Research on Energy-saving of Flexible Selection Group of

Metro Vehicles

Abstract：With the continuous development of modern urban rail transit and the increasing use of subway vehicles, energy saving and emission reduction have become the new focus of attention. The passenger traffic volume of subway vehicles changes significantly with time, and the passenger load capacity changes very much. The passenger load capacity can reach AW3 working conditions (8 people per square meter station) during the peak period, and the passenger load capacity will be lower than the AW1 working condition during the trough period ( No standing person). In response to this situation, subway operating companies will consider increasing the interval between train trips to reduce energy consumption. However, this method will result in longer waiting time for passengers and poorer ride experience. In view of the above problems, this paper firstly studies the flexible selection of subway vehicles, and proposes an energy-saving design that maintains the operating interval unchanged, realizes flexible selection of passenger cars for grouping through vehicle control, and performs power supply isolation control for vehicle auxiliary systems. Then, the energy saving control of the auxiliary load of the subway vehicle is analyzed and the energy saving data of the auxiliary load of the subway vehicle is calculated. Finally, an energy-saving flexible selection grouping isolation scheme of metro is given.

Keywords: metro, flexible grouping, power supply isolation, energy saving

0 引言

绿色环保、节能降耗一直是中国发展的焦点，而地铁车辆运营一方面要考虑节能降耗^[1-3]，另一方面也要考虑乘客舒适性，这两方面需要均衡考虑^[4-6]。因此本文提出的地铁车辆节能控制策略是结合地铁线路实际的运营客流量进行开展的，如图1所示的载客量统计可以看出（图中纵坐标数量1为每节车厢250人），在客流量低谷期，如早上5:00，下午14:00，15:00时期，地铁列车每节车厢的载客量只有50人左右，此时则可以考虑关闭一节车厢，降低该车厢的辅助系统非关键负载运营能耗，而此时每节车厢的乘客也不会增加很多，能够保证旅客乘坐的舒适性。由于这一节车厢不投入载客，因此我们考虑可以关闭该节车厢的用电量较大的空调系统、客室电加热系统、客室照明系统和客室广播以及乘客信息显示系统的一些非关键负载设备，以此达到节能的目的。

图1 某地铁线路载客量统计图

1灵活选择编组节能运行设计

为了能够更好的对车辆编组进行节能选择，在运营闲时客流量小的情况下对单节或多节车厢的辅助系统非关键负载进行控制关断，本文对此提出智能化的设计。

1.1车辆本地控制隔离车厢

地铁车辆TCMS系统HMI显示屏增加节能运行界面(图2)。在此界面下，当激活端司机室的司机根据实际客流量情况操作某一或多个车厢进入隔离节能模式运行时，TCMS系统将隔离指令发送给空调系统、电加热系统、客室照明系统和乘客信息显示系统，将被隔离车厢的这些非关键负载全部关闭，同时也将指令发送给被隔离车厢的客室车门门控器，将客室门隔离不再开启，同时将车外车门警示灯亮起。当然司机也可以自行选择要单独关闭的负载而不是同时关闭全部。

图2  节能运行界面

1.2运营控制中心远程控制隔离车厢

运营调度也可在运营控制中心通过车地通讯系统远程控制车厢隔离，隔离信息发送给列车TCMS系统后，TCMS控制被隔离车厢关闭空调系统、电加热系统、客室照明系统和乘客信息显示系统，客室车门不进行打开控制。

2地铁车辆辅助负载节能控制分析

以六节编组的不锈钢B型地铁车辆为例，车辆辅助系统由空调，制热，照明，列车控制，制动，信号，无线电台，列车广播和乘客信息显示系统等组成，系统用电包括AC380V，DC110V和DC24V。具体各系统设备功率参见下表。

表1 整车辅助系统网侧功率统计表

表2 辅助系统AC380V负载网侧功率统计表

表3 辅助系统DC110V负载网侧功率统计表

表4 辅助系统DC24V负载网侧功率统计表

根据上述表格可看出地铁车辆辅助系统交流负载功率占整车辅助系统功率的比例最大，冬季工况占86.43%，夏季工况占93.03%。而直流DC110V负载功率和直流DC24V负载功率占整车辅助系统功率的比例很小。因此地铁车辆辅助系统节能控制策略主要以交流负载节能控制为主，以直流负载节能控制为辅。

2.1 空调系统负载节能控制

空调系统主要由空调压缩机，冷凝风机，通风机，主动废排组成。其中夏季空调压缩机，冷凝风机，通风机，主动废排全部工作，负载网侧总功率为210.03kW，占整车辅助系统功率82.1%，而冬季只有通风机，主动废排工作，负载网侧总功率为20.9kW，占整车辅助系统功率15.9%。

（1）压缩机，冷凝风机和通风机节能控制

每节车厢设有两个空调机组，每个空调机组内含各两个压缩机，冷凝风机，通风机。当客流量小地铁公司运营需求将某节车厢隔离，禁止乘客登乘时，地铁车辆运营控制中心通过信号系统远程控制或者司机在激活端司机室TCMS系统HMI显示屏上单独对使用空调的车厢进行选择停机（如图3），使隔离车厢空调停止工作，达到节能的目的。

图3  TCMS系统HMI显示屏空调界面

（2）主动废排节能控制

地铁车辆主动废排装置是用于配合空调系统进风量，调节客室内气压的装置。主动废排完全跟随空调系统通风机工作状态运行。当地铁车辆运营控制中心通过信号系统远程控制或者司机在激活端司机室TCMS系统HMI显示屏上关闭某节车空调系统，空调通风机会关闭，同时空调控制器控制对应车厢主动废排装置停机，既保证了客室内气压控制又减少能耗。

（3）制热系统负载节能控制

制热系统主要负载是客室电热器，负载网侧总功率为60kW。夏季制热系统处于关闭状态。冬季制热系统工作，保证车内温度适宜，占整车辅助系统功率45.64%。当客流量小地铁公司运营需求将某节车厢隔离，禁止乘客登乘时，TCMS系统HMI显示屏上可增加车厢客室电热器隔离选项，TCMS系统通过网络将控制信号传输给目标车厢空调控制器，空调控制器通过控制客室电热器主接触器的方式关断目标车厢客室电车厢。地铁车辆运营控制中心通过信号系统远程控制或者司机可在激活端司机室灵活对目标车厢客室电热器进行远程隔离，达到节能目的。

2.3 照明系统节能控制

照明系统主要负载是客室灯和贯通道灯，负载网侧总功率为4.71kW冬季和夏季分别占整车辅助系统功率3.58%和1.84%。

（1）客室灯节能控制

当客流量小地铁公司运营需求将某节车厢隔离，禁止乘客登乘时，TCMS系统HMI显示屏上可增加车厢客室灯隔离选项，TCMS系统通过网络将控制信号传输给目标车厢客室照明控制器，客室照明控制器控制关断目标车厢客室灯。地铁车辆运营控制中心通过信号系统远程控制或者司机可在激活端司机室灵活对目标车厢客室灯进行远程隔离，达到节能目的。

（2）贯通道灯节能控制

地铁车辆贯通道灯用于车辆间贯通道处照明。目前仅采用司机远程集控开关。因客室灯已有节能方案，可将贯通道灯接入客室照明系统，由客室照明控制器统一管理，达到节能目的。

2.4 列车广播和乘客信息显示系统节能控制

列车广播和乘客信息显示系统包括司机室广播控制主机，广播触摸屏，客室广播控制主机，端部LED显示器，终点站LED显示器，客室端部LED显示器，LCD动态地图等设备。用于列车广播，紧急对讲，列车内外信息显示。负载网侧总功率为2.53kW。冬季和夏季分别占整车辅助系统功率1.92%和0.99%。

列车广播和乘客信息显示系统设备分关键负载和非关键负载。非关键负载如端部LED显示器，客室端部LED显示器。如地铁公司运营需求将某节车厢隔离，禁止乘客登乘。TCMS系统HMI显示屏上可增加车厢内显示设备隔离选项，TCMS系统通过网络将控制信号传输给司机室广播控制主机，司机室广播控制主机将信号发送给目标车厢客室广播控制主机，客室广播控制主机控制显示设备息屏。地铁车辆运营控制中心通过信号系统远程控制或者司机可在激活端司机室灵活对目标车厢客室显示设备进行远程隔离，达到节能目的。而关键负载如司机室广播控制主机，终点站LED显示器，广播触摸屏，客室广播控制主机，这些设备涉及行车调度，列车紧急广播，紧急对讲等安全相关功能，不建议对其断电用于节能。

2.5 车门系统节能控制

地铁车辆车门系统用于乘客上下车，为提升地铁线路客流量，地铁车辆一般停站时间为30秒，因此地铁B型车一节车厢单侧一般设置4个客室车门，六节编组车辆单侧24个客室车门，整列车48个客室车门。车门门控器待机功率很小，整列车网侧总功率共1.16kW。但客室车门开关过程中，由于驱动电机工作功率会变大。单个车门开关动作时网侧功率约为0.12kW，整列车单侧24个客室车门集控开关时，总功率可达3.48kW。当客流量小地铁公司运营需求将某节车厢隔离，禁止乘客登乘时，TCMS系统HMI显示屏上可增加客室车门隔离选项，TCMS系统通过网络将控制信号传输给目标车厢主门控器，主门控器对一节车内的8个车门进行隔离控制。地铁车辆运营控制中心通过信号系统远程控制或者司机可在激活端司机室灵活对目标车厢客室车门远程隔离，达到节能目的。

3地铁车辆辅助负载节能数据计算

3.1运营状况分析

常规6节编组B型地铁车辆载客量如表5所示。

表5 B型地铁车辆载客量

某地铁线路车辆载客量统计如图1所示。每天有4个时间段6小时载客量仅为22%，根据表5计算可得闲时人数约为（1460×0.22）≈321人。当隔离一节TC车厢时，还有220个座位。基本满足乘客乘车舒适性需求。

3.2辅助负载隔离节能计算

假定地铁车辆运营每日闲时6个小时，对一节地铁车厢隔离，关断辅助系统非关键负载。对一列车地铁车辆节能情况进行计算。由于空调制冷和客室车门开关不属于持续工作负载，需单独计算。因此计算分为3部分。

（1）负载1（除空调制冷和客室车门开关外）

除空调制冷和客室车门开关门能耗冬季和夏季关断一节车每天可节省电量参见表6所示。

表6 单节车可隔离负载能耗表

（2）负载2（空调制冷）

空调的制冷工况跟地铁站间距，地铁停站开门时间，车外温度和车内温度有关。以夏季极限环境半冷工况为例：

l  每天车辆隔离一节车厢运行时长：6h；

l  1节车厢2个空调机组；

l  每个机组制冷量29kW；

l  能效比2.3；

l  最大功率折算系数1.25；

l  空调平均半冷工况。

根据上述条件，可计算出夏季关断一节车空调制冷每天可节省电量W2为：（29/2.3*1.25*2/2*6）=94.57kWh。

（3）负载3（客室车门开关）

车门由于不是恒定负载，只有开关时功率较大，需单独计算能耗。

l  每天车辆隔离1节车厢运行时长：6h；

l  车辆平均旅行速度：34km/h；

l  站间距平均：2.5km；

l  单个客室车门开关门动作网侧功率：0.145kW；

l  1节车厢单侧客室车门数量：4；

l  完成一次开关客室车门所需时间：7s。

根据上述条件，可计算出如下数据：

l  1列车每天开关客室车门次数：6*34/2.5≈82次；

l1列车每天开关客室车门动作总时长：82*7/3600≈0.16h；

l  1节车厢单侧4个客室车门开关动作网侧功率：0.145*4=0.58kW；

l  1节车厢每天开关客室车门网侧能耗：0.58*0.16≈0.09kWh。

因此关断一节车厢客室车门开关每天可节省电量W3为0.09kWh。

根据表6，空调制冷节能计算和客室车门开关节能计算得下表7。

表7 隔离一节车厢辅助系统非关键负载节能统计

因此，若地铁车辆运营每天闲时6小时，隔离一节车厢辅助系统非关键负载，冬季每天节能144.82kWh，夏季每天节能102.45kWh。

常规项目每天20列车在线运营，冬季每天节能2896.67kWh，夏季每天节能2048.94kWh。

4节能型灵活选择编组隔离方案

为了能够在车辆运营过程中更好的实施灵活选择编组方案，既不打乱地铁车辆运行图，又不会降低乘客乘车的舒适性、便捷性，本文从多个方面考虑，在车站和列车上为乘客提供及时的车辆运行信息和可控的隔离方案，具体分为车站与车辆两大部分。

4.1 车站部分

（1）车站站台乘客信息显示系统及时为乘客显示隔离车辆信息，如站台上的LCD显示屏显示“下一趟列车2分钟后达到，为4节短编组车辆，第5、6节车不载客，请注意车厢位置乘车”。

（2）车站屏蔽门可根据车厢隔离信息通过信号系统控制对应的屏蔽门不开启，以免乘客误入隔离车厢。

4.2 车辆部分

（1）客室车门可根据隔离控制指令不开启隔离车厢的车门，以免乘客误入隔离车厢，同时可将车外车门隔离警示灯亮起。

（2）隔离车厢端部可设置隔离门，见图4所示，阻止乘客不要进入被隔离车厢。

图4  乘客隔离门

（3）未隔离车厢的广播系统将被隔离车厢的信息显示在端部贯通道LED显示屏（图4）、车外LED显示屏（图5）等信息显示系统上，用于提醒乘客不要进入被隔离车厢。

图5 车内端部贯通道LED显示屏

5 结论

通过上述分析，在地铁车辆运营闲时客流量小的情况下对单节或多节车厢的辅助系统非关键负载进行控制关断进而对车辆辅助系统进行供电隔离控制这一方式能够使地铁车辆灵活选择编组并有效达到节能减排的目的，而且车辆能够在隔离状态下使乘客乘车的舒适性、便捷性得到保障。

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