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

1.1 电气系统组成与功能

城市轨道交通电气系统是一个集供电、牵引、控制、信号、通信等子系统于一体的复杂网络，其核心功能是为列车运行提供稳定、可靠的电能，并确保整个运营系统的安全与高效。供电系统通常采用 110kV 或 220kV 高压电网接入，经主变电所降压后，通过中压环网向牵引变电所和降压变电所供电。牵引变电所将交流电转换为直流电，供给接触网或第三轨，驱动列车运行。同时，信号系统、通信系统、照明系统、通风空调系统等辅助设备也依赖电气系统提供电力支持。各子系统之间通过自动化控制系统实现协同运行，形成一个高度集成的能源使用与分配网络。电气系统的稳定性直接决定了列车的准点率、运行效率及乘客的舒适度。

1.2 城市轨道交通的特点与发展现状

城市轨道交通具有运量大、速度快、准时性强、环境污染小等优势，已成为缓解城市交通拥堵、改善空气质量的重要手段。近年来，我国城市轨道交通建设进入快速发展期，截至 2025 年，全国运营线路总里程已突破1 万公里，覆盖主要大中城市。然而，随着线网规模的扩大和运营强度的提升，能源消耗问题日益突出。特别是在高峰时段，列车频繁启停、区间密度增加，导致牵引能耗急剧上升。此外，部分早期建设的线路设备老化、能效偏低，进一步加剧了能源浪费。因此，如何在保障运营安全与服务质量的前提下，实现电气系统的节能降耗，已成为行业亟待解决的关键课题。

1.3 电气系统在轨道交通中的重要性

电气系统不仅是城市轨道交通的动力来源，更是整个运营体系的“神经系统”。其运行状态直接影响列车的牵引力、制动性能、信号传输精度及乘客信息系统等关键功能。高效的电气系统不仅能降低运营成本，还能减少碳排放，提升城市绿色交通形象。同时，随着智能化、自动化技术的发展，电气系统正逐步向数字化、网络化方向演进，成为实现智慧地铁的重要基础。因此，对电气系统进行节能优化，不仅是技术层面的改进，更是推动城市轨道交通高质量发展的战略选择。

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主要由牵引能耗、辅助设备能耗和站场设备能耗三部分构成。其中，牵引能耗占比最高，通常达到总能耗的 50% 以上，主要来源于列车在区间运行中的加速、匀速和减速过程。辅助设备能耗约占 30% ，包括空调、照明、电梯、屏蔽门等车载设备的用电。站场设备能耗约占 20% ，涉及车站通风、空调、给排水、安防系统等设施的运行。值得注意的是，牵引能耗在不同线路、不同运营时段存在显著差异，尤其是在高密度、短站距的市区线路中，频繁启停导致能耗峰值频现。

2.2 主要能耗来源及其影响

牵引系统是能耗的主要来源，其能效受列车运行图、线路坡度、车辆重量、驾驶模式等多种因素影响。传统驾驶模式下，司机操作的随意性可能导致不必要的能量浪费，如过度加速或提前制动。此外，供电系统的电能质量、变压器效率、电缆损耗等也会影响整体能耗水平。辅助设备中，空调系统是能耗大户，尤其在夏季高温季节，制冷负荷显著增加。站场设备方面，照明系统若未采用智能控制，常存在“长明灯”现象，造成能源浪费。这些能耗问题不仅增加了运营成本，还可能导致供电系统负荷波动，影响电网稳定性。

2.3 能耗现状对系统运行的影响

高能耗不仅带来经济负担，还可能对系统运行产生连锁反应。例如，牵引能耗过高可能导致供电系统过载，影响列车正常运行；辅助设备能耗失控可能缩短设备寿命，增加维护成本；站场设备能耗异常可能影响乘客舒适度和安全。此外，能源浪费与“双碳”目标背道而驰，制约了城市轨道交通的可持续发展。因此，必须从系统层面入手，全面审视能耗现状，识别关键瓶颈，制定科学的节能优化方案。

3 节能优化策略

3.1 优化电气设备的选型与配置

设备选型是节能优化的基础。应优先选用高效节能型变压器、变频器、LED 照明等设备，降低空载损耗和运行损耗。在牵引系统中，采用永磁同步电机替代传统异步电机，可显著提高能效。同时，合理配置供电容量，避免“大马拉小车”现象，确保设备在最佳工况下运行。对于新建线路，应在设计阶段充分考虑能效指标，采用模块化、标准化的设备布局，便于后期维护与升级。

3.2 实施智能控制技术

智能控制技术是实现精细化节能的关键。通过引入基于大数据和人工智能的列车自动驾驶系统（ATO），可优化列车运行曲线，实现平稳加速与精准制动，减少不必要的能量消耗。在站场管理中，应用智能照明控制系统，根据客流、自然光照强度自动调节灯光亮度；采用智能空调系统，根据室内外温差和人员密度动态调整制冷或制热功率。此外，建立能源管理系统（EMS），实时监测各子系统的能耗数据，及时发现异常并预警，为节能决策提供数据支持。

3.3 推广再生制动技术

再生制动技术是城市轨道交通节能的重要突破口。当列车制动时，牵引电机转变为发电机，将动能转化为电能回馈至接触网，供其他列车使用或储存。目前，再生制动能量可占牵引能耗的 30%～40% 。为提高能量回收效率，应优化再生制动控制策略，确保能量回馈的稳定性和兼容性。同时，推广储能装置（如超级电容、飞轮储能）的应用，将无法即时利用的再生电能储存起来，在列车启动或高峰时段释放，实现能量的时空转移，进一步提升能源利用效率。

3.4 完善系统运行与维护管理

节能优化不仅依赖技术手段，还需完善的管理制度支撑。应建立科学的能耗考核机制，将节能指标纳入运营绩效评估体系。加强设备巡检与预防性维护，及时发现并处理设备老化、绝缘劣化等问题，防止因故障导致的额外能耗。开展节能培训，提高运维人员的节能意识和操作技能。此外，优化列车运行图，合理安排发车间隔和停站时间，避免不必要的空驶和等待，从源头上减少能源消耗。

4 结语

城市轨道交通电气系统的节能优化是一项系统工程，涉及设备、技术、管理等多个层面。通过优化设备选型、实施智能控制、推广再生制动和完善运行管理，可有效降低能耗，提升能源利用效率。构建科学的评估体系，对节能效果进行量化分析，有助于验证优化策略的有效性并指导后续改进。实践表明，系统化的节能优化不仅能降低运营成本，还能提升服务质量与环境效益，为城市轨道交通的可持续发展奠定坚实基础。

参考文献

[1]城市轨道交通设备电气系统研究[J].刘现军,张智宝,施璇,鲁晓峰,王龙飞.电子元器件与信息技术,2023(12).

[2]电气化轨道交通牵引网电储能系统优化研究[J].李增华.粘接,2023(04).

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