城市轨道交通列车节能运行优化研究

DOI：10.19587/j.cnki.1007-936x.2020z1.030

城市轨道交通列车节能运行优化研究

于晓杰

摘 要：介绍了城市轨道交通列车运行方式，以国内某典型线路为例分析了实测列车运行方式及牵引能耗，运

用仿真模拟软件，在维持技术速度不变的前提下，通过充分利用线路条件合理选择惰行点，对列车运行方式进行优化，节能效果明显，并提出了降低列车牵引能耗的建议，探讨了优化列车运行方式产生的经济效益。

关键词：城市轨道交通；节能运行；惰行模式；牵引计算

Abstract: Firstly, introduce the train operation principle and mode of urban rail transit. On this basis, discuss two

typical lines’ actual train operation mode and calculate their traction energy consumption. After that, simulate train operation with \"cruise mode\" and \"coasting mode\" mode, make compares with actual operation mode on train operation mode and traction energy consumption, and give suggestions to reduce the traction energy consumption. Finally, discuss the economic benefits of optimizing the train operation mode.

Key words: urban rail transit; energy saving operation；coasting mode; traction calculation

U231.8 文献标识码：A 文章编号：1007-936X(2020)z1-0128-05 中图分类号：

0 引言

节约能源是我国社会和经济发展的一项长远战略方针，也是当前轨道交通建设和运营管理的一项极为迫切的任务，是降低运营成本、提高运营效率、保持城市轨道交通可持续发展的重要对策。在城市轨道交通系统中，列车的牵引能耗约占整条线路能耗的一半[1]；因此，降低列车牵引能耗可以有效降低整个城市轨道交通系统的能耗。

以某一城市既有轨道交通线为例，其线路平纵断面、车辆特性、供电系统已经确定，列车牵引能耗只能通过运输组织模式进行调整。运输组织模式主要涉及技术速度、停站方案、开行方案、列车运行方式等[2]，其中技术速度、停站方案、开行方案受运输需求及服务水平制约，因此本文仅从优化运行方式的角度开展研究。

列车在运行过程中可大致分为4种状态：牵引、巡航、惰行和制动。牵引是指列车在牵引力的作用下，速度增加的状态；巡航是指列车在牵引力（或制动力）与列车阻力共同作用下，速度维持不变的状态；惰行是指列车牵引力和制动力为零，仅在列车阻力作用下运行的状态；制动是指列车在制动力的作用下，速度降低的状态[3]。

城市轨道交通线路的区间距离较短，一般在0.7～2.5 km。当区间无特殊限速区段时，列车一般

作者简介：于晓杰.天津中铁电气化设计研究院有限公司，高级工程师。 128

采用“牵引-巡航-惰行-制动”、“牵引-巡航-制动”和“牵引-惰行-制动”3种运行方式。目前，列车驾驶模式主要为ATO，即在司机监视下的自动驾驶模式，列车的启动、加速、巡航、惰行、制动、精确停车均由列车控制系统控制[4]。在ATO模式下，列车运行方式一般是“牵引-巡航-制动”或“牵引-巡航-惰行-制动”；在实测运行过程中，惰行所占的比例很低，存在较大的优化空间。

1 案例分析

1.1 列车实际运行方式与牵引能耗

通过收集国内某典型线路的列车速度、网压、网流等实测数据，分析其运行方式及牵引能耗。

（1）线路基本情况。线路全长23 km，共设22座车站，最大站间距1.59 km，最小站间距0.78 km，平均站间距1.1 km，车辆采用6节编组（4M2T）B型车，最高运行速度80 km/h，供电方式为DC 1 500 V接触网供电，驾驶模式ATO。

（2）列车实际运行方式分析。列车在区间运行时，基本采用“牵引-巡航-制动”的运行方式，表1为典型区间纵断面数据，图1展示了典型区间列车实测运行速度与电流关系曲线。

城市轨道交通列车节能运行优化研究 于晓杰 供变电

表1 典型区间纵断面数据

坡度/‰ 坡长/m 里程/m

-2 166 166 -22 500 666 13 194 860 22 356 1 216 -2 135 1 351

施避免超速；即将进站时，列车由牵引工况立即转换为制动工况。ATO驾驶模式没有充分利用线路设置节能坡，导致列车多次转换牵引制动工况，造成能源浪费。

（3）列车牵引能耗。单列车在各区间实测运行时间、给电时间、给电能耗、再生能耗见表2，单列车全线往返运行一趟实测统计结果见表3。 1.2 仿真分析 1.2.1 仿真软件验证

以实测列车运行方式为参照，进行仿真模拟计

实测速度实测电流000算，对牵引计算仿真软件的准确性进行验证。以车站19→车站18区间为例，图2和图3展示了模拟与实测列车速度、时间和电流曲线对比情况。由图可知，牵引计算仿真软件能够准确地进行模拟计算。

图1 典型区间列车实测运行速度与电流关系曲线

从以上图表可以看出，该典型区间设置了节能坡，即出站设置了22‰的下坡，进站设置了22‰的上坡；列车达到运行等级要求的最高运行速度后，列车仍运行在下坡路段，此时列车采取制动措

表2 单列车分区间实测运行结果统计

站名 车站1 车站2 车站3 车站4 车站5 车站6 车站7 车站8 车站9 车站10 车站11 车站12 车站13 车站14 车站15 车站16 车站17 车站18 车站19 车站20 车站21 车站22

站间距 /km

运行时间/s 上行

下行

给电时间/s 上行

下行

给电能耗/(kW·h) 再生能耗/(kW·h) 上行

下行

上行

下行

1.59 114 116 1.18 85 86 1.35 94 94 0.88 73 72 1.02 80 79 0.83 6971

0.78 67 67 1.06 80 80 0.96 75 76 1.05 81 80 1.11 83 86 1.32 98 100 1.3 90 92 0.83 70 68 0.85 71 70 1.45 98 97 0.96 75 76 1.01 77 76 1.26 87 87 1.1 111 109 1.03 83 83

75 51 42 44

46 44 40 26 41 32 32 35 34 31 42 39 36 35 41 33 36 40 47 68 42 42 34 30 28 37 44 44 32 35 43 26 43 41 45 48

20.7 13.9 -6.7 -8.7 19.5 18.9 -9.3 -12.2 24.2 24.0 -12.3 -13.1 19.3 16.9 -7.0 -9.6 23.2 22.5 -7.2 -16.4 24.2 25.8 -14.3 -16.3 15.8 16.8 -9.2 -9.4 23.0 23.5 -11.6 -14.0 27.1 25.3 -9.3 -17.2 26.3 23.9 -14.8 -15.1 22.0 19.7 -11.4 -11.1 17.2 19.7 -11.5 -7.9 25.8 26.4 -15.9 -15.5 27.2 20.9 -14.5 -17.4 19.1 20.5 -11.6 -12.7 30.4 26.1 -18.2 -13.8 23.8 21.3 -14.0 -13.5 27.5 16.4 -12.3 -13.4 23.6 19.1 -11.8 -10.3 24.3 18.1 -13.2 -9.7

39 41 15.7 15.3 -8.0 -6.8

车站19→车站18 速度和时间对比表3 单列车全线实测运行结果统计

项目 上行 下行 给电能耗/ kW·h 479.9 434.7 再生能耗/kW·h -243.9 -264.1 运行时间/s 1 761 1 765

-1

技术速度/(km·h) 46.9 46.8

速度（km/h）时间（sec）90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 实测速度模拟速度实测时间模拟时间0 200 400 600 800 1,000 里程（m）-10 图2 典型区间模拟与实测对比（速度及时间）

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电气化铁道 电气化铁路及城轨交通牵引供电技术创新与发展论文集

车站19→车站18 电流对比电流（A）4,000 范围，避免不必要的制动以减少动能损失，达到降低牵引能耗的目的。 1.2.3 仿真优化结果

3,000 模拟电流2,000 实测电流1,000 经过优化，单列车全线往返运行一趟仿真统计

400 600 800 1,000 里程（m）0 0 -1,000 200 结果见表4，单列车在各区间仿真运行时间、给电时间、给电能耗、再生能耗见表5。仿真与实测运

-2,000 -3,000 行能耗对比见表6。

表4 仿真优化全线列车运行结果统计

项目 上行 下行 给电能耗/ kW·h 341.6 333.6 再生能耗/kW·h -182.2 -180.7 运行时间/s 1 761 1 764 技术速度/km/h 46.9 46.8

图3 典型区间模拟与实测对比（牵引及再生电流）

1.2.2 仿真优化原则

结合线路平纵断面条件，尽量充分利用线路设置的节能坡，在不降低技术速度的前提下，通过合理选择惰行点，运用惰行模式（牵引-惰行-制动），出站时充分利用下坡协助列车加速，进站时充分利用上坡协助列车停车，使列车运行速度保持在合理

表5 仿真优化区间运行结果统计

站名 车站1

车站2 车站3 车站4 车站5 车站6 车站7 车站8 车站9 车站10 车站11 车站12 车站13 车站14 车站15 车站16 车站17 车站18 车站19 车站20 车站21 车站22

站间距 /km1.59 1.18 1.35 0.88 1.02 0.83 0.78 1.06 0.96 1.05 1.11 1.32 1.3 0.83 0.85 1.45 0.96 1.01 1.26 1.1 1.03

运行时间/s 上行 下行 114 116 85 94 73 80 69 67 80 75 81 83 98 90 70 71 98 75 76 87 111 83

86 94 72 79 71 67 80 76 80 86 100 92 68 70 97 76 76 87 109 83

给电时间/s上行下行74 16 20 20 18 23 20 16 19 23 21 19 17 24 17 18 28 21 26 20 63 17

17 19 19 19 19 16 19 20 20 18 19 22 23 19 29 19 17 51 55 17

给电能耗/（kW·h） 上行下行25.8 11.2 15.1 15.6 13.9 18.4 15.2 11.5 14.6 18.1 16.6 14.6 12.6 19.0 12.2 14.2 23.0 17.0 20.7 15.6 15.1 12.7

12.6 14.6 14.5 15.0 14.7 11.2 14.2 16.0 15.4 13.8 15.1 17.4 18.3 15.1 23.2 15.1 13.1 34.8 15.9 12.7

再生能耗/（kW·h）下行上行 -9.5 -6.9

-5.9 -6.8 -7.4 -7.2 -9.1 -5.5 -7.6 -9.9 -7.8 -7.4 -7.2 -10.8 -9.7 -7.7 -12.3 -9.2 -6.8 -18.5 -10.4 -5.7

-7.1 -7.6 -7.7 -11.2 -7.8 -5.2 -7.5 -10.0 -9.4 -6.4 -4.7 -9.3 -8.1 -8.7 -14.3 -9.2 -12.6 -11.9 -9.9 -5.3

项目

给电能耗/（kW·h） 再生能耗/（kW·h） 总能耗/（kW·h） 运行时间/s

技术速度/(km·h-1)

计算值 上行

表6 仿真与实测运行能耗对比

实测值

上行

下行

上行

差值

下行

比例 上行

下行

下行

341.6 333.6 479.9434.7-138.3 -101.1 -29% -23%-182.2 -180.7 -243.9-264.161.7 83.4 -25% -32%159.4 152.9 236.0170.6-76.6 -17.7 -32% -10%1761 1764 1 7611 7650 -1 0% 0% 46.9 46.8 46.9 46.8 0 0 0% 0%

注：差值=计算值-实测值（下同），比例=差值/实测值×100%。

在不降低技术速度的前提下，通过仿真优化，

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给电能耗计算数据较实测上行降低了29%，下行下

城市轨道交通列车节能运行优化研究 于晓杰 供变电 降了23%；总能耗计算数据较实测上行降低33%，下行降低10%。为了更直观地展示优化前后变化情况，图4和图5展示了优化前后列车速度、时间和电流对比曲线。

车站1→车站2 速度和时间对比速度（km/h）时间（sec）130 120 110 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 运行距离（m）0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400 1,600 2 节能效益分析

通过优化列车运行方式，能够有效降低列车的牵引能耗，本节将探讨列车节能所产生的效益。在城市轨道交通牵引供电系统中，列车制动产生的再生能量能够被相邻列车吸收或被再生能量利用装置吸收利用，无法吸收的部分则被制动电阻消耗。因此，考虑经济效益时需要综合考虑列车牵引能耗

惰行模式时间实际运行速度实际运行时间和再生能量。本文考虑如下两种情况：（1）再生能量完全被吸收；（2）再生能量50%被吸收，计算单列车牵引综合能耗，并计算经济效益。

假设线路单日列车运行260对，城市轨道交通

惰行模式速度系统电价为0.65元/ kW·h，计算结果如表9所示。可以看出，仿真优化后每年可节省电费500～1 000万元。

表7 实测与仿真各阶段里程及时间

实测 仿真 差值

牵引里程/m 13 576 7 604 -5 972 巡航/惰行里程/m18 258 32 011 13 753 制动里程/m 13 885 6 226 -7 659 牵引时间/s 1 204 830 -374 巡航/惰行时间/s 932 1 890 958 制动时间/s 1 390 805 -585 表8 实测与仿真各阶段里程及时间占比 %

实测 仿真 差值

牵引里程占比 29.7 16.6 -13.1 巡航/惰行里程占比39.9 69.8 29.9 制动里程占比 30.4 13.6 -16.8 牵引时间占比 34.1 23.5 -10.6 巡航/惰行时间占比26.4 53.6 27.2 制动时间占比 39.4 22.8 -16.6

图4 优化前后列车速度及时间对比

车站1→车站2 电流对比电流（A）3,000 2,500 2,000 1,500 1,000 500 0 0 200 400 600 800 1,000 1,200 1,400 1,600 -500 -1,000 -1,500 -2,000 -2,500 运行距离（m）惰行模式电流实际运行电流 图5 优化前后列车牵引及再生电流对比

列车运行按照牵引、巡航/惰行、制动3阶段划分，分别统计实测与仿真优化各阶段里程、时间数据（表7）及所占比例（表8）。可以看出，仿真优化后牵引及制动距离、时间占比减少，惰行距离、时间占比增加，从而实现了节能运行优化目标。

计算值

项目 综合 能耗1 综合 能耗2

/(kW·h) 上行 159 250

下行 153 243

实测值/(kW·h) 上行236 358

下行 171 303

计算值-实测值

/(kW·h) 上行-77 -108

下行 -18 -60

表9 节能效益分析结果

单车降低能耗/（kW·h）

95 168

单日列车对数260 260

单日节约能耗/（kW·h） 24 692 43 680

年节约能耗 /（kW·h） 9 012 653 15 943 200

年节省电费/万元 586 1 036

注：综合能耗1 = 给电能耗 + 再生能耗，综合能耗2 = 给电能耗 + 0.5×再生能耗。

3 结论

本文基于列车实际运行方式，分析了ATO驾驶模式下列车实际运行控制中存在的不足，在维持技术速度不变的前提下，提出了结合线路条件优先采用惰行模式的优化建议，通过仿真模拟验证了优化方案的效果：通过优化，给电能耗计算数据较实

测上行降低了29%，下行下降了23%，并通过分析其综合能耗，每年可节省大量电费支出。

值得注意的是，当出现列车晚点或其他情况，要求列车提高技术速度时，列车可以采用“巡航模式”，并提高列车运行等级（巡航速度），以提高区间列车技术速度，保证列车正点运行[5]。

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电气化铁道 电气化铁路及城轨交通牵引供电技术创新与发展论文集

参考文献：

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[3] 李磊. 基于直流牵引供电计算的地铁列车节能运行优化研究[D]. 北京：北京交通大学，2018.

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（上接第127页）

因此，为避免或减少杂散电流对结构钢筋、沿线金属管线可能造成的腐蚀危害，及时识别并对所识别的杂散电流流通通路采取完备的隔离措施是非常必要的，其带来的社会效益是潜移默化且是不可估量的。

腐蚀防护的主要方式。因此，采用架空地线及接地贯通线分段设置方案对后续新建类似工程以及既有工程的改造优化是非常必要的，需要结合工程条件，进一步开展针对性实施方案研究并纳入到工程实施中。

参考文献：

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[3] EN 501119 Railway applications -Fixed installations —Electric traction overhead contact lines.

[4] EN 50122-1 (Part1~Part2) Railway applications - Fixed installations -Electrical safety, earthing and the return circuit.

7 结语

随着施工建设及运营开通线路的日益增多，城市轨道交通不断向着更加安全、可靠的目标发展，专用回流轨等供电系统模式也为彻底解决杂散电流腐蚀防护问题提供了更加广阔的思路和选择，但由于建设条件和改造条件等综合因素，在仍然采用走行轨作为回流通路的直流牵引供电系统工程中，深化识别研究、制定解决措施仍然是目前杂散电流

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