【摘要】介紹了城市軌道交通車輛能耗計(jì)量及管理系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、功能。城市軌道交通車輛能耗計(jì)量及管理系統(tǒng)采用六通道能耗計(jì)量裝置和RFID(射頻識別)列車定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對地鐵車輛能耗的分類計(jì)量。建立GPRS(通用分組無線服務(wù))無線傳輸數(shù)據(jù)機(jī)制和地鐵車輛能耗管理平臺，處理并存儲能耗數(shù)據(jù)，自動生成曲線和統(tǒng)計(jì)報表，實(shí)現(xiàn)地鐵車輛能耗信息化管理。該系統(tǒng)已在上海軌道交通1號線01A02車型上試點(diǎn)應(yīng)用，基本功能已得到驗(yàn)證。

　　關(guān)鍵詞：城市軌道交通；車輛能耗；能耗管理系統(tǒng)

　　城市軌道交通的能源消耗量巨大，已成為交通運(yùn)輸行業(yè)的用能單位。在節(jié)能減排的大趨勢下，如何有效降低地鐵能耗已成為了一個等待解決的問題。車輛是城市軌道交通系統(tǒng)中的用電大戶，占城市軌道交通總能耗的50%左右。車輛用能分為牽引用能和輔助用能。目前，車輛能耗管理缺少科學(xué)化的量化考核工具，特別是缺乏有效的車輛牽引系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)耗能份額的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。因此，迫切需要建立地鐵車輛能耗計(jì)量及管理系統(tǒng)，以獲取有效的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，作為制定節(jié)能措施和考核指標(biāo)的依據(jù)。

　　針對城市軌道交通車輛能耗管理中存在的問題, 上海軌道交通開發(fā)了一套適用于城市軌道交通車輛的能耗計(jì)量及管理系統(tǒng)，并已展開相關(guān)的試點(diǎn)工作。

　　1  能耗計(jì)量及管理系統(tǒng)組成及功能

　　1.1 整體架構(gòu)

　　城市軌道交通車輛能耗計(jì)量及管理系統(tǒng)主要由車載能耗計(jì)量裝置和地面能耗管理平臺兩大部分構(gòu)成，該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D如圖1所示。車載能耗計(jì)量裝置與地面主站之間采用TCP/IP(傳輸控制協(xié)議/因特網(wǎng)互聯(lián)協(xié)議)協(xié)議，通過GPRS(通用分組無線服務(wù)技術(shù))無線傳輸構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸通道。在GPRS通信故障時也可人工通過以太網(wǎng)接口有線下載數(shù)據(jù)并上傳至地面管理平臺。地面能耗管理平臺采用企業(yè)內(nèi)部以太網(wǎng)，可連接城市軌道交通主干通信傳輸網(wǎng)或通過防火墻連接公眾通信網(wǎng)絡(luò)，并提供數(shù)據(jù)上傳至上級管理部門的網(wǎng)絡(luò)接口。地面能耗管理平臺提供WEB服務(wù)器并容許通過公眾通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的傳輸通道進(jìn)行外部訪問。

1.2 系統(tǒng)功能

　　城市軌道交通車輛能耗計(jì)量及管理系統(tǒng)主要集成了信號采集，能耗計(jì)算，數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收功能，以及列車出入庫判定功能等，并以監(jiān)測的能耗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)城市軌道交通車輛能耗的分類統(tǒng)計(jì)，為網(wǎng)絡(luò)層面的能耗監(jiān)測及管理決策提供有效的依據(jù)。其功能主要可分為兩部分：

　　(1)車載能耗計(jì)量裝置:可實(shí)現(xiàn)列車牽引輸入、再生反饋、牽引能耗、電阻制動、輔助逆變等能耗的分類計(jì)量及存儲；與地面NTP(網(wǎng)絡(luò)時間同步協(xié)議)服務(wù)器的準(zhǔn)確對時；可通過車載GPRS通信單元實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)和RFID(無線射頻識別)地面標(biāo)簽信息至地面能耗管理平臺無線傳輸、故障診斷和記錄功能等等。

　　(2)地面能耗管理平臺：接收車載能耗計(jì)量裝置傳輸?shù)哪芎臄?shù)據(jù)，并記錄、存儲于數(shù)據(jù)庫,可長期保存能耗數(shù)據(jù)；通過接收的RFID地面標(biāo)簽信息，可判定列車出入庫狀態(tài)并加載時戳，區(qū)分庫內(nèi)外能耗；能夠?qū)崿F(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的分類統(tǒng)計(jì),同時發(fā)布能耗信息, 生成能耗的年、月、日報表及相關(guān)曲線，實(shí)現(xiàn)地鐵車輛能耗的信息化管理。

　　2  車載能耗計(jì)量裝置

　　2.1 車載能耗計(jì)量裝置結(jié)構(gòu)

　　開發(fā)了一套具有多路能耗計(jì)量功能的車載能耗計(jì)量裝置，該裝置集有能耗計(jì)量、數(shù)據(jù)存儲、RFID地面標(biāo)簽信息采集和GPRS無線傳輸、準(zhǔn)確對時等功能。與外部通信接口采用以太網(wǎng)接口，方便現(xiàn)場數(shù)據(jù)讀取交換，并預(yù)留MVB/RS485接口。能耗計(jì)量裝置釆集數(shù)據(jù)由裝置內(nèi)的GPRS通信單元通過公網(wǎng)傳輸至地面能耗管理平臺。車載能耗計(jì)量裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.2 信號采集

　　通過對城市軌道交通車輛主電路圖分析，列車150 V直流母線電壓通過Mp(帶受電弓動車)車受電弓取自供電接觸網(wǎng)；經(jīng)高壓箱分流，一路去輔助逆變器，一路去VVVF(變壓變頻調(diào)速)牽引逆變器。為實(shí)現(xiàn)車輛能耗的分類計(jì)量，電流、電壓采集信號在主電路上的位置如圖3所示。圖中XUD為直流母線電壓U測量點(diǎn)，XLD為牽引電流L測量點(diǎn),XLD為制動電阻電流比測量點(diǎn)，XLD為輔助逆變電流h測量點(diǎn)。

2.3 能耗計(jì)算

　　如圖3所示，信號采集點(diǎn)安裝電流、電壓傳感 器，由采集的4個電氣參數(shù)計(jì)算牽引輸入能量們、 再生反饋能量Er、牽引能耗Eq、制動電阻能耗Eb及輔助逆變能耗Ea。

　　當(dāng)牽引電流為正時，列車從接觸網(wǎng)吸收能量。 設(shè)U為某一時刻直流母線電壓值，L為與U相對 應(yīng)的牽引電流值，則%為：

　　當(dāng)牽引電流為負(fù)時,列車將能量回饋至接觸網(wǎng)。 設(shè)U為某一時刻直流母線電壓值，九為與U相對 應(yīng)的牽引電流值，則Er為：

　　由牽引輸入E,減去再生反饋Er ,即可得到在 某一時間段的Eq：

　　當(dāng)列車開啟電阻制動時,逆變器將電機(jī)的能量 反饋至直流側(cè)，在制動電阻上以熱能的形式耗散。 設(shè)U為某一時刻直流母線電壓值，A為與U相對 應(yīng)的電阻制動電流值，則Eb為：

　　設(shè)u為某一時刻直流母線電壓值，%為與U 相對應(yīng)的輔助逆變電流值，則Ea為：

3  地面能耗管理平臺

　　3.1 數(shù)據(jù)無線傳輸

　　車載能耗計(jì)量裝置通過GPRS公網(wǎng)將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心主機(jī)數(shù)據(jù)庫,實(shí)現(xiàn)車地的無線數(shù)據(jù)傳輸。建立了能耗數(shù)據(jù)的定點(diǎn)與定時無線數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制,同時也能夠通過地面能耗管理平臺發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)指定時段的實(shí)時數(shù)據(jù)(電流、電壓等)采集并無線上傳，以及車載能耗計(jì)量裝置的參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)定功能。

　　3.2 列車出/入庫狀態(tài)判定

　　節(jié)能考核需區(qū)分列車的正線和基地牽引能耗, 應(yīng)正確判定列車的出入庫狀態(tài)。在軌旁加裝與車載閱讀器配套使用的RFID地面無源標(biāo)簽，在每條進(jìn)出場線軌道的兩側(cè)各裝設(shè)2個，安裝示意圖如圖4 所示。如圖4所示，RFID閱讀器閱讀標(biāo)簽按從小到大順序則為出庫列車，反之則為入庫列車，以此判定列車出入庫時刻，進(jìn)而可區(qū)分列車的正線和基地牽引能耗。

3.3 能耗數(shù)據(jù)的存儲和處理

　　從車載計(jì)量系統(tǒng)獲取的計(jì)量數(shù)據(jù)將在地面數(shù)據(jù)庫服務(wù)器進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)信息按照相關(guān)算法自動邏輯計(jì)算和處理，并實(shí)時地在WEB頁面顯示。

　　3.4 曲線及報表生成

　　能夠自動生成能耗曲線，自動生成車輛能耗的年、月、日報表；可根據(jù)常用的Excel設(shè)置模板生成相應(yīng)報表，能查詢?nèi)我鈺r刻報表,可顯示、打印報表。

　　3.5 后臺數(shù)據(jù)庫管理

　　后臺服務(wù)器釆用雙機(jī)冗余熱備,建立開放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)庫(Oracle數(shù)據(jù)庫)，可長期保存能耗數(shù)據(jù)；軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動態(tài)鏈接庫，實(shí)時數(shù)據(jù)信息更新安全可靠。

　　3.6 故障記錄與示警

　　對系統(tǒng)工作狀態(tài)、能耗異常狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)通信狀況、測量參數(shù)超限等故障進(jìn)行記錄，在故障警示欄顯示故障代碼及數(shù)量,并存入數(shù)據(jù)庫。

　　3.7 多級權(quán)限用戶管理

　　采用密碼登錄后臺,保證設(shè)置安全；高權(quán)限對低權(quán)限管理,分級操作；各權(quán)限均具修改密碼功能。

　　4  能耗計(jì)量及管理系統(tǒng)試點(diǎn)應(yīng)用

　　城市軌道交通車輛的能耗計(jì)量及管理系統(tǒng)目前已在上海軌道交通1號線01A02車型上試點(diǎn)應(yīng)用。通過對01A02型列車供電回路分析，考慮集中安裝傳感器，以方便安裝施工。只需在列車每個單元的Mp車上安裝霍爾電流、電壓傳感器，進(jìn)行電流、電壓信號的采集。電流、電壓傳感器的安裝示意圖如圖5所示。在0116列車上安裝了3套能耗計(jì)量裝置，分別計(jì)量牽引輸入、再生反饋、輔助逆變、電阻制動、牽引能耗、列車能耗、電制動能量等，同時，在列車整點(diǎn)時刻能耗時報表和列車庫內(nèi)/外能耗統(tǒng)計(jì)日報表中還統(tǒng)計(jì)再生反饋能量占牽引輸入能量的比例、電制動能量占牽引輸入能量的比例、電阻制動能耗占牽引能耗的比例、電阻制動能耗占列車能耗的比例、牽引能耗占列車能耗的比例、輔助逆變占列車能耗的比例。列車能 耗為列車牽引能耗與輔助逆變之和，電制動能量為列車電阻制動與再生反饋之和。

　　圖6為地鐵車輛能耗管理平臺生成的0116列 車實(shí)際能耗在整點(diǎn)時刻的曲線圖。

5  安科瑞能耗監(jiān)測平臺

　　5.1 平臺結(jié)構(gòu)

5.2 產(chǎn)品功能

5.3 典型案例

6  元件選型

7  結(jié)語

　　地鐵車輛能耗計(jì)量及管理系統(tǒng)采用了自主研發(fā)的多路能耗計(jì)量裝置，實(shí)現(xiàn)了對地鐵車輛能耗的分類計(jì)量。建立了GPRS無線傳輸數(shù)據(jù)機(jī)制和地鐵車輛能耗管理平臺，實(shí)現(xiàn)了能耗數(shù)據(jù)的存儲、處理，可形成曲線和統(tǒng)計(jì)報表，初步實(shí)現(xiàn)了地鐵車輛能耗數(shù)據(jù)的信息化管理。后期還可引入載客量、車速、線路條件等信息來綜合分析列車能耗的影響因素，為地鐵車輛的節(jié)能管理和節(jié)能技改工作提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論依據(jù)。

　　【參考文獻(xiàn)】

　　[1]覃棟,王云艷.能耗信息管理系統(tǒng)在電力機(jī)車的應(yīng)用[J]傳感器與儀器儀表,2006(6):187.

　　[2]周炯，城市軌道交通車輛能耗計(jì)量及管理系統(tǒng)[J]

　　[3]安科瑞企業(yè)微電網(wǎng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用手冊.2019.11版

        作者簡介：

        耿敏花，女，本科，江蘇安科瑞電器制造有限公司，主要從事智慧消防管理云平臺研發(fā)與應(yīng)用；Email:gengminhua@email.acrel.com；手機(jī)：18860995116（微信同號）；QQ:2880581271