浅谈城市轨道交通车辆能耗计量架构及管理系统的应用

 【摘要】介绍了城市轨道交通车辆能耗计量及管理系统的结构、功能。城市轨道交通车辆能耗计量及管理系统采用六通道能耗计量装置和RFID(射频识别)列车定位技术，实现了对地铁车辆能耗的分类计量。建立GPRS(通用分组无线服务)无线传输数据机制和地铁车辆能耗管理平台，处理并存储能耗数据，自动生成曲线和统计报表，实现地铁车辆能耗信息化管理。该系统已在上海轨道交通1号线01A02车型上试点应用，基本功能已得到验证。

关键词：城市轨道交通；车辆能耗；能耗管理系统

　　城市轨道交通的能源消耗量巨大，已成为交通运输行业的重点用能单位。在节能减排的大趋势下，如何有效降低地铁能耗已成为了一个等待解决的问题。车辆是城市轨道交通系统中的用电大户，占城市轨道交通总能耗的50%左右。车辆用能分为牵引用能和辅助用能。目前，车辆能耗管理缺少精确化、科学化的量化考核工具，特别是缺乏有效的车辆牵引系统和辅助系统耗能份额的基础数据。因此，迫切需要建立地铁车辆能耗计量及管理系统，以获取有效的基础数据，作为制定节能措施和考核指标的依据。

　　针对城市轨道交通车辆能耗管理中存在的问题, 上海轨道交通开发了一套适用于城市轨道交通车辆的能耗计量及管理系统，并已展开相关的试点工作。

1  能耗计量及管理系统组成及功能

1.1 整体架构

　　城市轨道交通车辆能耗计量及管理系统主要由车载能耗计量装置和地面能耗管理平台两大部分构成，该系统的网络拓扑图如图1所示。车载能耗计量装置与地面主站之间采用TCP/IP(传输控制协议/因特网互联协议)协议，通过GPRS(通用分组无线服务技术)无线传输构建数据传输通道。在GPRS通信故障时也可人工通过以太网接口有线下载数据并上传至地面管理平台。地面能耗管理平台采用企业内部以太网，可连接城市轨道交通主干通信传输网或通过防火墙连接公众通信网络，并提供数据上传至高一级管理部门的网络接口。地面能耗管理平台提供WEB服务器并容许通过公众通信网络构建的传输通道进行外部访问。

1.2 系统功能

　　城市轨道交通车辆能耗计量及管理系统主要集成了信号采集，能耗计算，数据的发送、接收功能，以及列车出入库判定功能等，并以监测的能耗数据为基础进行分析，实现城市轨道交通车辆能耗的分类统计，为网络层面的能耗监测及管理决策提供有效的依据。其功能主要可分为两部分：

　　(1)车载能耗计量装置:可实现列车牵引输入、再生反馈、牵引能耗、电阻制动、辅助逆变等能耗的分类计量及存储；与地面NTP(网络时间同步协议)服务器的准确对时；可通过车载GPRS通信单元实现能耗数据和RFID(无线射频识别)地面标签信息至地面能耗管理平台无线传输、故障诊断和记录功能等等。

　　(2)地面能耗管理平台：接收车载能耗计量装置传输的能耗数据，并记录、存储于数据库,可长期保存能耗数据；通过接收的RFID地面标签信息，可判定列车出入库状态并加载时戳，区分库内外能耗；能够实现能耗数据的分类统计,同时发布能耗信息, 生成能耗的年、月、日报表及相关曲线，实现地铁车辆能耗的信息化管理。

2  车载能耗计量装置

2.1 车载能耗计量装置结构

　　开发了一套具有多路能耗计量功能的车载能耗计量装置，该装置集有能耗计量、数据存储、RFID地面标签信息采集和GPRS无线传输、准确对时等功能。与外部通信接口采用以太网接口，方便现场数据读取交换，并预留MVB/RS485接口。能耗计量装置釆集数据由装置内的GPRS通信单元通过公网传输至地面能耗管理平台。车载能耗计量装置结构框图如图2所示。

2.2 信号采集

　　通过对城市轨道交通车辆主电路图分析，列车150 V直流母线电压通过Mp(带受电弓动车)车受电弓取自供电接触网；经高压箱分流，一路去辅助逆变器，一路去VVVF(变压变频调速)牵引逆变器。为实现车辆能耗的分类计量，电流、电压采集信号在主电路上的位置如图3所示。图中XUD为直流母线电压U测量点，XLD为牵引电流L测量点,XLD为制动电阻电流比测量点，XLD为辅助逆变电流h测量点。

2.3 能耗计算

　　如图3所示，信号采集点安装电流、电压传感 器，由采集的4个电气参数计算牵引输入能量们、 再生反馈能量Er、牵引能耗Eq、制动电阻能耗Eb及辅助逆变能耗Ea。

　　当牵引电流为正时，列车从接触网吸收能量。 设U为某一时刻直流母线电压值，L为与U相对 应的牵引电流值，则%为：

　　当牵引电流为负时,列车将能量回馈至接触网。 设U为某一时刻直流母线电压值，九为与U相对 应的牵引电流值，则Er为：

　　由牵引输入E,减去再生反馈Er ,即可得到在 某一时间段的Eq：

　　当列车开启电阻制动时,逆变器将电机的能量 反馈至直流侧，在制动电阻上以热能的形式耗散。 设U为某一时刻直流母线电压值，A为与U相对 应的电阻制动电流值，则Eb为：

　　设u为某一时刻直流母线电压值，%为与U 相对应的辅助逆变电流值，则Ea为：

3  地面能耗管理平台

3.1 数据无线传输

　　车载能耗计量装置通过GPRS公网将数据发送至数据中心主机数据库,实现车地的无线数据传输。建立了能耗数据的定点与定时无线数据传输机制,同时也能够通过地面能耗管理平台发送指令实现指定时段的实时数据(电流、电压等)采集并无线上传，以及车载能耗计量装置的参数远程设定功能。

3.2 列车出/入库状态判定

　　节能考核需区分列车的正线和基地牵引能耗, 应正确判定列车的出入库状态。在轨旁加装与车载阅读器配套使用的RFID地面无源标签，在每条进出场线轨道的两侧各装设2个，安装示意图如图4 所示。如图4所示，RFID阅读器阅读标签按从小到大顺序则为出库列车，反之则为入库列车，以此判定列车出入库时刻，进而可区分列车的正线和基地牵引能耗。

3.3 能耗数据的存储和处理

　　从车载计量系统获取的计量数据将在地面数据库服务器进行处理。数据信息按照相关算法自动逻辑计算和处理，并实时地在WEB页面显示。

3.4 曲线及报表生成

　　能够自动生成能耗曲线，自动生成车辆能耗的年、月、日报表；可根据常用的Excel设置模板生成相应报表，能查询任意时刻报表,可显示、打印报表。

3.5 后台数据库管理

　　后台服务器釆用双机冗余热备,建立开放式、网络化数据库(Oracle数据库)，可长期保存能耗数据；软件系统实现动态链接库，实时数据信息更新安全可靠。

3.6 故障记录与示警

　　对系统工作状态、能耗异常状态、网络通信状况、测量参数超限等故障进行记录，在故障警示栏显示故障代码及数量,并存入数据库。

3.7 多级权限用户管理

　　采用密码登录后台,保证设置安全；高权限对低权限管理,分级操作；各权限均具修改密码功能。

4  能耗计量及管理系统试点应用

　　城市轨道交通车辆的能耗计量及管理系统目前已在上海轨道交通1号线01A02车型上试点应用。通过对01A02型列车供电回路分析，考虑集中安装传感器，以方便安装施工。只需在列车每个单元的Mp车上安装霍尔电流、电压传感器，进行电流、电压信号的采集。电流、电压传感器的安装示意图如图5所示。在0116列车上安装了3套能耗计量装置，分别计量牵引输入、再生反馈、辅助逆变、电阻制动、牵引能耗、列车能耗、电制动能量等，同时，在列车整点时刻能耗时报表和列车库内/外能耗统计日报表中还统计再生反馈能量占牵引输入能量的比例、电制动能量占牵引输入能量的比例、电阻制动能耗占牵引能耗的比例、电阻制动能耗占列车能耗的比例、牵引能耗占列车能耗的比例、辅助逆变占列车能耗的比例。列车能 耗为列车牵引能耗与辅助逆变之和，电制动能量为列车电阻制动与再生反馈之和。

　　图6为地铁车辆能耗管理平台生成的0116列 车实际能耗在整点时刻的曲线图。

5  安科瑞能耗监测平台

5.1 平台结构

5.2 产品功能

5.3 典型案例

6  元件选型

7  结语

　　地铁车辆能耗计量及管理系统采用了自主研发的多路能耗计量装置，实现了对地铁车辆能耗的分类计量。建立了GPRS无线传输数据机制和地铁车辆能耗管理平台，实现了能耗数据的存储、处理，可形成曲线和统计报表，初步实现了地铁车辆能耗数据的信息化管理。后期还可引入载客量、车速、线路条件等信息来综合分析列车能耗的影响因素，为地铁车辆的节能管理和节能技改工作提供基础数据和理论依据。

【参考文献】

　　[1]覃栋,王云艳.能耗信息管理系统在电力机车的应用[J]传感器与仪器仪表,2006(6):187.

　　[2]周炯，城市轨道交通车辆能耗计量及管理系统[J]

　　[3]安科瑞企业微电网设计与应用手册.2019.11版