地下空间支撑下的城市轨道交通和能源系统融合发展研究_秦博宇.pdf

DOI 10.15302/J-SSCAE-2023.01.014中国工程科学 2023 年 第 25 卷 第 1 期地下空间支撑下的城市轨道交通和能源系统融合发展研究秦博宇1，王宏振1，王召健2，熊自明3，赵金龙4，卢浩3，王明洋3（1.西安交通大学电气工程学院，西安 710049；2.上海交通大学电子信息与电气工程学院，上海 200240；3.爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，南京 210007；4.军事科学院国防工程研究院，北京 100036）摘要：城市因人口、经济活动高度集中而产生极大的能源消耗量，也是各类风险高度集聚的重点区域；能源和交通作为城市碳减排的重点领域、城市“生命线”工程的重要组成部分，进行融合发展对于城市绿色低碳、安全韧性建设具有重要价值。本文梳理了城市轨道交通与能源领域的低碳韧性发展现状，涵盖城市轨道交通低碳发展、城市轨道交通与能源系统韧性评估及提升、储能系统安全防控及风险评估三方面；提出了地下空间支撑下的城市轨道交通多能源融合系统构想，阐述了常态时期、极端条件下相应系统的运行模式；从环境、经济、社会角度分析了城市轨道交通多能源融合系统的潜在效益，展望了构想系统的未来研究方向与可能的解决思路。研究建议，完善城市轨道交通多能源融合系统政策机制，推进多部门协同治理；构建城市轨道交通多能源融合系统科技创新体系，助力实现城市轨道交通低碳、安全、高效运行；推动城市电网和轨道交通协同管理体系建设，增强城市“生命线”工程韧性治理能力。关键词：地下空间；城市轨道交通；交通 能源融合；可再生能源；储能安全防护中图分类号：U2 文献标识码：AIntegrated Development of Urban Rail Transit and Energy Systems Supported by Underground SpaceQin Boyu 1,Wang Hongzhen 1,Wang Zhaojian 2,Xiong Ziming 3,Zhao Jinlong 4,Lu Hao 3,Wang Mingyang 3(1.School of Electrical Engineering,Xian Jiaotong University,Xian 710049,China;2.School of Electronic Information and Electrical Engineering,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China;3.State Key Laboratory of Disaster Prevention and Mitigation of Explosion and Impact,Nanjing 210007,China;4.Institute of National Defense Engineering,Academy of Military Sciences,Beijing 100036,China)Abstract:Cities consume a large amount of energies owing to their high population density and centralized economy,and have high concentration of various risks.Energy and transportation are key areas for carbon emission reduction in urban areas and significant components of urban lifeline engineering.Therefore,the integrated development of energy and transportation systems is crucial for the low-carbon and resilient construction of cities.This study first reviews the low-carbon and resilient development status of urban rail transit and energy systems,covering three aspects:low-carbon development of urban rail transit,resilience assessment and 收稿日期：2022-12-28；修回日期：2023-01-30通讯作者：秦博宇，西安交通大学电气工程学院副教授，研究方向为电力系统运行与控制、低碳电力系统；E-mail:资助项目：中国工程院咨询项目“面向地铁低碳运行的地下储能发展战略研究”(2022-XY-75)；国家自然科学基金项目(52177112，52278419)本刊网址： security protection and risk assessment of energy storage systems.Moreover,the concept of an underground-space-supported multi-energy-integrated urban rail transit system is proposed,elaborating the operating modes of the system in normal times and extreme conditions.Subsequently,benefits of the proposed system are analyzed from the perspectives of environment,economy,and society,and future research directions and key problems to be solved are introduced.Furthermore,the following suggestions are proposed:(1)improving the policy mechanism for the multi-energy-integrated urban rail transit system and promoting coordinated governance by multiple departments,(2)constructing a technology innovation system for the system to realize low-carbon,safe,and efficient operation of urban rail transit,and(3)promoting the development of a coordinated management system for urban power grids and rail transit to enhance urban resilience.Keywords:underground space;urban rail transit;integration of transit and energy;renewable energy;energy storage safety protection一、前言在我国，随着城市化进程的加快，城市成为人口流动、经济发展、能源消耗的中心14；城市活动产生的碳排放量约占全国总量的80%，具有显著的聚集碳排效应5,6，因而推动城市绿色低碳发展成为实现碳达峰、碳中和（“双碳”）战略目标的关键环节。同时，城市呈现立体空间多层次、分类整合多功能、人口分布高密度等特征，若遭遇自然灾害、重大生产安全事故、战争打击等极端事件，城市经济发展和居民生活将面临严重威胁。近年来，国家高度重视城市安全和风险的防范治理问题，以城市“生命线”工程等设施安全运行为重点，多措并举、多元融合，推进韧性城市建设7,8。“十四五”全国城市基础设施建设规划（2022年）9明确了面向绿色低碳、安全韧性的城市高质量发展方向，提出推行城市基础设施的绿色低碳发展新模式以提高安全运行及抵抗风险水平。能源、交通是城市碳减排的重点领域，也是城市“生命线”工程的组成部分。一方面，能源、交通领域碳排放量占比高且处于持续增长阶段，如“十四五”时期城市的能源、交通运输需求将继续呈现快速增长态势10，而能源结构、交通发展的技术水平尚未发生根本性转变。另一方面，能源、交通系统的正常运行是保障城市韧性的关键因素11，如能源、交通工程受极端灾害影响可能毁伤或停摆，将引发城市功能瘫痪、居民恐慌甚至造成经济损失与人员伤亡。因此，亟需针对能源和交通领域，开展城市低碳韧性研究，支持城市低碳转型和韧性提升。在能源领域，大规模可再生能源并网以及柔性负荷接入成为未来电力能源的基本特征，对电力系统安全稳定、灵活经济运行提出了新要求12。一方面，风电、光伏等新能源出力的波动性和间歇性，电动汽车的无序充放电导致城市电力系统面临的不确定性进一步增加；电力电量平衡实时调节的难度日益增大，电力系统抗干扰能力下降，安全运行风险增加13。另一方面，新型电力系统下的城市电网结构更加复杂，运行形态更加多变，安全威胁趋于增多；当小概率、高影响的极端事件发生时，单个系统故障可能会传导到其他系统引发连锁故障，导致电力系统韧性面临挑战14。储能凭借优异的双向调节、快速响应能力，成为构建新型电力系统的重要技术与装备，为提升系统运行的灵活性与经济性、保障极端事故下的快速有序恢复能力提供了支撑。“十四五”新型储能发展实施方案（2022年）15明确，针对新能源消纳和系统调峰问题，推动大容量、中长时间尺度储能技术示范。然而，以电化学储能为代表的新型储能的安全问题依然突出，如北京市大红门储能电站事故引发了广泛关注16。因此，亟需发展以新型储能为代表的灵活调节资源，加强以电化学储能为代表的储能安全管理，为能源低碳转型与安全供给提供保障。在交通领域，绿色交通和韧性交通建设是加快构建低碳、可靠的现代综合交通运输体系的重要组成部分。相较于传统地表公路运输方式，以地铁为代表的城市轨道交通具有运量大、速度快、安全准时、不占用地表空间等优势，逐步成为缓解城市交通压力、增强城市运输能力的重要方式17,18。我国城市轨道交通运营线路规模、在建线路规模、客流规模均居世界前列19，但城市轨道交通呈现能耗大、整体效益不足、供电可靠性要求高、仅具备一定工程防护能力等特征2024。“十四五”现代综合交通运输体系发展规划（2021年）25提出，增强综合交通运输体系韧性，调整发展模式，将绿色发展理念、低碳发展要求贯穿发展全过程。因此，创新城市轨道交通低碳用能模式、提升城市轨道交通对城市韧性的支撑作用，是未来城市轨道交通的重046中国工程科学 2023 年 第 25 卷 第 1 期点发展方向。综上，城市具有人口、经济活动高度集中特征，能源消耗巨大，面临的风险趋于复杂多元，其低碳发展和韧性提升需求迫切。作为城市碳排放的主要来源、城市“生命线”工程的重要组成部分，城市能源和交通系统联系紧密、相互交叉、双向影响，碳减排目标趋同，安全韧性要求一致，政策机制相关26,27。因此，推动城市轨道交通和能源系统深度融合、协同发展，对低碳韧性城市建设具有现实意义。本文针对城市轨道交通与能源系统融合，分析发展现状、提出系统构想，展望未来研究方向与解决思路，以期为城市绿色低碳发展、城市韧性增强研究提供基础参考。二、城市轨道交通与能源系统融合发展现状（一）城市轨道交通低碳用能城市轨道交通包括地铁、轻轨、单轨、市域快线、现代有轨电车等制式，其中地铁的运营线路长度占比高达79%，是我国城市轨道交通的主要运营方式28。目前，我国城市轨道交通仍处于快速发展阶段，建设、运营过程中的碳排