淺談城市軌道交通車(chē)輛能耗計(jì)量架構(gòu)及管理系統(tǒng)的應(yīng)用

時(shí)間：2020-06-30作者：安科瑞電氣股份有限公司瀏覽：2890

【摘要】介紹了城市軌道交通車(chē)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(chē)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(shí)別)列車(chē)定位技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地鐵車(chē)輛能耗的分類(lèi)計(jì)量。建立GPRS(通用分組無(wú)線服務(wù))無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)機(jī)制和地鐵車(chē)輛能耗管理平臺(tái)，處理并存儲(chǔ)能耗數(shù)據(jù)，自動(dòng)生成曲線和統(tǒng)計(jì)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)地鐵車(chē)輛能耗信息化管理。該系統(tǒng)已在上海軌道交通1號(hào)線01A02車(chē)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(chē)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(shì)下，如何有效降低地鐵能耗已成為了一個(gè)等待解決的問(wèn)題。車(chē)輛是城市軌道交通系統(tǒng)中的用電大戶(hù)，占城市軌道交通總能耗的50%左右。車(chē)輛用能分為牽引用能和輔助用能。目前，車(chē)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(chē)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(chē)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(duì)城市軌道交通車(chē)輛能耗管理中存在的問(wèn)題, 上海軌道交通開(kāi)發(fā)了一套適用于城市軌道交通車(chē)輛的能耗計(jì)量及管理系統(tǒng)，并已展開(kāi)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(chē)輛能耗計(jì)量及管理系統(tǒng)主要由車(chē)載能耗計(jì)量裝置和地面能耗管理平臺(tái)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(chē)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(guò)GPRS(通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù))無(wú)線傳輸構(gòu)建數(shù)據(jù)傳輸通道。在GPRS通信故障時(shí)也可人工通過(guò)以太網(wǎng)接口有線下載數(shù)據(jù)并上傳至地面管理平臺(tái)。地面能耗管理平臺(tái)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(guò)*墻連接公眾通信網(wǎng)絡(luò)，并提供數(shù)據(jù)上傳**一級(jí)管理部門(mén)的網(wǎng)絡(luò)接口。地面能耗管理平臺(tái)提供WEB服務(wù)器并容許通過(guò)公眾通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的傳輸通道進(jìn)行外部訪問(wèn)。
 
1.2 系統(tǒng)功能
城市軌道交通車(chē)輛能耗計(jì)量及管理系統(tǒng)主要集成了信號(hào)采集，能耗計(jì)算，數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收功能，以及列車(chē)出入庫(kù)判定功能等，并以監(jiān)測(cè)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(chē)輛能耗的分類(lèi)統(tǒng)計(jì)，為網(wǎng)絡(luò)層面的能耗監(jiān)測(cè)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(chē)載能耗計(jì)量裝置:可實(shí)現(xiàn)列車(chē)牽引輸入、再生反饋、牽引能耗、電阻制動(dòng)、輔助逆變等能耗的分類(lèi)計(jì)量及存儲(chǔ)；與地面NTP(網(wǎng)絡(luò)時(shí)間同步協(xié)議)服務(wù)器的準(zhǔn)確對(duì)時(shí)；可通過(guò)車(chē)載GPRS通信單元實(shí)現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)和RFID(無(wú)線射頻識(shí)別)地面標(biāo)簽信息至地面能耗管理平臺(tái)無(wú)線傳輸、故障診斷和記錄功能等等。
(2)地面能耗管理平臺(tái)：接收車(chē)載能耗計(jì)量裝置傳輸?shù)哪芎臄?shù)據(jù)，并記錄、存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)庫(kù),可長(zhǎng)期保存能耗數(shù)據(jù)；通過(guò)接收的RFID地面標(biāo)簽信息，可判定列車(chē)出入庫(kù)狀態(tài)并加載時(shí)戳，區(qū)分庫(kù)內(nèi)外能耗；能夠?qū)崿F(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的分類(lèi)統(tǒng)計(jì),同時(shí)發(fā)布能耗信息, 生成能耗的年、月、日?qǐng)?bào)表及相關(guān)曲線，實(shí)現(xiàn)地鐵車(chē)輛能耗的信息化管理。
 
2  車(chē)載能耗計(jì)量裝置
2.1 車(chē)載能耗計(jì)量裝置結(jié)構(gòu)
開(kāi)發(fā)了一套具有多路能耗計(jì)量功能的車(chē)載能耗計(jì)量裝置，該裝置集有能耗計(jì)量、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、RFID地面標(biāo)簽信息采集和GPRS無(wú)線傳輸、準(zhǔn)確對(duì)時(shí)等功能。與外部通信接口采用以太網(wǎng)接口，方便現(xiàn)場(chǎng)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(guò)公網(wǎng)傳輸至地面能耗管理平臺(tái)。車(chē)載能耗計(jì)量裝置結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。
 
 
2.2 信號(hào)采集
通過(guò)對(duì)城市軌道交通車(chē)輛主電路圖分析，列車(chē)150 V直流母線電壓通過(guò)Mp(帶受電弓動(dòng)車(chē))車(chē)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(chē)輛能耗的分類(lèi)計(jì)量，電流、電壓采集信號(hào)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(cè)量點(diǎn)，XLD為牽引電流L測(cè)量點(diǎn),XLD為制動(dòng)電阻電流比測(cè)量點(diǎn)，XLD為輔助逆變電流h測(cè)量點(diǎn)。
 
2.3 能耗計(jì)算
如圖3所示，信號(hào)采集點(diǎn)安裝電流、電壓傳感 器，由采集的4個(gè)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(dòng)電阻能耗Eb及輔助逆變能耗Ea。
當(dāng)牽引電流為正時(shí)，列車(chē)從接觸網(wǎng)吸收能量。 設(shè)U為某一時(shí)刻直流母線電壓值，L為與U相對(duì) 應(yīng)的牽引電流值，則%為：
當(dāng)牽引電流為負(fù)時(shí),列車(chē)將能量回饋至接觸網(wǎng)。 設(shè)U為某一時(shí)刻直流母線電壓值，九為與U相對(duì) 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(shí)間段的Eq：
當(dāng)列車(chē)開(kāi)啟電阻制動(dòng)時(shí),逆變器將電機(jī)的能量 反饋至直流側(cè)，在制動(dòng)電阻上以熱能的形式耗散。 設(shè)U為某一時(shí)刻直流母線電壓值，A為與U相對(duì) 應(yīng)的電阻制動(dòng)電流值，則Eb為：
設(shè)u為某一時(shí)刻直流母線電壓值，%為與U 相對(duì)應(yīng)的輔助逆變電流值，則Ea為：
 
3  地面能耗管理平臺(tái)
3.1 數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸
車(chē)載能耗計(jì)量裝置通過(guò)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(kù),實(shí)現(xiàn)車(chē)地的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。建立了能耗數(shù)據(jù)的**與定時(shí)無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制,同時(shí)也能夠通過(guò)地面能耗管理平臺(tái)發(fā)送指令實(shí)現(xiàn)指定時(shí)段的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)(電流、電壓等)采集并無(wú)線上傳，以及車(chē)載能耗計(jì)量裝置的參數(shù)遠(yuǎn)程設(shè)定功能。
3.2 列車(chē)出/入庫(kù)狀態(tài)判定
節(jié)能考核需區(qū)分列車(chē)的正線和基地牽引能耗, 應(yīng)正確判定列車(chē)的出入庫(kù)狀態(tài)。在軌旁加裝與車(chē)載閱讀器配套使用的RFID地面無(wú)源標(biāo)簽，在每條進(jìn)出場(chǎng)線軌道的兩側(cè)各裝設(shè)2個(gè)，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(kù)列車(chē)，反之則為入庫(kù)列車(chē)，以此判定列車(chē)出入庫(kù)時(shí)刻，進(jìn)而可區(qū)分列車(chē)的正線和基地牽引能耗。
 
3.3 能耗數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和處理
從車(chē)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(kù)服務(wù)器進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)信息按照相關(guān)算法自動(dòng)邏輯計(jì)算和處理，并實(shí)時(shí)地在WEB頁(yè)面顯示。
3.4 曲線及報(bào)表生成
能夠自動(dòng)生成能耗曲線，自動(dòng)生成車(chē)輛能耗的年、月、日?qǐng)?bào)表；可根據(jù)常用的Excel設(shè)置模板生成相應(yīng)報(bào)表，能查詢(xún)?nèi)我鈺r(shí)刻報(bào)表,可顯示、打印報(bào)表。
3.5 后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)管理
后臺(tái)服務(wù)器釆用雙機(jī)冗余熱備,建立開(kāi)放式、網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)庫(kù)(Oracle數(shù)據(jù)庫(kù))，可長(zhǎng)期保存能耗數(shù)據(jù)；軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)，實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息更新安全可靠。
3.6 故障記錄與示警
對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)、能耗異常狀態(tài)、網(wǎng)絡(luò)通信狀況、測(cè)量參數(shù)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(kù)。
3.7 多級(jí)權(quán)限用戶(hù)管理
采用密碼登錄后臺(tái),保證設(shè)置安全；高權(quán)限對(duì)低權(quán)限管理,分級(jí)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(chē)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(hào)線01A02車(chē)型上試點(diǎn)應(yīng)用。通過(guò)對(duì)01A02型列車(chē)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(chē)每個(gè)單元的Mp車(chē)上安裝霍爾電流、電壓傳感器，進(jìn)行電流、電壓信號(hào)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(chē)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(dòng)、牽引能耗、列車(chē)能耗、電制動(dòng)能量等，同時(shí)，在列車(chē)整點(diǎn)時(shí)刻能耗時(shí)報(bào)表和列車(chē)庫(kù)內(nèi)/外能耗統(tǒng)計(jì)日?qǐng)?bào)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(dòng)能量占牽引輸入能量的比例、電阻制動(dòng)能耗占牽引能耗的比例、電阻制動(dòng)能耗占列車(chē)能耗的比例、牽引能耗占列車(chē)能耗的比例、輔助逆變占列車(chē)能耗的比例。列車(chē)能 耗為列車(chē)牽引能耗與輔助逆變之和，電制動(dòng)能量為列車(chē)電阻制動(dòng)與再生反饋之和。
 
圖6為地鐵車(chē)輛能耗管理平臺(tái)生成的0116列 車(chē)實(shí)際能耗在整點(diǎn)時(shí)刻的曲線圖。
 
 
5  安科瑞能耗監(jiān)測(cè)平臺(tái)
5.1 平臺(tái)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(yǔ)
地鐵車(chē)輛能耗計(jì)量及管理系統(tǒng)采用了*的多路能耗計(jì)量裝置，實(shí)現(xiàn)了對(duì)地鐵車(chē)輛能耗的分類(lèi)計(jì)量。建立了GPRS無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)機(jī)制和地鐵車(chē)輛能耗管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了能耗數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理，可形成曲線和統(tǒng)計(jì)報(bào)表，初步實(shí)現(xiàn)了地鐵車(chē)輛能耗數(shù)據(jù)的信息化管理。后期還可引入載客量、車(chē)速、線路條件等信息來(lái)綜合分析列車(chē)能耗的影響因素，為地鐵車(chē)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)。

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