本文是一篇电力论文，本文依托“三亚有轨电车综合运营节能技术研究”项目，在国内外城市轨道交通节能技术既有研究成果总结的基础上，结合国内高校与企业在城市轨道交通发展中产学研合作模式。
1绪论
1.1研究背景及意义
我国是人口大国，更是能源消费大国，节能潜力巨大。根据第七次全国人口普查结果，截至2021年5月11日，全国人口总人口约为14.43亿人，我国单位GDP能耗是世界平均水平1.5倍，多地能耗总量超标。根据交通运输部发布的数据显示，截至2021年12月31日，全国51个城市共计开通运营269条城市轨道交通线路。据相关数据统计，城市轨道交通系统中，列车的牵引能耗和通风空调系统的电能消耗分别占据轨道交通系统总能耗的1/2和1/3，电费成本占企业运营成本的42%以上[1]。国家“十四五”规划目标纲要将“单位GDP能源消耗降低13.5%”作为国家经济和社会发展的主要约束性指标之一，在实现“碳达峰碳中和”的战略目标背景下，城市轨道交通节能减排势在必行，助力于降低企业在“清洁发展机制”下的“碳定价”，减少额外的成本支出。
随着我国城市化进程的推进，空气污染、交通拥堵、土地资源紧张和能源危机等问题成为制约城市发展的主要因素。为了应对未来城市问题的恶性发展，城市轨道交通的相继出现在国内许多城市中。城市轨道交通具有载客量大、出行方便、能源利用率高、土地资源利用率高、污染小等优点，从而发展城市轨道交通成为国内外许多地区缓解城市问题的有效途径。城市轨道交通指的是采用专用轨道结构进行承重和导向的城市客运公共交通工具，具体包括地铁、轻轨、单轨、有轨电车等系统。不同制式城轨线路单位车公里总能耗，单位人公里总能耗、单位车公里牵引能耗、单位人公里牵引能耗以及牵引能耗占比指标，统计如表1.1所示[2]。
1.2国内外研究现状
1.2.1能耗测算方面
能耗测算为城市轨道交通企业能耗的系统化管理提供指导。自上世纪七十年代以来，国内外学者就能耗测算问题开展了相关研究，并取得了一些成果。目前轨道交通能耗测算模型主要分两类：一类是从微观角度基于线路条件和车辆属性建立考虑能耗影响因素的动力学方程进行牵引能耗计算：另一类是从宏观角度基于历史能耗相关数据建立考虑能耗影响因素的回归方程进行能耗的测算。
Edstrand J以列车数量和速度，线路坡度及客流量为输入量，整流站的过载风险和负荷水平为输出，在MATLAB仿真环境下，搭建了有轨电车供电系统负荷模型。通过案例分析，该模型测算误差为5%-10%[5]。
Popova S等人基于多层神经网络(Multilayer Perceptron,MLP)结合反向传播学习方法(Backpropagation)构建有轨电车能耗预测模型，并通过已知能耗相关数据对模型进行训练。通过案例分析，该模型对有轨电车短期用电负荷预测误差为1%[6]。
Guarnaccia C等人分别搭建了基于人工神经网络(Artificial Neural Network,ANN)的有轨电车能耗预测模型，和基于时间序列分析法(Time Series Analysis,TSA)的能耗预测模型。通过案例分析可知，ANN模型预测精度高，但模型输入量较多，模型运算量较大；TSA模型预测精度较低，但模型输入量少，运算量较小[7]。
Streit L等人以牵引电机转矩特性、列车阻力、机械转换效率和有轨电车重量为输入，速度和行驶距离为输出，构建动力学方程模型。案例分析表明，模型适用于储能设计、电力管理测试、架空线路损耗确定和供电优化[8]。
2现代有轨电车综合运营能耗组成及其影响因素分析
2.1现代有轨电车及其供电系统概述
现代有轨电车指经传统有轨电车全面升级改造而来地一种先进交通方式，是城市轨道交通线路制式之一。
本文研究内容基于三亚有轨电车T1示范性，线路全长约8.37km，共设车站15座，平均站间距为593m，最大站间距931m，最小站间距343m，线路单程运行时间约为35分钟。车辆由5节车厢编组而成，最大承载362人/列。车辆设计时速70千米/小时，市区最大行驶速度因道路限速将控制在50千米/小时。车辆全程无网运行，车载超级电容采用正负1500伏直流供电并储能，当车辆经过站台，仅需30秒即可充满电量。
图2.2为现有三亚有轨电车T1示范线供电系统拓扑结构，沿线地区城市配电网络采用10kV电压等级，各开闭所引入一路10kV电源，集中整流站内设置AC/DC转换装置，通过变压和整流将10kV交流电源整定为直流1500V，变流机组整定后的直流电源通过直流电缆分别引至设置了充电装置的车站，通过DC/DC充电装置斩波转换，供车辆车载超级电容充电使用，这部分能耗统称为车辆运行能耗。集中整流站设置有降压变电所，通过低压电缆将降压变电所的低压电源分别引至各个车站的低压开关柜和办公房、设备房，给车站提供动力照明电源以及办公房、设备房用电，这部分能耗统称为配电系统能耗[3,36]。
2.2现代有轨电车综合运营能耗组成
通过对现代有轨电车及其供电系统概述，将现代有轨电车综合运营能耗分为车辆运行能耗和配电系统能耗。
(1)车辆运行能耗特征分析
图2.3为现代有轨电车运行电能传输过程。车辆运行所需能耗由城市电网传输而来的电能（净能耗）经牵引变电所降压整流后传输至1500V中压环网。在传输过程中，因电网耗散电阻存在，会产生基础设施损耗。剩余电能经由第三轨给车载超级电容充电。同时，列车制动产生的再生能也会部分回馈至车载超级电容。列车运行所需的能耗为净能耗与利用的再生能之和减去基础设施损耗。
统计2021年不同月份相同开行列次的车辆运行能耗的分项能耗占比，以车辆运行能耗为分母基准值，如表2.3所示。其中，牵引能耗、通风空调能耗、辅助能耗及再生能均为1个月内车载设备获取的实时能耗累加值。
从表2.3中可以看出，牵引能耗占比为80%~91%。引起牵引能耗占比差异的因素包括技术速度和满载率。T1示范线3月份牵引能耗较7月份略大，原因在于客流量受季节因素影响明显，波动较小的原因在于车辆全年满载率较低。
通风空调能耗占比为9%~20%，波动较大，主要受环境温度影响。T1示范线线7月份辅助能耗较3月份高近10%，这是由于夏季环境温度增长，引起车载空调耗能增加。
辅助能耗占比占比较为固定，这是因为在车辆开行列次相同的月份，车载辅助设备功耗差异不大的原因。
3现代有轨电车综合运营能耗管理系统..........................15
3.1系统功能需求分析........................15
3.2能耗预测模型.................................16
4现代有轨电车综合运营能耗影响因素量化分析.......................33
4.1运营组织因素对综合运营能耗影响量化分析..............................33
4.1.1车辆开行列次影响分析................................33
4.1.2满载率影响分析...............................34
5现代有轨电车节能策略分析.................................40
5.1优化车辆开行列次..........................40
5.2优化通风空调系统运行模式..........................41
5现代有轨电车节能策略分析
5.1优化车辆开行列次
统计三亚有轨电车T1示范线日开行列次计划，如表5.1所示。
通过表5.1可知，早高峰和晚高峰时段发车间隔均为10min，平峰时段发车间隔为12min。在不影响服务质量的前提下，调整不同时段车辆开行列次，以达到节能减排的目的。
(1)调整高峰时段车辆开行列次
高峰时段发车间隔又原来10min调整为12min，调整后高峰时段车辆开行列次为40车次，相比调整之前减少8车次，结合第4章车辆开行列次影响分析可知，优化高峰时段车辆开行列次后，理论上日总能耗减少167.12kWh。
(2)调整平峰时段车辆开行列次
平峰时段发车间隔又原来12min调整为15min，调整后平峰时段车辆开行列次为88车次，相比调整之前减少22车次，理论上日总能耗减少459.58kWh。
通过现代有轨电车综合运营能耗管理系统对调整后的车辆运行能耗进行预测，然后与调整前列车实际能耗进行比较。以2021年12月10日数据为例，当日总能耗为8496kWh，而调整车辆开行列次后，通过预测模型可知，当日系统总能耗为8138.43kWh，与理论值误差为3.42%，节能潜力约为8.0%。
结论
本文依托“三亚有轨电车综合运营节能技术研究”项目，在国内外城市轨道交通节能技术既有研究成果总结的基础上，结合国内高校与企业在城市轨道交通发展中产学研合作模式，文章对城轨交通能耗测算和节能策略进行了综述，开发了现代有轨电车综合运营能耗管理系统，并对影响现代有轨电车综合运营能耗的因素进行了定量分析，给出了现代有轨电车节能优化的技术实现过程。主要工作总结如下:
(1)综述了我国城市轨道交通各制式电耗指标，从经济学角度分析了城轨交通节能减排的目的和意义，阐述了国内外关于城轨列次能耗测算以及节能策略的相关研究，为本文的研究奠定基础。
(2)定性地分析了现代有轨电车综合运营能耗的组成及其影响因素。从电能消耗主体的角度划分，现代有轨电车综合运营能耗主要包括车辆运行能耗和配电系统能耗两部分。能耗影响因素主要分为基础设施因素、运营组织因素和环境因素三方面。其中，基础设施因素分为供电系统、线路条件、交通状况和车辆属性；运营组织因素分为车辆公里数、开行列次、客流量、满载率和技术速度；环境影响因素分为环境温度、环境湿
