摘要：本文主要介绍了一种轨道交通牵引系统和辅助系统各种能耗的测量方法及能耗测量的意义。
关键词：轨道交通；牵引能耗；辅助能耗；能耗装置；能耗测量
1前言
轨道交通作为节能、快捷和大运量型的交通工具已在全球范围内得以广泛应用。目前，国内道交通处于快速发展时期，规模越来越大。较大规模的轨道交通在城市交通运输行业能源消耗量巨大，已成为交通运输行业的重点用能单位。提高能源使用效率，节能减排是目前重要的发展趋势，如何有效降低地铁车辆能耗已成为了一个亟待解决的问题。车辆是城市轨道交通行业的用电大户，而车辆用能分牵引用能和辅助用能两大部分。实现轨道车辆牵引和辅助能耗的准确和科学的测量，进而获取车辆的有效能耗基础数据，可为能耗管理和节能技改工作提供数据依据，从而可实现车辆能耗管理工作的信息化和智能化。
2车辆编组方式
以4动2拖6辆编组列车为例：编组方式为＝Tc－Mp－M－M－Mp－Tc＝
＝Tc－Mp－M为一个列车单元，Tc车为带司机室拖车，Mp车为带受电弓动车，M车为不带受电弓动车，“﹣”为半永久式牵引杆，“＝”为全自动车钩。
3名词术语
●牵引输入能量（E入）：牵引系统从接触网吸收的能量。
●再生反馈能量（E馈）：牵引系统反馈至接触网和辅助系统的能量。
●制动电阻能耗（E电阻）：制动电阻投入过程中牵引系统在制动电阻上消耗的能量。
●牵引能耗（E牵）：列车运行环节消耗的能量，含牵引传动系统的能耗、制动系统能耗、克服阻力能耗，其数值为牵引输入能量与再生反馈能量之差。
●辅助能耗（E辅）：辅助电源及辅助设备消耗的能量。
●列车能耗（E车）：列车所有系统消耗的总能量，其数值为牵引能耗与辅助能耗之和。
4能耗测量
为测量列车牵引能耗、辅助能耗以及制动电阻能耗在列车能耗中的比例，需要根据车辆主电路图设置合适的电压和电流传感器采集电压和电流，设置相应的能耗记录仪主机实现能耗数据的计算、处理及存储等。
4.1列车简化主电路图
一列4动2拖6辆编组列车上分别配置了4台辅助逆变器、4台牵引逆变器和4台制动电阻，辅助逆变器分别位于Tc车和M车，牵引逆变器和制动电阻分别位于Mp车和M车，如图1所示。
图1 牵引、辅助系统主电路电流电压测试点示意图（一个列车单元）
I1/I2为牵引输入和再生反馈电流测试点，I3/I4为辅助电流测试点，I5/I6为制动电阻电流测试点，U为母线电压测试点
4.2电压或电流传感器布置
如图1所示，在主电路U或I处分别设置电压或电流传感器采集测量电路的电压或电流值。其中U处设置电压传感器测量母线电压，I1处设置电流传感器测量Mp车牵引输入或反馈电流I1，I2处设置电流传感器测量M车牵引输入或反馈电流I2，I3处设置电流传感器测量Tc车辅助电流I3，I4处设置电流传感器测量M车辅助电流I4，I5处设置电流传感器测量Mp车制动电阻电流I5，I6处设置电流传感器测量M车制动电阻电流I6。其中I1/I2由受电弓到牵引逆变器时为牵引输入，反之为再生反馈。
传感器要求：
●采用铁路应用的闭环霍尔电流、电压传感器；
●电流、电压传感器的额定测量值应尽可能与电路电流、电压的额定值相匹配，过载能力应能承受车辆电气故障引起的电流、电压冲击而不致损坏，电路电流、电压恢复正常值后，电流、电压传感器应能快速自行恢复检测；
●电流、电压传感器的精度根距系统测量精度配置；参考条件、误差计算方法、非参考条件下误差偏移量等应符合BS EN50463-2：2012中能耗测量相关要求。
4.3能耗记录仪主机
在每个Mp车设置一台车载能耗记录仪主机，能耗记录仪主机包含数据采集模块（电流、电压采集模块）、能耗计算和数据处理模块、存储模块、时钟模块、显示模块、通讯模块、电源模块等，车载能耗记录仪结构框如图2所示。能耗记录仪主机主要负责电压电流的采集，能耗计算、数据处理、数据存储、时钟守时、与车辆TCMS通信以及故障报警等，其中数据存储包括原始采样数据、能耗数据储存及故障数据存储等。Mp1车能耗记录仪负责本列车单元（Tc1、Mp1、M1）的电压、电流测量和本单元能量/能耗的计算，包括耗车牵引输入能量、再生反馈能量、牵引能耗、辅助能耗、制动电阻能耗、列车能耗的计算。
图3 能耗记录仪主机布置
能耗记录仪主机要求：
●能耗计算和数据处理模块采用的主芯片稳定准确，性能可靠，处理器的采集和计算频率不低于10KHz；
●能耗计算起始条件应满足电流测量模块的一次侧电流大于1A、小于-1A或电压测量模块的一次侧电压大于100V；
●按牵引输入能量、再生反馈能量、电阻制动能耗、牵引能耗、辅助能耗、列车能耗进行分类存储，储存数据为带有时间信息的能耗累计值，能耗数据存储间隔不大于1分钟；
●能耗单位为度（kW h），能耗数据存储器寄存器不少于32位；
●具有故障自诊断和对外围设备（如电流/电压传感器等）故障诊断功能；
●能通过MVB/以太网通信模块与列车信息管理系统（TIMS）实现信息交互；
●能耗数据、故障报警信息等数据本机储存，保证设备断电而数据不丢失；
●具有维护接口，用以和维护软件通信实现车载数据（含能耗数据、故障报警信息、原始采样数据等）下载，软件更新，计量装置参数设定等功能；
●独立的时钟模块；
●测量输入通道：≥7路，采用1路电压、6路电流，电压输入接口：0～50mA、电流输入接口：0～400mA。
●工作电源：额定电压DC110V。
●电源模块：将列车提供的DC110V转换成DC24V和±DC15V，为各个功能的传感器及能耗记录仪中的所有板卡提供电源；
4.4能耗系统设备集成
将一个列车单元的电压、电流传感器（不含制动电阻电流测量传感器）、能耗记录仪主机集成在同一个设备箱内，如图4所示，制动电阻电流测量传感器集成在一个设备箱内，如图5所示.
图4 能耗记录装置箱 图5 制动电阻电流传感器箱
4.5能耗计算
●列车单元一（Tc1、Mp1、M1）能耗计算如下：
E入（1）=U*I1（1）+ U*I2（1），I1（1）、I2（1）由受电弓到牵引逆变器方向；
E馈（1）=U*I1（1）+ U*I2（1），I1、I2由牵引逆变器到受电弓方向；
E电阻（1）=U*I5（1）+ U*I6（1）；
E牵（1）= E入（1）- E馈（1）
E辅（1）=U*I3（1）+ U*I4（1）
E车（1）= E牵（1）+ E辅（1）
●列车单元二（Tc2、Mp2、M2）能耗计算如下：
E入（2）=U*I1（2）+ U*I2（2），I1（2）、I2（2）由受电弓到牵引逆变器方向；
E电阻（2）=U*I5（2）+ U*I6（2）；
E牵（2）= E入（2）- E馈（2）
E辅（2）=U*I3（2）+ U*I4（2）
E车（2）= E牵（2）+ E辅（2）
4.6整车能耗计算
如图3所示，每个能耗记录仪主机将能耗记录数据通过MVB或以太网上传到TCMS系统，由TCMS计算整车的能耗数据。整车个能耗数据计算如下：
E入= E入（1）+ E入（2）；
E馈= E馈（1）+ E馈（2）；
E电阻= E电阻（1）+ E电阻（2）；
E牵= E牵+ E牵（2）
E辅= E辅（1）+ E辅（2）
E车= E车（1）+ E车（2）
5能耗测量的意义
根据列车牵引输入能量、再生反馈能量、牵引能耗、辅助能耗、制动电阻能耗的测量结果，可以了解不同类型能耗在车辆总能耗中所占的比例，为列车节能研究提供数据支持。列车制动时优先使用再生制动，当再生能量不能被电网吸收时会施加电阻制动。列车再生制动时，电流会反馈会电网，被线路上处于牵引工况的列车吸收，当线路上处于牵引的列车吸收的电能小于再生制动反馈的电能时网压将会升高；当网压升高到1800V时，牵引逆变器斩波模块将开启，通过制动电阻将多余的能量消耗掉。因此，电制动过程中的节能在于尽量多的使用再生制动的能量，如可以通过同一线路上的行车组织尽可能多的利用再生反馈能量，也可通过设置能量储存装置吸收储存多余的再生能量。
通过不同线路各能耗数据的收集形成能耗数据哭，可以为研究不同的车重、牵引系统、线路情况等能耗提供数据支持，进而实现车辆能耗管理工作的信息化和智能化。
参考文献：
[1] BS EN 50463-2：2012 Railway applications-Energy measurement on board trains-Part 2 Energy measuring。
论文作者:丁贺敏,时蒙,施晓芳
论文发表刊物:《电力设备》2018年第29期
论文发表时间:2019/3/29
标签：电流论文; 电压论文; 电阻论文; 测量论文; 能量论文; 列车论文; 记录仪论文; 《电力设备》2018年第29期论文;