动车组运行能耗影响因素的量化分析

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吕希奎1，孙培培1，李永发2

(石家庄铁道大学交通运输学院，石家庄　050043；2. 石家庄铁道大学土木工程学院，石家庄　050043)

摘　要：动车组能耗对铁路运输成本具有重要影响，列车性能和运营状况是影响动车组运行能耗的主要因素。针对目前对于动车组能耗影响因素以定性分析居多，以大量数据分析为基础，以各CRH型动车组为实例，以计算机仿真技术为手段，分别设置不同的仿真环境，从坡道设计、曲线半径、车站分布、动车组质量和限速5个主要方面，定量分析各影响因素对动车组运行能耗的影响，得出各因素对能耗的重要度和灵敏度。实现动车组运行能耗影响因素的量化分析方法，解决由定性分析到定量分析的关键问题。为合理确定动车组能耗水平、优化高速铁路线路设计、高速铁路节能运营组织和宏观把握高速铁路节能方向提供了更为直观的参考和依据。

关键词：高速铁路；动车组；运行能耗；影响因素；分析与仿真

1　概述

随着铁路现代化建设的快速发展，越来越多的高速铁路和动车组投入运营，动车组能耗已对铁路运输成本和全行业能耗具有重要影响[1，2]。而动车组能耗主要受列车性能、运营状况和司机操纵等因素影响。其中列车性能和运营状况是影响动车组运行能耗的主要因素，包括列车属性、坡道、曲线半径、隧道、站间距等方面[3，4]。节能与降耗、绿色与环保已成为高速铁路可持续发展的主题[5]，为了定量分析上述因素对动车组运行能耗的影响，以各CRH型动车组为实例，采用理论分析结合仿真试验的方法，通过设置不同参数下的仿真环境，通过定量研究方法，研究上述因素对于CRH型动车组运行能耗的影响，实现定性到定量分析的转变。为动车组节能操纵、动车组合理确定能耗水平、高速铁路节能设计和把握节能方向提供更直观的参考和依据。

2　坡道设计对运行能耗影响分析

动车组功率大，牵引和制动性能优良，能够更好地适应大坡度运行，使平纵设计更自由[6，7]。研究动车组运行能耗的受坡道的影响，仿真环境设计如下：线路全长42 km，有甲、乙两车站，其中心里程分别为0 km和42 km，即甲站与乙站间距离为42 km，坡道长2 000 m，位于线路中间。根据《高速铁路设计规范》(TB10621—2014)[8]规定，坡度i∈[0，30](‰)，线路为直线，如图1所示。

图1　仿真线路示意

动车组从甲站起动发车，进入乙站停车。不同坡度下运行能耗见表1。

表1　不同坡度下动车组运行能耗　kW·h

速度/(km/h)坡度(i)/‰[1**********]0CRH1CRH2CRH3CRH5200949.2961.1973.1987.91005.41015.41021.0250997.01019.01036.01049.91067.51081.11100.2200909.6927.6943.7961.0975.8991.61009.0250969.8972.5988.91022.21033.41051.41063.32501254.41272.71289.51300.01311.01318.11328.63001356.41363.01381.91397.61411.01426.91437.23501536.81558.81580.21587.11593.81603.61610.6200628.0637.9649.3658.3667.0676.8686.3250638.8653.3665.5679.1692.1703.0716.6

由表1可以看出，即使对于同一限速，各动车组的能耗差别很大。如在200 km/h限速时，CRH5动车组能耗最少，CRH1动车组能耗最大。CRH5能耗约是CRH1和CRH2能耗的70%。在250 km/h限速时，CRH3动车组能耗最大。CRH5能耗约是CRH1和CRH2动车组能耗的65%，约是CRH3动车组能耗的50%。因此，对于同一线路，即使限速相同，动车组选型不同，也会导致能耗量差别很大。

根据表1数据绘制的动车组能耗与坡度之间的关系曲线如图2所示。

图2　CRH型动车组能耗随坡度变化曲线

由图2可以看出，CRH型动车组能耗随坡度变化曲线基本为线性直线，呈线性增长关系。在增长幅度上，CRH3型动车组增长最慢(CRH3

为了比较不同限速的动车组能耗水平，根据表1中的数据，选择CRH2-250、CRH5-250和CRH3-350进行比较，结果如表2所示。其中的百分比(%)表示CRH2和CRH5动车组在限速250 km/h的能耗是CRH3动车组速350 km/h的能耗百分比。

表2　不同速度等级的动车组能耗比较

坡度/‰[1**********]0百分比/%CRH263.1162.3962.5864.4164.8465.5666.02CRH541.5741.9142.1142.7943.4243.8444.49

从表2可以看出，不同速度等级的动车组在同一线路上运行时，250 km/h等级的动车组比350 km/h等级的动车消耗的能量相差非常大。对于CRH2动车组约35%，CRH5动车组则超过了50%。因此，在运行时间允许的情况下，最好使用速度等级低一些的动车组来运行，这样能够有效地节约运行能耗。

3　曲线半径对运行能耗影响分析

曲线半径是高速铁路线路设计的重要参数之一，它的选择直接影响着线路的工程投资、运营支出等经济指标[9，10]。曲线的线路的仿真环境与图1类似，甲、乙车站之间为平坡道，线路平面存在一个曲线，位于甲、乙车站中间，曲线偏角α=30°，根据《高速铁路设计规范》(TB10621—2014)推荐的曲线半径值，设曲线半径R∈[5 000，12 000]，如图3所示。

缓和曲线长度按《高速铁路设计规范》(TB10621—2014)中超高时变率f=25 mm/s条件下取值，求得圆曲线长度和起点里程见表3。

图3　曲线半径仿真线路示意(单位：m)

表3　圆曲线长度和起点里程数据　m

曲线半径圆曲线长曲线起点里程110005759.58618120.[1**********]5.98818382.[1**********].38918643.[1**********].79018905.[1**********].19119167.[1**********].59319429.[1**********].79319560.[1**********].99419691.003

不同曲线半径下的动车组运行能耗见表4。

表4　不同曲线半径下动车组运行能耗　kW·h

速度(v)/(km/h)半径(R)/m[***********][1**********]0CRH1CRH2CRH3CRH5200776.496776.512776.517776.515776.516776.517776.5172501049.0541049.0681049.0691049.0691049.0531049.0531049.055200750.084750.085750.086750.089750.086750.086750.0842501003.0121003.0111003.0121003.0101003.0111003.0131003.011250982.739982.742982.741982.677982.675982.672982.6733001268.9351268.9361268.9351268.9341268.9341268.9371268.9383501578.3121578.3651578.3651578.3631578.3621578.3621578.361200576.409576.398570.394576.396576.395576.392576.393250746.627746.634746.613746.643746.464746.463746.458

不同曲线半径下的CRH型动车组运行能耗关系如图4所示。

图4　动车组运行能耗随曲线变化关系曲线

由图4可以看出，随着曲线半径的增大(R∈[5 000，11 000])，动车组运行能耗随曲线变化关系曲线基本为一直线，动车组运行能耗变化的幅度非常微小。为了比较变化量，根据表4数据，取各曲线半径最大(11 000 m)和最小(5 000 m)能耗差作为比较参数，如表5所示。

从表5中可以得出，在曲线半径≥5 000 m时，曲线半径对动车组运行能耗影响可忽略不计。因此，在设计线路时，在地形条件允许和基本不增加工程量条件下，可尽可能采用较大曲线半径，不仅能改善线形，还可为提速预留条件。

表5　动车组运行能耗随曲线半径变化量

动车组CRH1CRH2CRH3CRH5限速/(km/h)[***********]350200250能耗差/(kW·h)0.0210.0160.0050.0030.0690.0040.0430.0180.192

4　车站分布对运行能耗影响分析

车站分布作为高速铁路的重大技术原则，对工程投资、运输效率、运营成本、线路通过能力等产生较大影响[11，12]。在高速铁路沿线，城市自然分布状况并不是等距离分布，同时由于地形、地质、水文等因素的影响，车站不可能按理想的站间距来布点，这样，沿线的实际站间距呈不规则分布[13]，站间距一般为30～60 km。

研究车站分布对运行能耗的影响，仿真环境设计如下：共设10个车站，最小站间距20 km，最大100 km，相临站间距按10 km依次增加。线路为平直线路，如图5所示。

图5　站间距仿真线路示意(单位:km)

因站间距不同，为保证结果的可比性，选用CRH1、CRH2、CRh3和CRH5动车组，采用单位距离运行能耗指标来比较。不同站间距下动车组单位距离运行能耗(kW·h/km)如表6和表7所示。

表6　不同站间距下动车组单位距离运行能耗(一)　kW·h/km

区间站间距/kmCRH1CRH2250km/h200km/h250km/h200km/hST1-ST22033.67721.92133.55520.005ST2-ST33027.37818.98626.36318.586ST3-ST44025.96517.52523.70716.804ST4-ST55022.13916.33121.87715.578ST5-ST66021.27715.62420.3515.787ST6-ST77019.76715.13518.98615.048ST7-ST88019.27515.30618.64813.228ST8-ST99018.99113.76117.64613.022ST9-ST1010018.31813.50417.54912.679

表7　不同站间距下动车组单位距离运行能耗(二)　kW·h/km

区间站间距/kmCRH3CRH5350km/h300km/h250km/h250km/h200km/hST1-ST22045.78441.54927.32721.16917.971ST2-ST33040.85932.93323.94618.55815.363ST3-ST44036.63429.46322.10617.11512.936ST4-ST55033.87127.22319.75415.96311.844ST5-ST66032.75625.96418.67115.16111.292ST6-ST77031.40225.33618.39915.67111.021ST7-ST88030.83123.72717.62515.18710.338ST8-ST99029.41722.28516.51513.6369.957ST9-ST1010028.81521.15515.67412.8369.962

由表6和表7的数据可以得出，目标速度越大，在相同站间距条件下，动车组单位距离运行能耗也越大，如CRH3-350超过了CRH2-250的2倍(45.784/21.169=2.16倍)。

为了对比这种情况，从表6和表7中选用了2个代表性站间距60 km和100 km，用对应的单位距离运行能耗与20 km站间距的单位距离运行能耗进行比值，用百分比表示，见表8。

表8　不同站间距单位距离运行能耗比值　%

动车组类型限速/(km/h)60km100kmCRH1CRH2CRH3CRH525063.1854.3920071.2761.6025060.6552.3020078.9263.3835071.5462.9430062.4950.9225068.3257.3625071.6260.6420062.8355.43

由表8可知，当站间距由20 km提高到60 km时，能耗下降25%～30%，提高到100 km时，能耗下降约40%～50%，可见提高站间距能够有效的减少能耗。

通过站间距的仿真计算和分析，可得如下结论。

(1)对于CRH1型动车组，目标速度为250 km/h时，站间距从20 km提高到100 km，单位距离运行能耗从33.677 kW·h降低到18.318 kW·h，站间距平均每提高10 km，单位距离运行能耗降低5.70%。目标速度为200 km/h时，单位距离运行能耗从21.921 kW·h降低到13.504 kW·h，站间距平均每提高10 km，单位距离运行能耗降低5.79%。

(2)对于CRH2型动车组，目标速度为250 km/h时，站间距从20 km提高到100 km，单位距离运行能耗从33.555 kW·h降低到17.549 kW·h，站间距平均每提高10 km，单位距离运行能耗降低5.96%。目标速度为200 km/h时，单位距离运行能耗从20.005 kW·h降低到12.679 kW·h，站间距平均每提高10 km，单位距离运行能耗降低5.58%。

(3)对于CRH3型动车组，目标速度为350 km/h时，站间距从20 km提高到100 km，单位距离运行能耗从45.784 kW·h降低到28.815 kW·h，站间距平均每提高10 km，单位距离运行能耗降低5.63%。目标速度为300 km/h和250 km/h时，站间距平均每提高10 km，单位距离运行能耗分别降低6.14%和5.33%。

(4)对于CRH5型动车组，目标速度为250 km/h时，站间距从20 km提高到100 km，单位距离运行能耗从21.169 kW·h降低到12.836 kW·h，站间距平均每提高10 km，单位距离运行能耗降低5.92%。目标速度为200 km/h时，站间距平均每提高10 km，单位距离运行能耗降低5.57%。

(5)由以上分析可以得出，当动车组质量和限速一定时，动车组单位距离运行能耗随着站间距的增加而减小，其减小幅度在5%～6%。CRH1、CRH2、CRH3和CRH5型动车组单位距离运行能耗降低的幅度非常接近，说明站间距对各CRH型动车组运行能耗的影响基本相同。由于能耗增加量小于站间距增加量，因此适当提高站间距可以减小能量消耗，这为高速铁路线路车站布置提供参考。

根据表6和表7中的数据，CRH1、CRH2、CRH3和CRH5型动车组单位运行能耗随站间距变化关系如图6所示。

图6　动车组单位运行能耗与站间距关系曲线

5　动车组质量与限速对运行能耗影响分析

在线路条件和操纵方式相同的条件下，能耗由列车质量、列车限速和站间距三个主要因素决定[14，15]。在下面的案例研究中，以CRH3型和CRH5型动车组为实例，固定站间距，使动车组运行能耗仅受动车组质量和动车组限速的影响，分析动车组质量与限速对动车组能耗的影响。

5.1　CRH5型动车组实例

动车组质量设定范围为空员编组质量和定员荷载质量之间，依次为450、460、470、480、490和500 t六个级别。限速为200～250 km/h，速度间隔为10 km/h。站间为平坡道42 km。经过仿真模拟运行，各种情况下的能耗见表9。

表9　不同质量和限速的CRH5型动车组运行能耗

限速/(km/h)动车组质量/t[***********][***********]E382.711390.535396.659405.389412.098419.945T905.2905.8907.4907.6907.9908.7E411.442419.288427.066435.820445.283455.377T861.3862.6863.6865.5865.8865.3E442.278450.057459.481468.961480.075489.546T823.6825.1825.7826.6827.0827.9E475.137485.577497.349506.824519.710530.847T790.5791.7791.8793.3793.9795.8E515.002527.841538.928551.764566.381580.859T760.5761.6762.7765.3765.1765.8E556.661571.162587.435603.702619.829635.537T735.4736.1737.6739.0740.7742.6

注：E—能耗，kW·h；T—运行时间，s。

站间距为42 km时的CRH5型动车组能耗与质量曲线如图7所示。

图7　不同限速能耗与CRH5型动车组质量关系曲线

由图7可以看出，CRH5型动车组能耗随其最大目标速度的提高、编组质量的增大而增大，总体上呈线性增长关系，但目标速度比编组质量对动车组运行能耗的影响更大。

根据表9中的数据，还可以得出运行时间与动车组质量的关系曲线如图8所示。

图8　运行时间与CRH5型动车组质量关系曲线

由图8可以看出，对于同一限速，运行时间随着动车组质量的增大呈线性增长关系，但增长幅度小，说明由于动车组具有较大的牵引功率，动车组质量对运行时间的影响非常小。此外，对于同一编组质量，运行时间随着限速的增大而减少，减少的幅度较大。

5.2　CRH3型动车组实例

为了进行对比，同样的线路条件下，对CRH3型动车组编组质量为380～430 t(空载编组质量和满员荷载时的编组质量)，限速为300～350 km/h，速度间隔为10 km/h。经过仿真模拟运行，各种情况下的能耗见表10。

表10　不同质量和限速的CRH3型动车组列车能耗

限速/(km/h)动车组质量/t[***********][***********]E952.36962.43969.031001.001033.261068.77T635.2636.9637.9639.1640.3641.7E989.5271027.9441066.4961101.8531140.421178.96T620.5621.4623.1625.8626.7628.9E1086.581128.131175.881217.541265.321285.93T607.5609.1611.6615.3617.1620.4E1203.161243.981255.561266.961277.871285.84T597.9601.2605.2607.5610.3613.1E1235.591245.861256.321267.261277.171285.71T592.0595.8597.5600.1602.6605.6E1233.421243.821253.421278.431338.521405.74T585.1587.4589.4590.8592.8595.1

注：E—能耗，kW·h；T—运行时间，s。

站间距为42 km时的CRH3型动车组能耗与质量曲线如图9所示。

图9　CRH3动车组能耗与动车组质量关系曲线

由图9可以看出，运行速度由330 km/h变化到340 km/h时，动车组的能耗基本相同(两条曲线基本重合)。CRH3动车组运行时间与动车组质量关系曲线如图10所示。

图10　CRH3运行时间与动车组质量关系曲线

由图10可以看出，对于相同的限速，运行时间随着编组质量的增大而增大；对于相同的编组质量，运行时间随着运行限速的增大而减小，总体上呈线性减小关系。

6　结论

近年来，高速铁路在我国获得了飞速发展，我国铁路已进入高速时代[16]，高速铁路开行的动车组数量已占到旅客列车总数量的一半以上，动车组能耗已对铁路运输成本具有重要影响。将数据分析和计算机仿真技术相结合，定量分析各影响因素对动车组运行能耗的影响，得出了各因素对能耗的重要度和灵敏度。为分析高速铁路节能优化策略、节能运营组织和宏观把握高速铁路节能方向提供了参考和依据。根据计算和仿真分析，得出如下结论。

(1)由于动车组具有较大的牵引功率，动车组质量对运行时间的影响非常小，因此动车组满员荷载运行与部分空载运行基本上不影响动车组的运行时间。

(2)在目标速度和坡长都相同的情况下，动车组的运行能耗与坡度的关系为线性增长关系。不同类型的动车组增长幅度不同，排序为CRH3

(3)对于同一限速，各动车组的能耗差别很大。在200 km/h限速时，CRH5动车组能耗约是CRH1和CRH2动车组能耗的70%；250 km/h限速时约是CRH1和CRH2动车组能耗的65%、 CRH3动车组能耗的50%。因此，对于同一线路，即使限速相同，动车组选型不同，也会导致能耗量差别很大。

(4)不同速度等级的动车组消耗的能量相差非常大，甚至超过50%。因此，对于运行时间宽裕的线路，可采用速度等级低一些的动车组运行(如时速250 km动车组)，能有效降低运行能耗。

(5)曲线半径大于5 000 m时，曲线半径对动车组运行能耗影响微小，可忽略不计。因此，在设计线路时，在地形条件允许和基本不增加工程量的条件下，可尽可能采用较大曲线半径，既能改善线形，又可为提速预留条件。

(6)站间距对各CRH型动车组运行能耗的影响基本相同。由于能耗增加量小于站间距增加量，因此提高站间距，可以有效地减小能量消耗。

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收稿日期：2015-11-09； 修回日期：2015-11-21

基金项目：国家自然科学基金资助(51278316)；河北省自然基金资助(E2014210111)；河北省教育厅项目(ZD20131026)

作者简介：吕希奎(1976—)，男，副教授，博士，2008年毕业于西南交通大学土木工程学院道路与铁道工程专业，主要从事铁路选线设计与研究工作，E-mail：[email protected]。

文章编号：1004-2954(2016)06-0023-06

中图分类号：U238； U212

文献标识码：A

DOI:10.13238/j.issn.1004-2954.2016.06.006

Quantitative Analysis of Influence Factors of EMU Energy Consumption

LV Xi-kui1，SUN Pei-pei1，LI Yong-fa2

(1.School of Traffic and Transportation，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China; 2.School of Civil Engineering，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang 050043，China)

Abstract：EMU energy consumption has a significant impact on railway operation costs and train performance and operational status are the main factors influencing energy consumption of EMU. At present，the analysis of EMU energy consumption factors is mostly qualitative in nature. This thesis is based on the analysis of large amount of data and CRH EMU cases to set up different simulation environments by means of computer simulation technology. The paper quantitatively analyzes the impact of each factor on the energy consumption of CRH EMU in five key aspects of ramp design，curve radius，station distribution，EMU weight and speed limit to obtain the degree of importance and sensitivity of various factors related to energy consumption. A method for quantitative analysis of EMU energy consumption influence factors is practiced to solve the key problems arising from qualitative analysis to quantitative analysis. The research results provide more intuitive reference and basis to determine energy consumption level of EMU，optimize high-speed railway line design and save energy．

Key words：High-speed railway; EMU; Energy consumption; Influence factors; Analysis and simulation