文章詳情
淺談城市軌道交通車輛能耗計量架構及管理系統的應用
日期：2024-12-22 17:15
瀏覽次數：604
摘要：
【摘要】介紹了城市軌道交通車輛能耗計量及管理系統的結構、功能。城市軌道交通車輛能耗計量及管理系統采用六通道能耗計量裝置和RFID(射頻識別)列車定位技術，實現了對地鐵車輛能耗的分類計量。建立GPRS(通用分組無線服務)無線傳輸數據機制和地鐵車輛能耗管理平臺，處理并存儲能耗數據，自動生成曲線和統計報表，實現地鐵車輛能耗信息化管理。該系統已在上海軌道交通1號線01A02車型上試點應用，基本功能已得到驗證。
關鍵詞：城市軌道交通；車輛能耗；能耗管理系統
城市軌道交通的能源消耗量巨大，已成為交通運輸...
張娟
安科瑞電氣股份有限公司 201801
【摘要】介紹了城市軌道交通車輛能耗計量及管理系統的結構、功能。城市軌道交通車輛能耗計量及管理系統采用六通道能耗計量裝置和RFID(射頻識別)列車定位技術，實現了對地鐵車輛能耗的分類計量。建立GPRS(通用分組無線服務)無線傳輸數據機制和地鐵車輛能耗管理平臺，處理并存儲能耗數據，自動生成曲線和統計報表，實現地鐵車輛能耗信息化管理。該系統已在上海軌道交通1號線01A02車型上試點應用，基本功能已得到驗證。
關鍵詞：城市軌道交通；車輛能耗；能耗管理系統
城市軌道交通的能源消耗量巨大，已成為交通運輸行業的用能單位。在節能減排的大趨勢下，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化的量化考核工具，特別是缺乏有效的車輛牽引系統和輔助系統耗能份額的基礎數據。因此，迫切需要建立地鐵車輛能耗計量及管理系統，以獲取有效的基礎數據，作為制定節能措施和考核指標的依據。
針對城市軌道交通車輛能耗管理中存在的問題, 上海軌道交通開發了一套適用于城市軌道交通車輛的能耗計量及管理系統，并已展開相關的試點工作。
1 能耗計量及管理系統組成及功能
1.1 整體架構
城市軌道交通車輛能耗計量及管理系統主要由車載能耗計量裝置和地面能耗管理平臺兩大部分構成，該系統的網絡拓撲圖如圖1所示。車載能耗計量裝置與地面主站之間采用TCP/IP(傳輸控制協議/因特網互聯協議)協議，通過GPRS(通用分組無線服務技術)無線傳輸構建數據傳輸通道。在GPRS通信故障時也可人工通過以太網接口有線下載數據并上傳至地面管理平臺。地面能耗管理平臺采用企業內部以太網，可連接城市軌道交通主干通信傳輸網或通過防火墻連接公眾通信網絡，并提供數據上傳至高**管理部門的網絡接口。地面能耗管理平臺提供WEB服務器并容許通過公眾通信網絡構建的傳輸通道進行外部訪問。
1.2 系統功能
城市軌道交通車輛能耗計量及管理系統主要集成了信號采集，能耗計算，數據的發送、接收功能，以及列車出入庫判定功能等，并以監測的能耗數據為基礎進行分析，實現城市軌道交通車輛能耗的分類統計，為網絡層面的能耗監測及管理決策提供有效的依據。其功能主要可分為兩部分：
(1)車載能耗計量裝置:可實現列車牽引輸入、再生反饋、牽引能耗、電阻制動、輔助逆變等能耗的分類計量及存儲；與地面NTP(網絡時間同步協議)服務器的準確對時；可通過車載GPRS通信單元實現能耗數據和RFID(無線射頻識別)地面標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：接收車載能耗計量裝置傳輸的能耗數據，并記錄、存儲于數據庫,可長期保存能耗數據；通過接收的RFID地面標簽信息，可判定列車出入庫狀態并加載時戳，區分庫內外能耗；能夠實現能耗數據的分類統計,同時發布能耗信息, 生成能耗的年、月、日報表及相關曲線，實現地鐵車輛能耗的信息化管理。
2 車載能耗計量裝置
2.1 車載能耗計量裝置結構
開發了一套具有多路能耗計量功能的車載能耗計量裝置，該裝置集有能耗計量、數據存儲、RFID地面標簽信息采集和GPRS無線傳輸、準確對時等功能。與外部通信接口采用以太網接口，方便現場數據讀取交換，并預留MVB/RS485接口。能耗計量裝置釆集數據由裝置內的GPRS通信單元通過公網傳輸至地面能耗管理平臺。車載能耗計量裝置結構框圖如圖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；經高壓箱分流，一路去輔助逆變器，一路去VVVF(變壓變頻調速)牽引逆變器。為實現車輛能耗的分類計量，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，XLD為牽引電流L測量點,XLD為制動電阻電流比測量點，XLD為輔助逆變電流h測量點。
2.3 能耗計算
如圖3所示，信號采集點安裝電流、電壓傳感 器，由采集的4個電氣參數計算牽引輸入能量們、 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。
當牽引電流為正時，列車從接觸網吸收能量。 設U為某一時刻直流母線電壓值，L為與U相對 應的牽引電流值，則%為：
當牽引電流為負時,列車將能量回饋至接觸網。 設U為某一時刻直流母線電壓值，九為與U相對 應的牽引電流值，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：
當列車開啟電阻制動時,逆變器將電機的能量 反饋至直流側，在制動電阻上以熱能的形式耗散。 設U為某一時刻直流母線電壓值，A為與U相對 應的電阻制動電流值，則Eb為：
設u為某一時刻直流母線電壓值，%為與U 相對應的輔助逆變電流值，則Ea為：
3 地面能耗管理平臺
3.1 數據無線傳輸
車載能耗計量裝置通過GPRS公網將數據發送至數據中心主機數據庫,實現車地的無線數據傳輸。建立了能耗數據的定點與定時無線數據傳輸機制,同時也能夠通過地面能耗管理平臺發送指令實現指定時段的實時數據(電流、電壓等)采集并無線上傳，以及車載能耗計量裝置的參數遠程設定功能。
3.2 列車出/入庫狀態判定
節能考核需區分列車的正線和基地牽引能耗, 應正確判定列車的出入庫狀態。在軌旁加裝與車載閱讀器配套使用的RFID地面無源標簽，在每條進出場線軌道的兩側各裝設2個，安裝示意圖如圖4 所示。如圖4所示，RFID閱讀器閱讀標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，進而可區分列車的正線和基地牽引能耗。
3.3 能耗數據的存儲和處理
從車載計量系統獲取的計量數據將在地面數據庫服務器進行處理。數據信息按照相關算法自動邏輯計算和處理，并實時地在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；可根據常用的Excel設置模板生成相應報表，能查詢任意時刻報表,可顯示、打印報表。
3.5 后臺數據庫管理
后臺服務器釆用雙機冗余熱備,建立開放式、網絡化數據庫(Oracle數據庫)，可長期保存能耗數據；軟件系統實現動態鏈接庫，實時數據信息更新**可靠。
3.6 故障記錄與示警
對系統工作狀態、能耗異常狀態、網絡通信狀況、測量參數超限等故障進行記錄，在故障警示欄顯示故障代碼及數量,并存入數據庫。
3.7 多級權限用戶管理
采用密碼登錄后臺,保證設置**；高權限對低權限管理,分級操作；各權限均具修改密碼功能。
4 能耗計量及管理系統試點應用
城市軌道交通車輛的能耗計量及管理系統目前已在上海軌道交通1號線01A02車型上試點應用。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套能耗計量裝置，分別計量牽引輸入、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，在列車整點時刻能耗時報表和列車庫內/外能耗統計日報表中還統計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 車實際能耗在整點時刻的曲線圖。
5 安科瑞能耗監測平臺
5.1 平臺結構
5.2 產品功能
5.3 典型案例
6 元件選型
7 結語
地鐵車輛能耗計量及管理系統采用了自主研發的多路能耗計量裝置，實現了對地鐵車輛能耗的分類計量。建立了GPRS無線傳輸數據機制和地鐵車輛能耗管理平臺，實現了能耗數據的存儲、處理，可形成曲線和統計報表，初步實現了地鐵車輛能耗數據的信息化管理。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，為地鐵車輛的節能管理和節能技改工作提供基礎數據和理論依據。
作者簡介：張娟 任職于安科瑞電氣股份有限公司 郵箱：2885050128@qq.com QQ：2885050128
