城市轨道交通列车牵引节能综合技术研究与实践

彭 磊

（广州地铁设计研究院有限公司，510010，广州∥工程师）

2016年广州地铁线网全年运营能耗为110 878万kWh。其中，列车牵引能耗在运营能耗中占的比例最大，占57%，是运营能耗的主要组成部分（见表1）。因此，列车牵引节能是轨道交通运营节能的关键。

表1 广州地铁线网2016年总运营能耗组成

1 影响列车牵引能耗的关键因素

影响列车牵引能耗的因素很多，主要有线路条件、单车驾驶策略、运行计划及列车满载率等，故不同线路的牵引能耗存在较大差异。

1.1 单车驾驶策略

某区间的列车牵引曲线如图1所示。列车从车站起动到进站停车一般需经过牵引、巡航、惰行及制动等4个阶段。如采取不同的单车驾驶策略，则列车牵引曲线不同，牵引能耗也有所差异。单车驾驶策略主要包括巡航速度及工况组合。

1.1.1 巡航速度

v巡是指列车在巡航阶段匀速运行的最高速度。研究表明，巡航速度越高，列车牵引能耗越大，两者呈正相关的关系。以6辆编组B型车为例，当v巡=120 km/h时，在长度为3 km某区间的列车牵引能耗如表2所示。

表2 某区间列车牵引能耗与v巡的关系

1.1.2 工况组合

列车惰行时外部无电流输入，列车处于自由滑行状态。为控制速度，惰行一般选取在上坡段。由于列车受重力及风阻力作用，其惰行速度逐渐降低。电流-距离曲线可见，惰行工况电流为0，不消耗能量。因此，列车惰行工况越多，其单车牵引能耗就越小。

图1 典型区间列车牵引曲线

1.2 运行计划

在列车制动时，由再生制动产生的能量，会先供给列车自身的空调及照明等辅助系统。其余能量大部分会反馈至电网；如路网中有正在加速的列车，则这部分能量会供加速列车使用，否则，这些能量就会经由高阻值电阻（或其他方式）消耗成热能。可见，图定行车计划中处于牵引工况的列车和处于制动工况的列车时间重叠越多，则再生制动能量被吸收得越多，整条线路牵引能耗越低。

1.3 线路条件

（1）线路纵断面：线路纵断面设置应考虑列车出站加速、进站减速的特点，配合出站下坡、进站上坡的“高车站、低区间”的V形坡更有利于节能。

（2）线路平面：线路平面曲线会增加列车所受阻力。曲线半径越小，其产生的附加阻力越大，对牵引节能就越不利。广州地铁4、5、6号线牵引能耗数据如表3所示。可见，小曲线半径所占比例越高，线路车公里能耗越大。

表3 广州地铁4、5、6号线牵引能耗数据

（3）站间距：列车在牵引阶段及制动阶段的电流较大，在巡航阶段的电流较小；因此理论上牵引段及制动段在区间运行中所占比例越低，巡航段越长，牵引能耗就越低。站间距越大，巡航段越长，牵引段及制动段在区间运行中所占比例越低，车公里牵引能耗越小。当v巡=80 km/h时，计算得到不同站间距对应的列车牵引能耗如图2所示。

图2 列车牵引能耗与站间距的关系

2 牵引节能综合技术

借助牵引计算仿真系统，可根据定义的列车及线路条件数据库，结合给定的计算条件对列车运行情况进行模拟计算，从而得出相应的牵引曲线为方案分析提供依据。牵引计算仿真系统结构见图3。

2.1 驾驶策略节能方案

2.1.1 牵引巡航速度的选择

由于巡航速度越高，车公里能耗就越大，因此为实现牵引节能，应合理选择列车巡航速度。在高峰时段，客流量大，运能要求较高，故应优先保证运输能力，尽量提高巡航速度；平峰时段，客流量一般不大，可适当降低巡航速度，达到牵引节能的目的。

图3 牵引计算仿真系统结构图

以广州地铁7号线一期项目为例，按照上述原则，采用高峰时段v巡为80 km/h，平峰时段v巡为75 km/h的节能策略按运营初期列车开行150对/d进行仿真计算发现，采用节能策略较全日采用单一巡航速度（80 km/h）可节约电费50～55万元/a。

2.1.2 基于驾驶策略优化的单车节能牵引曲线方案

根据目前列车单车牵引曲线（见图4），一般列车需要在区间中部维持75 km/h匀速运行，需持续提供牵引力供电电流应保持在1 000 A左右。这种驾驶策略能耗较大。

惰行工况下的牵引能耗较低。单车典型区间运行中多次利用惰行进行节能（如图5所示），设置速度中位线为75 km/h，使列车速度在70 km/h至80 km/h之间波动，期间采用惰行工况与牵引工况组合使用。速度中位线与图5中方案一致，区间运行时间不变，不影响全线运输能力。从该方案的电流曲线上看，惰行段电流为0。仿真模拟结果显示，本算例区间牵引总能耗较原方案降低5.04%。

基于上述节能优化曲线，对广州地铁7号线一期工程全线有条件的区段进行全线牵引优化对比（见图6～8），7号线全日牵引能耗可降低13 311 kwh。

图4 目前国内轨道交通典型单车牵引曲线

图5 基于驾驶策略优化后的单车牵引曲线方案

2.2 运行图节能优化

在编制列车运行计划（列车运行图）时，应对常规运行图中的停站时间及发车间隔进行调整，使尽可能多的运行线间同一时刻牵引工况和制动工况重叠，达到再生制动能量的吸收及整条线路牵引能耗降低的目的，同时尽量避免列车同时起动牵引的发生，以降低线路供电负荷压力。

图6 7号线一期原牵引曲线方案模拟计算图

图7 7号线牵引曲线优化方案模拟计算图

图8 7号线牵引曲线优化后节能效果对比

图9 广州地铁7号线节能运行图节能效果对比

按照上述优化原理，对广州地铁7号线一期运营时刻表进行优化调整。调整原则为：区间运行时间调整不超过5 s，高峰及平峰车站停站时间调整分别不超过10 s和30 s。由此得出7号线优化后的运行图。

优化运行图后，由仿真模拟结果可见，优化后的运行图节能效果明显（见图9），其全日牵引能耗降低18 849 kwh。

2.3 规划设计阶段牵引节能条件预留

除在线路开通后运营组织上采取相应手段外，规划设计阶段为后期运营节能创造良好条件同样重要。良好的线路条件是线路运营节能的先天优势。在规划设计阶段应充分考虑预留以下节能条件：

（1）考虑“高车站、低区间”的节能坡线路纵断面设计。

（2）避免采用限速曲线，特别是小曲线半径，尤其不宜在区间中部设置限速曲线。

（3）站点设置要充分考虑列车速度性能的发挥，尽可能增加非牵引及非制动段的长度，提高达速比。

3 结语

本文通过对影响牵引能耗的关键因素分析，结合广州地铁运营能耗的实际情况，针对规划设计阶段和开通运营阶段提出了牵引节能的综合措施。通过理论分析和仿真模拟计算，这些措施可节能5%～10%。这不仅为已开通地铁线路的城市运营综合节能提供建议，也可为国内城市轨道交通规划设计阶段节能措施提供参考。

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