郭 志

(上海地鐵維護(hù)保障有限公司供電分公司,200235,上海//高級(jí)工程師)

在城市軌道交通供電系統(tǒng)運(yùn)行過程中，供電系統(tǒng)的負(fù)載運(yùn)行數(shù)據(jù)對(duì)于系統(tǒng)設(shè)備的可靠性分析及設(shè)備容量安全裕度的評(píng)估至關(guān)重要?；谙到y(tǒng)負(fù)載的變化特性分析能為地鐵供電系統(tǒng)在正常和非正常運(yùn)行方式下提供較為精確的運(yùn)行數(shù)據(jù)，用于調(diào)整或控制線路列車的運(yùn)行密度，同時(shí)還能為線路電源之間的支援運(yùn)行提供重要設(shè)備的負(fù)載率評(píng)估。

1 城市軌道交通供電系統(tǒng)負(fù)載數(shù)據(jù)分類

在目前的城市軌道交通供電系統(tǒng)內(nèi)，供電系統(tǒng)根據(jù)外電源的差異性分為集中供電和分散供電兩大類。分散供電方式主要從地方電力公司引入外部10 kV電源，采用降壓和整流等變流方式為車站提供低壓用電，為空調(diào)和通風(fēng)及其他車站機(jī)電設(shè)備提供用電，同時(shí)還為列車的運(yùn)行提供牽引用電；而采用集中供電方式的線路則設(shè)置獨(dú)立的軌道交通供電系統(tǒng)，該系統(tǒng)電壓等級(jí)包括110 kV、35 kV、10 kV、0.4 kV以及直流1 500 V等[1]，該系統(tǒng)負(fù)載分為低壓機(jī)電負(fù)載和直流1 500 V負(fù)載。

城市軌道交通用電負(fù)載，按照設(shè)備的用電性質(zhì)可分為牽引用電負(fù)載和機(jī)電設(shè)備負(fù)載；按照季節(jié)相關(guān)特征可分為季節(jié)相關(guān)性負(fù)載和季節(jié)非相關(guān)性負(fù)載。

本文重點(diǎn)針對(duì)季節(jié)相關(guān)性負(fù)載進(jìn)行數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)和分析，并對(duì)不同類型設(shè)備的負(fù)載隨季節(jié)變化的數(shù)據(jù)進(jìn)行重點(diǎn)分析，以發(fā)現(xiàn)線路負(fù)載特性的季節(jié)差異性和相關(guān)性，為后續(xù)線路時(shí)變負(fù)載的變化及負(fù)載用電保障評(píng)估提供技術(shù)參考。

2 線路負(fù)載數(shù)據(jù)的基本特征

城市軌道交通供電系統(tǒng)的供電負(fù)載分為列車用的牽引用電負(fù)載和機(jī)電用電負(fù)載。從基本的用電特性分析，牽引供電負(fù)載具有秒級(jí)時(shí)變特征，而車站低壓用電負(fù)載則具有穩(wěn)態(tài)變化特征，線路的供電負(fù)載變化則兼具時(shí)變和穩(wěn)態(tài)變化的負(fù)載特性。

為此，對(duì)于線路負(fù)載的分析和趨勢(shì)變化的特性，可以按照兩種不同類型的負(fù)載分類進(jìn)行匯總。本文結(jié)合上海軌道交通1號(hào)線負(fù)載線路的運(yùn)行特性，針對(duì)性地進(jìn)行了數(shù)據(jù)分析，通過對(duì)牽引變電站用電計(jì)量系統(tǒng)的用電量進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和匯總，得到牽引變電站典型的負(fù)載特征曲線。以及同站的低壓用電負(fù)載變化曲線(見圖1)。

圖1 上海軌道交通1號(hào)線上?；疖囌咀冸娬緺恳徒祲喝沼秒娯?fù)載特征對(duì)比曲線

由圖1可以看出，車站的低壓用電負(fù)載的特征基本為穩(wěn)態(tài)變化趨勢(shì)，與牽引用電負(fù)載相比，車站低壓用電負(fù)載在線路運(yùn)營時(shí)段的負(fù)載需求基本保持不變；牽引用電負(fù)載和實(shí)時(shí)功率需求比重較大，因此線路主變電站的用電負(fù)載曲線變化主要受牽引負(fù)載曲線影響[2]。

負(fù)載的時(shí)變特性與牽引負(fù)載的變化特征一致，故負(fù)載的變化特征分析需重點(diǎn)關(guān)注其與牽引負(fù)載的變化情況。而牽引負(fù)載的功率變化特征與線路的行車密度及車輛的負(fù)載特性曲線有直接相關(guān)性，因此應(yīng)重點(diǎn)對(duì)牽引負(fù)載的變化特性進(jìn)行分析。

3 線路牽引負(fù)載的季節(jié)性變化趨勢(shì)

在線路的運(yùn)行過程中，線路的負(fù)載變化特征與行車存在強(qiáng)關(guān)聯(lián)特性，而線路牽引負(fù)載的變化特征曲線除與以上提及的車輛負(fù)載曲線和行車間隔等因素相關(guān)外，還與車輛的輔助負(fù)載存在一定的關(guān)聯(lián)。同時(shí)車輛的負(fù)載特征與車輛的載荷狀態(tài)、輔助通風(fēng)和空調(diào)等因素也是影響牽引變電站負(fù)載特性的重要因素。

通過對(duì)牽引變電站進(jìn)行負(fù)載測(cè)試，得到同站、同運(yùn)行組織下牽引變電站負(fù)載隨季節(jié)性變化的曲線(見圖2)。

圖2 牽引變電站牽引負(fù)載的季節(jié)性變化對(duì)比曲線

通過對(duì)以上負(fù)載數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并對(duì)夏季和冬季的負(fù)載變化進(jìn)行了初步的數(shù)據(jù)對(duì)比，得到變電站夏季負(fù)載相對(duì)于冬季負(fù)載的季節(jié)性負(fù)載數(shù)據(jù)對(duì)比曲線，(見圖3)。

圖3 變電站季節(jié)性負(fù)載比曲線

從圖3可以看出，運(yùn)營時(shí)段的負(fù)載數(shù)據(jù)在夏季和秋季兩個(gè)不同季節(jié)的比例基本一致，在線路客流特征基本穩(wěn)定的情況下，車輛的運(yùn)營載重基本保持不變時(shí)，車輛季節(jié)性的用電負(fù)載變化主要是由車輛空調(diào)設(shè)備的負(fù)載引起的；夏、秋季牽引負(fù)載比為1.25～1.50取中位數(shù)1.375，根據(jù)圖3可以估算出該線路牽引負(fù)載的用電量夏季較冬季的負(fù)載增量為37.5%左右，由此得到線路主變電站牽引用電的季節(jié)性變化增量為37.5%左右。

4 車站機(jī)電系統(tǒng)負(fù)載的季節(jié)性變化趨勢(shì)

車站機(jī)電低壓用電負(fù)載在年度的變化過程中，受環(huán)境溫度的影響較大，且地下車站和地面高架車站的低壓用電負(fù)載特征也存在一定的差異性，對(duì)部分典型地面和地下車站的夏季及冬季的用電負(fù)載進(jìn)行了對(duì)比分析，以發(fā)現(xiàn)其變化規(guī)律或趨勢(shì)。經(jīng)過對(duì)上海軌道交通1號(hào)線火車站站用電負(fù)載進(jìn)行整理，得到季節(jié)性負(fù)載變化特征曲線(見圖4)。

圖4 上?；疖囌菊窘祲鹤冸娝?fù)載季節(jié)性變化對(duì)比曲線

通過圖4可以明顯看出，每天在車站開站之前，夏季和冬季的負(fù)載相對(duì)穩(wěn)定，此時(shí)主要為車站監(jiān)測(cè)和監(jiān)控類基本負(fù)載。在開站之后，用電負(fù)載呈現(xiàn)出明顯的差異性，通過數(shù)據(jù)處理可以得到夏季與冬季負(fù)載的功率比率變化曲線(見圖5)。

圖5 地下變電站夏、冬季負(fù)載比曲線

從圖5可以看出，地下車站夏季的用電負(fù)載與冬季的用電負(fù)載比為2.5～3.0，一般取2.75，該值可以作為地下車站低壓用電負(fù)載的比例參照。而對(duì)于地面高架車站低壓用電負(fù)載的季節(jié)變化特征，經(jīng)整理，得到如圖6所示曲線。

圖6 變電站牽引負(fù)載的季節(jié)性變化曲線對(duì)比

從圖6可以看出，地面高架車站低壓用電負(fù)載的季節(jié)性變化不明顯，主要原因?yàn)榈孛嬲疚丛O(shè)置大型的冷水機(jī)組及其配套的通風(fēng)系統(tǒng)，且地面高架車站由于結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，用于對(duì)制冷和控溫的機(jī)房面積較小，故負(fù)載基本維持在穩(wěn)定狀態(tài)。

5 主變電站的負(fù)載變化特征

根據(jù)以上用電負(fù)載變化特征，按照牽引和低壓用電負(fù)載的特征曲線以及季節(jié)性變化特征，可以得到比率系數(shù)和主變電站冬季負(fù)載與夏季負(fù)載的曲線數(shù)據(jù)[3]。為驗(yàn)證以上比率的數(shù)據(jù)，本文對(duì)上海軌道交通1號(hào)線人民廣場(chǎng)主變電站的低壓用電負(fù)載和牽引負(fù)載分別進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，得到主變電站冬季的牽引和低壓負(fù)載的曲線對(duì)比(見圖7)。

同時(shí)對(duì)夏、冬季負(fù)載進(jìn)行分析，可以得到運(yùn)營時(shí)段夏、冬季負(fù)載比的變化(見圖8)。

從圖9可以看出，主變電站的負(fù)載隨季節(jié)性變化存在明顯的變化特征，且變化率為1.5～2.0，取中位數(shù)為1.75。該數(shù)值表明在夏季用電高峰時(shí)段，由于車載制冷空調(diào)、車站冷水機(jī)組等大容量低壓用電負(fù)載的投運(yùn)，使得線路在運(yùn)營時(shí)段的負(fù)載增加約為75%。本文對(duì)上海軌道交通1號(hào)線供電系統(tǒng)年度用電量進(jìn)行匯總，得到牽引用電量匯總表(見表1)。

圖7 人民廣場(chǎng)主變電站負(fù)載的季節(jié)性變化對(duì)比曲線

圖8 人民廣場(chǎng)主變電站夏、冬季負(fù)載比變化曲線

圖9 人民廣場(chǎng)主變電站牽引用電量月度變化趨勢(shì)圖

表1 上海軌道交通1號(hào)線某年月度牽引用電量匯總表

由表1可知在一定的運(yùn)營行車邊界條件下，單一線路的負(fù)載季節(jié)性變化存在較為良好的正相關(guān)性；夏季6～9月份高峰用電量均值與1～4月份低谷用電量均值比例為1.4，增量為40%，且與季節(jié)性日負(fù)載變化趨勢(shì)增量的37.5%接近。

對(duì)車站機(jī)電負(fù)載用電量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，如圖10所示。從圖10可以看出，夏季7～8月份高峰用電量與1～2月份的用電量比率為2.59，說明主變電站反映低壓用電負(fù)載的季節(jié)變化特征與車站的低壓用電負(fù)載特征基本一致，季節(jié)變化的比率為2.5左右。

圖10 正線段車站機(jī)電負(fù)載用電量月度變化趨勢(shì)圖

6 數(shù)據(jù)分析結(jié)論及典型應(yīng)用

本本所分析的樣本為上海軌道交通1號(hào)線莘莊站—上?；疖囌緟^(qū)域的供電線路的功率負(fù)載及年度用電量的數(shù)據(jù)。通過對(duì)該線路負(fù)載以及用電量數(shù)據(jù)的相關(guān)性分析可以看出，該線路的牽引負(fù)載變化特征內(nèi)牽引負(fù)載與空調(diào)制冷負(fù)載的能量需求比例接近1…0.4，即增加空調(diào)負(fù)載時(shí)，牽引站所增加的有效負(fù)載率為40%。而該線路區(qū)段的車站形式以地下車站為主，因此夏季車站機(jī)電負(fù)載的增加比例為259%，即相對(duì)于其他低壓負(fù)載用電量，車站冷水機(jī)組的負(fù)載為其他設(shè)備負(fù)載的1.5～1.6倍。

通過對(duì)同一線路主變電站、牽引變電站和降壓變電站的用電負(fù)載數(shù)據(jù)分析可以看出，在線路運(yùn)營特征保持相對(duì)穩(wěn)定的情況下，牽引站和降壓站單站的數(shù)據(jù)變化特征與線路整體負(fù)載特征存在一定的關(guān)聯(lián)性。且該比例關(guān)系會(huì)隨車站形式的不同、地下車站和地面車站數(shù)量的不同存在一定的差異。而牽引負(fù)載變化與車輛的功率特性相關(guān)，且空調(diào)負(fù)載占行車負(fù)載的比例接近40%，因此如何通過優(yōu)化來降低夏季高峰負(fù)載的需求顯得尤為重要。建議在線路建設(shè)、設(shè)計(jì)階段和新線以及既有線改造時(shí)的車輛設(shè)計(jì)、采購過程中，進(jìn)一步重視滿載用電負(fù)載與空調(diào)制冷負(fù)載的需求配比，從而優(yōu)化線路用電負(fù)載的季節(jié)性波動(dòng)，進(jìn)而控制線路運(yùn)營后期供電系統(tǒng)的負(fù)載。

7 結(jié)語

通過對(duì)以上數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，可對(duì)供電系統(tǒng)的負(fù)載進(jìn)行評(píng)估，通過對(duì)調(diào)整行車間隔后的負(fù)載進(jìn)行預(yù)測(cè)，在仿真計(jì)算時(shí)，借助該數(shù)據(jù)分析結(jié)果，可對(duì)既有的仿真結(jié)論與供電系統(tǒng)運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行差異對(duì)比，以更好地驗(yàn)證仿真模型的工程應(yīng)用偏差，為模型[4]的修正及后續(xù)新線的仿真計(jì)算提供更為精確的數(shù)據(jù)，同時(shí)也為設(shè)備的選型、電氣參數(shù)的核算、可靠性分析及系統(tǒng)設(shè)備裕度設(shè)計(jì)提供參考。