城市轨道交通电气系统节能优化策略研究

1 城市轨道交通电气系统概述

城市轨道交通电气系统是保障列车安全、高效、准点运行的核心支撑体系，其功能覆盖从电能获取、转换、传输到终端设备用电的全过程。系统主要由外部电源引入、主变电所、牵引供电系统（含牵引变电所、接触网/第三轨）、动力照明系统、环控系统、通信信号系统及综合监控系统等子系统构成。其中，牵引供电系统负责为列车提供驱动电能，是能量消耗的主体；动力照明与环控系统则保障车站及区间环境的舒适性与安全性。各子系统在 SCADA 系统等综合监控平台的统一协调下实现联动运行，构成一个高度集成、实时响应的复杂电气网络。

2 城市轨道交通电气系统能耗现状

2.1 能耗构成分析

城市轨道交通电气系统的能耗结构具有明显的非均衡性。根据实测数据统计，牵引能耗通常占据总能耗的 40%-50% ，是最大的单一耗能环节，其大小与列车运行密度、速度曲线、载客量及线路坡度密切相关。动力照明系统紧随其后，占比约 20%-30% ，尤其在地下车站，照明与通风需求持续且强度高。环控系统（通风与空调）能耗占比约为 15%-25% ，在夏季高温或地下深埋线路中尤为显著。剩余能耗则分散于通信、信号、自动售检票等弱电系统。值得注意的是，各系统间存在耦合效应，例如环控负荷的增加会间接提升动力系统的供电需求，而牵引系统的瞬时大功率需求可能导致电网电压波动，影响其他设备的稳定运行。

2.2 主要能耗来源及其影响

牵引系统的能耗主要源于列车在启动、加速阶段的高功率输出以及制动过程中的能量耗散。传统电阻制动方式将动能转化为热能释放，造成大量能量浪费。此外，牵引变电所的变压器、整流器等设备在电能转换过程中存在固有损耗，尤其在低负载率工况下效率偏低。动力照明系统中，老旧灯具（如荧光灯、高压钠灯）光效低、寿命短，且缺乏智能调光功能，导致“长明灯”现象普遍。环控系统风机、水泵的电机多采用定频运行，无法根据实际温湿度、客流密度动态调节风量与水流量，造成“大马拉小车”的能源浪费。这些高能耗模式不仅推高了运营成本，加剧了城市电网的峰谷负荷压力，也与“双碳”目标下的绿色交通发展要求相悖。

3 节能优化策略

3.1 优化电气设备的选型与配置

设备选型与系统配置是轨道交通节能设计的基础环节，直接影响整体能源利用效率。在系统规划阶段，应依据负荷特性与运行工况，科学选择高效低损的电气设备，从源头控制能耗水平。牵引供电系统中的核心设备，如牵引变压器，应采用具有低铁损与铜损特性的材料，以降低空载与负载状态下的能量损耗。整流机组的脉波数配置需满足高功率因数与低谐波畸变率的要求，通过提升电能质量减少无功损耗与设备发热。动力照明系统应以高光效光源与高效镇流器为基础，结合合理的照明布局与控制策略，实现照明能耗的系统性降低。环控系统设备的能效水平直接关系到站内环境调节的能耗强度，冷水机组、风机及水泵等设备应符合国家能效标准的最优等级，并根据系统负荷动态变化特性进行容量匹配，避免因设备冗余导致的低效运行。

3.2 实施智能控制技术

智能控制技术的应用是实现轨道交通系统精细化能耗管理的核心手段。通过构建集成化的能源管理平台，融合运行计划、环境监测与设备状态等多源信息，实现对能源使用的动态调控。系统依托传感器网络实时采集环境参数与客流变化，结合列车运行图与设备运行状态，建立多变量耦合的控制模型，对牵引、环控与照明等子系统的运行策略进行协同优化。在牵引控制方面，基于运行间隔与速度曲线的优化算法，可减少列车频繁加减速带来的能量浪费，实现运行过程的平稳与高效。环控系统根据环境参数与空间使用状态，自动调节设备运行模式与输出功率，避免过度供冷、供热或通风。照明系统依据自然光照强度与区域人流量，实施分级调光与分区控制，确保照明水平满足功能需求的同时避免无效照明。监控系统对全线路能耗数据进行连续采集与分析，识别异常能耗模式并触发预警机制，支持运维人员及时干预。

3.3 推广再生制动技术

再生制动技术是轨道交通系统实现能量回收与循环利用的关键途径。在列车实施制动过程中，牵引传动系统通过控制策略转换运行模式，将机械动能转化为电能并反馈至牵引供电网络，从而减少机械制动带来的能量耗散。该技术的有效性依赖于供电系统的能量接纳能力与再生电能的消纳路径。为提升再生能量的利用率，需在牵引变电所配置具备快速响应特性的储能装置，用于吸收瞬时过剩的再生电能，并在列车启动或加速时释放储存能量，实现能量在时间维度上的转移与再利用。储能系统与牵引供电网络的协调控制可有效抑制电压波动，维持供电质量稳定。对于无法就地消纳的再生电能，可通过双向能量变换装置实现与外部电网的能量交互，提升能源系统的开放性与灵活性。同时，列车运行组织策略应与能量回收目标相协调，通过优化发车间隔与运行时序，增加相邻列车在牵引与制动状态下的时空匹配概率，提升再生电能在系统内部的直接利用比例。

3.4 完善系统运行与维护管理

系统运行与维护管理是保障节能措施长期有效实施的重要支撑。建立覆盖设备全生命周期的能源管理体系，明确各环节的能耗控制目标与管理责任，形成制度化、规范化的运行机制。运行策略的制定应基于系统实际负荷特性与外部环境变化，动态调整设备启停时间与运行模式，避免设备空载或低负荷运行造成的能源浪费。定期开展设备状态监测与性能评估，利用红外热成像、局部放电检测等非侵入式手段，及时发现连接部件接触不良、绝缘老化等导致附加损耗的隐患，并实施预防性维护，确保设备处于高效运行状态。能耗数据的采集与分析是管理决策的基础，通过建立能耗基准与对标机制，识别能耗异常站点与高耗能设备，为节能改造提供依据。运维人员需接受系统化的节能技术培训，掌握设备能效特性与优化操作方法，提升现场执行能力。

4 结语

城市轨道交通电气系统的节能优化是一项涉及多专业、多环节的系统性工程。通过对牵引供电、动力照明及环控等主要能耗系统的深入分析，表明在设备选型、运行控制、能量回收与管理维护等层面均存在显著的节能潜力。实施高效设备配置可从源头降低能耗基数，智能控制技术的应用实现了能源使用的动态匹配与精细调节，再生制动技术有效提升了能量利用效率，而科学的运维管理体系则保障了节能效果的持续性与稳定性。上述策略的协同推进，不仅有助于降低运营成本，减轻电网负荷，更对实现城市交通领域的碳减排目标具有重要意义。未来，随着电力电子、储能技术与人工智能的进一步发展，电气系统节能将向更高层次的集成化、智能化方向演进，为城市轨道交通的绿色可持续发展提供坚实支撑。

参考文献：

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