郑州轨道交通供电系统负荷预测及影响研究

包 毅，胡 静，郭 含，陈根永

(1．郑州大学 电气工程学院，河南 郑州450001;2． 河南省电力公司 技术技能培训中心，河南 郑州450051;3．禹州供电公司，河南 禹州461670)

0 引言

郑州轨道交通(地铁)的建设对加快郑州经济发展具有重要意义． 轨道交通电力网络电量及负荷对城市公共电网的影响如何以及对城市电网有何具体要求都需要进行认真研究．

轨道交通列车用电负荷不同于一般电网，线路上运行列车的位置和数量是不断变化的，且随着不同时刻以及道路情况的变化，取用负荷的大小具有较大差异． 目前牵引供电量计算［1-2］的方法有4 种:经验公式法［3］、运行图法［4］、平均运量法［5］和仪表测量．

笔者以郑州轨道交通为研究对象，采用经验公式法估算地铁1，2 号线近期、中期及远期的年用电量，采用回归分析法进行牵引负荷预测，对比郑州市配电网日负荷曲线，分析郑州轨道交通负荷的增长趋势及特点，研究郑州轨道交通负荷对城区电网的影响．

1 地铁牵引供电负荷估算模型

地铁规模的大小是以线路长度为标志的，因此地铁的用电量和线路的长短直接相关［6］． 在估算时，以每千米为单位比较合适．另外地铁的电量和负荷还与一天内的列数、客流量、发车密度等有关，这些都使负荷电量测算增加了难度．笔者采用经典的经验公式法计算牵引年用电量．

1．1 经验公式法

根据地铁设计规范，在进行地铁牵引年用电量估算时，需要具备以下计算条件［7］． ①车流密度:N，对/h;②列车编组:3 ～8 节/列;③一列车总重:G，t;④列车年平均单位能耗:ΔA，kWh/(t·km)，ΔA 反映城轨能耗的大小，取值可参考既有线路运行经验以及测试积累的数据，关于VVVF车辆，一般取值为0．04 ～0．065 kWh/(t·km);⑤从始发站1 天发车总数(往返):L，列．

同时，需具备以下3 个通用设计条件:①B 型车，车辆编组为6 节/列，车内设有空调;②外部电源采用集中供电方式，设有专用的主变电所;③地下线路，列车运力高峰车流密度为30 对/h．

根据以上条件，一条线路每千米的年用电量可按经验表达式(1)估算:

W = ΔAGLT． (1)

式中:T 为时间，为一年天数(365 d)．

例如采用B 型车，车辆编组为6 节/列，有空调、最大车流密度为30 对/h ，一列车定员总重G=285 t，一天发车总数L =380 列，则每千米牵引年用电量为237 万kWh/km．如果采用A 型车，数值则增大15% ～20%．

1．2 牵引负荷预测

牵引负荷预测对轨道交通实时调度非常重要，牵引负荷跟行车列数、乘客量、天气情况等因素相关，乘客量越多，行车列数越多，牵引供电负荷也就越大，乘客量的变化趋势和牵引负荷的变化趋势非常相似，二者在峰点和谷点时刻基本重合，因此两者具有较强的相关性．笔者针对因变量(牵引负荷)与自变量(客运量)分别采用线性回归方法及非线性回归方法中的指数曲线回归方法，通过比较误差，最终选出最佳模型．

线性回归模型表达式:

Yt= a1+ b1Xt+ εt． (2)

指数曲线回归模型表达式:

Yt= a2eb2Xtεt． (3)

式中:Xt为t 时刻的客流量;Yt为t 时刻的牵引负荷;εt为t 时刻由其他各种因素引起的负荷随机波动，服从正态分布;a1、b1、a2、b2为回归参数．

参数a1、b1、a2、b2可采用最小二乘拟合方法估算得到．现以表1 中我国某城市地铁2 号线10个时刻的数据作为样本，采用以上两种方法分别进行负荷预测．

表1 某城市地铁2 号线某时刻负荷情况Tab．1 The moment load of one city Subway line 2

拟合计算采用Matlab 软件的相关分析模块进行处理，可分别求出回归系数a1= -0．271 5，b1=1．781 7，a2=1．447 2，b2=0．424 1．

表2 列出了线性回归方法和指数曲线回归方法预测的结果及误差．

表2 不同预测方法的预测结果和相对误差Tab．2 The results and relative errors under different prediction methods

由表2 的结果对比可知，线性回归预测的最大相对误差为0．095%，小于指数曲线回归预测的0．464%．因此，采用线性回归分析方法更为合适，其数学模型表达式为

Yt= -0．271 5 +1．781 7Xt． (4)

2 郑州地铁供电负荷用电量计算

2．1 郑州地铁牵引负荷年用电量估算

以郑州地铁1 号线为例，其牵引供电制式推荐全线采用DC1500V 架空接触网供电、走行轨回流方式，外部电源采用集中供电方式． 根据客运量估算，1 号线远期高峰小时单向最大客流为3．80 万人，为大运量的轨道交通工程，根据建设部《城市快速轨道交通工程项目建设标准》的有关规定，郑州轨道交通宜选用B 型车，且近、中、远期采用每列6 辆的固定编组，每列列车的载客量为1 440 人，约60 kg/人，考虑到列车的自重，每列列车的载重大概为285 t．

郑州地铁1 号线由郑州高新区至郑东新区，线路全长34．84 km，全线设站28 座．其中一期工程由凯旋路站至穆庄，全长26． 34 km，车站22座．二期由新郑州大学站至凯旋路站，线路长度8．5 km，车站6 座．2 号线车型及供电模式同1 号线，全长26．83 km，沿途设站21 座． 一期工程长18．52 km，设站15 座，其中高架站1 座，地下站14座;二期线长8．31 km． 1，2 号线运量及运行情况如表3 所示．

表3 郑州地铁1 号线和2 号线近、中、远期情况Tab．3 The near-team，mid-term and long-term situation of Zhengzhou Subway line 1 ＆2

因此，将列车年平均单位能耗，ΔA = 0． 06 kWh/(t·km);一列车定员总重，G =285 t;一天发车总数L，分别代入式(1)，可估算出郑州1 号线近、中、远期年用电量，同理，可估算出2 号线的用电情况，如表4 所示．

表4 郑州地铁1 号线和2 号线用电量Tab．4 The power consumption of Zhengzhou Subway line 1 ＆2

郑州地铁1，2 号线各规划年的用电量很大，据估算郑州市2015 年的全社会用电量约400 亿kWh，可知1 号线近期的用电量占整个郑州市用电量约0．21%，2 号线近期的用电量占整个郑州市用电量约0．19%．

2．2 郑州地铁牵引负荷日负荷曲线

通过调研分析，拟定郑州地铁日工作时间为6:00 ～23:00，以30 min 为间隔，按照出行时间和出行人次的比例，取1，2 号线路各规划年预测出的35 个时刻点日客运量数据如表5 所示．

由表5 乘客量分布，根据模型表达式(4)，预测出1，2 号线的牵引负荷如图1，2 所示．

表5 郑州地铁1，2 号线预测客运量Tab．5 The prediction passengers of Zhengzhou subway line 1，2

从图1，2 可得出高峰牵引负荷如表6 所示．

表6 郑州地铁1，2 号线高峰时用电负荷Tab．6 The peak load of Zhengzhou subway line 1 and 2

为了更直观地对比城网负荷高峰期的影响程度，以郑州市2011 年及2015 年配电网日最大负荷为参照对象，其日负荷曲线如图3 所示．

图3 郑州城市配电网典型日负荷曲线Fig．3 The daily load curve of Zhengzhou city distribution network in summer and winter

从图1 和2 可知牵引负荷的特点有:

(1)从轨道交通负荷曲线来看，各年的负荷特性差异不大，其峰值分别为早高峰的8:00 左右，晚高峰为19:00 左右．高峰期出现的主要原因是上下班期间客流量的相对集中，早高峰突出;

(2)从近、中、远期曲线来看，中期和远期曲线比较接近，原因是1，2 号线近期线路较短，加上轨道交通没有形成规模，换乘不便，近期客流量相对较少，因此负荷较小;

(3)从近、中、远期幅值来看，负荷处于逐年递增趋势，原因是随着人口的增长、线路的延长、站点的增加以及换乘的便捷，地铁将逐步成为人们出行的交通工具，从而地铁负荷也会随着增长;

(4)郑州夏季城网负荷峰值出现在13:00 左右，晚高峰负荷已不突出，而轨道交通峰值负荷分别出现在8:00 附近和19:00 前后，早高峰短而突出，晚高峰低于早高峰，但持续时间长．

3 对公用电网影响分析

3．1 用电量分析

由以上分析可知，郑州近期轨道交通电量1号线占比可能达到0．4%，远期随着运力达到设计能力，以及列车密度增加，其占比有所增长．总体来看，1，2 号线用电量在郑州城区电力系统中占的比重较小，远期也不超过总电量的0．6%．

根据国内建成线路的运营经验，中期(2020年)按100 km 计算，运力达到设计运量的70%，则郑州地铁年用电量将达2．1 亿kWh;2030 年按200 km 计算，运力达到80%设计能力，整体年用电量将达到4．8 亿kWh，最大可能达到6 亿kWh，占城区配电网电量比重达1．5%．

3．2 电力负荷分析

从轨道交通1，2 号线的电力负荷曲线来看，轨道交通的最大负荷一般出现在早高峰8:00 左右和晚高峰19:00 附近．由郑州城区典型负荷曲线来看(图3)，最大负荷容易出现在13:00 左右，晚负荷高峰已不明显．

显然郑州城网夏季负荷峰值出现在13:00 左右，当与轨道交通峰值负荷叠加时，会影响城网最大负荷峰值．根据郑州市对应中远期负荷预测结论，中期(2020 年)轨道交通对负荷峰值贡献约达2．0%，个别时段可能出现与公用电网的峰值短时相遇，出现时间短，出现概率较小，总体影响不大．

4 结论

采用经验公式法对郑州地铁1，2 号线的牵引电量进行了估算，采用回归分析法进行负荷预测，分析了1，2 号线的负荷需求对城区电网的影响．

(1)随着轨道交通运能的增长，牵引年用电量也处于逐步增长状态．在地铁运营的初期，运载率较低，对电网影响很小;

(2)在中、远期，运载率有所提高，用电量比重也有所增大，最大达到1．5%左右;

(3)轨道峰值负荷在早高峰8:00 左右，而城网峰值负荷在13:00 左右，轨道交通电力负荷会导致城网负荷峰值增加，从而对城市电网造成一定的冲击，并限制公用电网的供电能力，但贡献率比较小，最高负荷贡献率约2．0%． 因此，整体来看轨道交通电力负荷对电网的影响不大．

［1］ 李鲲鹏．城市轨道交通供电系统的设计方法［J］．都市快轨交通，2008，21(5):70 -73．

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［7］ 黄德胜．地铁供电估算［J］．都市快轨交通，2007，20(6):83 -86．