能表記在采集各用電設備的電能數據后，通過通信總線將數據傳輸給能源管理系統子站。

2.能源管理系統子站系統

能源管理系統子站為車站級，設于各車站內，主要由網絡設備構成，負責通過網絡將計量終端智能計量表采集的開關柜、環控電控柜、配電控制箱等設備電能參數匯總處理，然后上傳給能源管理系統主站。

3.能源管理系統主站系統

能源管理系統主站為中央級，設于能源管理辦公室，主要包括數據存儲與分析服務器、數據查詢服務器、線路級數據采集服務器、工作站、打印機和網絡設備。主站通過網絡與各子站系統進行通信，采集各子站的能耗參數和主要設備的狀態信息，完成數據采集、存儲管理、統計分析，并建立設備運行情況的統計和分析系統以及設備評價、服務評價和用能效果評價指標體系。

4.能源管理系統主要功能設計

地鐵能源管理系統通過采集的能源數據，監測各車站、各系統和各重點設備的用能趨勢，并建立用能模型，用于預警和管理用能情況。同時，通過能效對標、能耗KPI考核等方式，增強人員的節能意識，提高人員的節能技術和技能，為節能技術的應用提供數據支持和效果驗證。該系統為地鐵運營管理人員提供精細化的用能管理服務，實現節能減排，促進地鐵線路的綠色節能運營。因此，能源管理系統必須滿足實現以下統計分析功能。

各類系統能源用量對比分析：對車站內各類用電設備能耗的用量進行統計對比，可按日、月、年進行統計分析，并以圖狀及報表方式呈現。

同類系統或設備用能情況環比分析：對同類系統或設備用能情況按年、月進行環比分析（逐年、逐月），并以柱狀圖及報表方式呈現，分析系統或設備的能耗變化趨勢和分布情況。

同類系統或設備用能情況同比分析：對同類系統或設備用能情況按月、日進行同比分析（不同月份相同日期、不同年份相同月份），并以圖狀及報表方式呈現，分析系統或設備的能耗變化趨勢和分布情況。

同類系統中不同設備用能情況對比分析：對同類系統不同設備的用能情況按年、月、日進行對比分析，并以圖狀及報表方式呈現。

車站負荷趨勢分析：對車站的逐時負荷、逐月負荷、周日負荷趨勢進行分析。

能耗相關性分析：對車站內的各類設備或系統進行能耗相關性分析，例如，室外環境的溫度或焓值對空調系統能耗的相關性分析、車站客流對空調系統能耗的相關性分析、車站客流對閘機和電扶梯的能耗相關性分析、車站類型對車站能耗的相關性分析以及車站面積對車站能耗的相關性分析等。

不同時間段設備能耗統計分析：對車站各設備在工作時間和非工作時間能耗進行統計分析，以及對車站間相同類型系統或設備工作時間和非工作時間能耗進行統計分析。

能耗對比分析：對線路中各車站的總能耗進行對比分析、對各車站中同類子系統（例如站臺門系統）能耗進行對比分析，可按日、月、年進行統計分析，并以圖狀及報表方式呈現。

能耗排名分析：按各種能耗系統類型對各車站的用能情況進行排名，例如，照明總能耗排名、動力總能耗排名、空調總能耗排名、單位乘客能耗排名等；

能耗評價指標對比分析：對各車站的各類能耗指標進行統計排名。

能耗費用分析：按各種能耗系統類型對各車站的用能全年費用情況進行排名，例如，照明總費用排名、動力總費用排名、空調總費用排名等。

各車站間相同類型設備的費用分析：對各車站相同類型設備按年、月、日對其能耗費用進行對比，對同一條線路不同車站間能耗費用進行對比、分析和評價。

同車站不同類型設備能耗費用分析：對同車站不同類型設備按年、月、日進行能耗費用占比進行對比、分析和評價。

車站總能耗費用和票務售票系統費用對比分析：各車站總能耗費用和車站票務進款費用按年、月、日進行對比、分析和評價。

5.地鐵能源管理系統的運用實況

同類系統或設備用能情況同、環比分析：對同類系統或設備用能情況按年、月進行環比分析（逐年、逐月），按不同月份相同日期、不同年份相同月份進行同比分析，并以柱狀圖及報表方式呈現，分析系統或設備的能耗變化趨勢和分布情況。

車站負荷趨勢分析：通過直接對比上一周期的負荷曲線，對車站的逐時負荷、逐月負荷、逐日負荷趨勢進行分析，如圖2所示。

能耗相關性分析：對車站內的各類設備或系統進行能耗相關性分析，例如，室外環境的溫度或焓值對空調系統的能耗的相關性分析、車站客流對空調系統能耗的相關性分析、車站客流對閘機和電扶梯的能耗相關性分析、車站類型對車站能耗的相關性分析、車站面積對車站能耗的相關性分析等，如圖3所示。

能耗對比分析：對線路中各車站的總能耗進行對比分析、對各車站中同類子系統（例如站臺門系統）能耗進行對比分析，可按日、月、年進行統計分析，并以圖狀及報表方式呈現。

不同時間段設備能耗統計分析：對車站各設備在工作時間和非工作時間能耗統計分析，以及對車站間相同類型系統或設備工作時間和非工作時間能耗統計分析。

能耗排名分析：按各種能耗系統類型對各車站的用能情況進行排名，例如，照明總能耗排名、動力總能耗排名、空調總能耗排名、單位乘客能耗排名等，如圖4。

指標對比分析：能源管理系統主站按采集的數據計算車站、線路行車耗能指標，例如，車站每萬人次乘客的電耗、線路每車公里的牽引電耗等，并以上年同期單位電耗和單位綜合電耗為參照進行對比分析。

在線集抄功能：按不同系統分類對系統中的智能表計進行遠程集中抄表，可以按年、季度、月不同時間間隔進行設置，如圖5所示。

定額管理：按各類設備、系統的趨勢分析、同環比分析、相關性分析等分析結果，為各車站、設備設置用能定額，當車站、設備用能達到定額的一定百分比時，分不同等級進行報警，車站、設備管理人員根據報警情況合理調整能源消耗。

用能診斷：從車站或設備不同時段的瞬時能耗值、上下級表計用能平衡分析、能耗趨勢對比等方面判斷用能異常情況并報警，例如，通過水表瞬時數據異常判斷站內水管漏水或爆管，通過400V主開關電表有功電度與子開關柜電表有功總和不一致判斷電表功能異常或漏電等，從而及時發現設備故障，提高檢修效率，阻止能源浪費。

四、地鐵低壓配電系統節能降耗技術措施分析及應用

（一）充分利用自然條件降低動力設備電能消耗

通風空調系統是車站低壓配電能耗設備中的能耗大戶，在全國地鐵運營中，大多數車站根據季節將通風空調使用分為空調季和非空調季。在非空調季，通風空調系統會全天24小時開啟，以確保車站和設備房的溫度保持正常；而在空調季，冷源系統會全天保持開啟，以保持車站和設備房的適宜溫度。經過分析發現，目前車站的設計一般會在地下車站站臺門上方安裝通風風閥，該風閥能夠連接隧道、站臺和站廳，充分利用當地的自然氣候條件。因此，可以通過調查站內外的溫差，并結合車站客流情況，制定停用車站通風空調系統的時間表。通過開啟站臺門上方的風閥，利用車輛從隧道區間帶入和帶出的自然風，調節車站的空氣和溫度，從而降低通風空調系統的電能消耗。例如，在貴州某地鐵地處西南地區，1月至5月和10月至12月的平均氣溫在16℃左右，除了早高峰時段（7點至10點）和晚高峰時段（16點至20點），其他時間段都可以開啟站臺風閥以采取自然通風模式運行。經過測試，站內的通風質量滿足標準要求。

（二）利用氣候條件降低大功率設備運行能耗

低壓配電系統中冷卻系統和大功率風機運行能耗較大，在地鐵運營中，為了保障車站和軌行區溫度滿足需求，一般將冷卻系統和軌道風機設置為全天24小時開啟運行。經過分析發現，冷卻系統設備可以在25～28℃啟動運行，在夜間過24：00后，氣溫下降，此時可以考慮關停冷卻裝置，啟用小系統通風多聯機的模式保障設備房正常溫度，而站廳和站臺可以利用自然風系統通風。此外，軌道風機可以設置在29℃以上自啟動運行。由于行車期間隧道內有活塞風流動，軌行區一般保持在20℃以下，因此軌道風機設置后基本一年不會啟動，這樣將會極大地降低兩大耗能設備的電能消耗。

（三）利用新能源創新供電模式降低照明設備電能消耗

場段室外照明是必不可少的部分，相比地下車站，也為節能降耗提供更好的便利條件。貴州某地鐵區域日平均日照時間僅為3小時，并考慮投資成本的因素，平常使用太陽能為路燈供電，當太陽能裝置的蓄電池電量不足時，由常規電源對路燈進行供電，大幅降低了場段路燈電能消耗。以貴州某地鐵區域實際情況實施，每年節能成本對比分析如表3所示。

（四）主動改造增強節能措施

地鐵線路從設計到施工完成一般需要3至5年，有的甚至可跨越10年。因此，當開通運營后，一些設計理念和設備已不再是最新技術和標準，需要運營單位積極主動進行改造或更新換代，以達到節能最佳狀態。地下車站站臺和站廳照明需要24小時開啟，但往往由于設計期間新型照明設備的落后，會考慮較密集的照明燈，后期照明設備在同樣功率下照度會增強，這就需要通過改造減少照明設備密度，并重新布局，以滿足照度需求；高架站區間照明設備在設計期間由于無法考慮自動開停條件，一般設置為人工關停，這會導致關停不及時浪費能源，后期可以通過改造自動檢測室外亮度或時間自行啟停，降低電能消耗。

（五）分析客流量降低電扶梯開啟時間

在地鐵車站運營期間，不同的車站客流量不同，一般末端站和住宅區較少的站客流量較小，在設計時，為方便乘客出行，每個地鐵口均安裝了扶梯和垂梯。運營單位可以分析不同車站客流量情況，減少出站口電梯的開啟數量，也可以選擇垂梯和扶梯只開啟一臺。同時，還應當劃分客流高峰和低峰時段，在低峰時段減少電梯開啟數量，以此降低電能消耗。

五、運用效果

貴州X地鐵1號線在運營中通過分析總結，并結合實際情況，采取了一系列有效的節能技術措施，取得了顯著的節能效果：年均降低低壓配電系統能耗4000萬kWh～5000萬kWh，占總能耗的2%～3%。根據當地平均電價0.65元計算，平均每年節約運營成本約三百萬，這意味著通過實施這些節能措施，地鐵運營商在維持服務質量的同時，能夠有效降低能源成本，提高運營效益。

六、結束語

地鐵低壓配電節能降耗技術的應用意義重大，符合可持續發展戰略要求，也是城市地鐵長足穩定運行的需求。但不同的地鐵線路需要結合當地的運營政策、客流需求、氣候條件、前期設計情況、建設期設備的采用和選型等多方面因素進行具體分析和總結，深挖節能關節技術，提出科學合理的節能降耗技術方案，并將其應用到節能工作中，提升地鐵低壓設備的整體運行效率，實現節能目標。只有這樣，才能更好地實現地鐵運營降本增效，確保地鐵運行更加綠色、環保、舒適和便捷。

作者單位：楊波 貴陽市公共交通投資運營集團有限公司

參" 考" 文" 獻

[1]趙瑞瑞.地鐵在杭州城市形象塑造中的功能探析[D].蘭州：蘭州大學，2020.

[2]劉蓮蓮.太陽能路燈在地鐵車輛段中的應用研究[J].工程管理前沿，2014（09）.

[3]耿玲.建筑節能監管系統在高校中的應用[D].沈陽：沈陽建筑大學，2017.

[4]董旭華.淺析現代城市軌道交通系統的設備管理[J].重慶市軌道交通（集團）有限公司，2020.

[5]胡冰光，龔玲，蘇小倩.淺談城市軌道交通供電系統的節能措施與經濟運行[J].重慶軌道交通（集團）有限公司，2020.

[6]陳奉剛.能耗監控管理分析決策系統的研究及數據庫建立[D].廣州：華南理工大學，2014.