电气工程学报, 2020, 15(3): 50-56 doi: 10.11985/2020.03.007

列车能耗测试装置与分析方法研究*

李宁,, 余进

中车青岛四方机车车辆股份有限公司 青岛 266111

Research on Train Energy Consumption Test Device and Analysis Method

LI Ning,, YU Jin

CRRC Qingdao Sifang Locomotive and Rolling Stock Co., Ltd., Qingdao 266111

收稿日期: 2020-05-9   修回日期: 2020-07-6   网络出版日期: 2020-09-25

基金资助: * 国家重点研发计划.  2017YFB1201005-05

Received: 2020-05-9   Revised: 2020-07-6   Online: 2020-09-25

作者简介 About authors

李宁,男,1980年生,博士。主要从事轨道交通列车试验测试及验证技术研究。E-mail：lining@cqsf.com

摘要

随着城市轨道交通能耗较高的问题日益凸显,亟待对列车能耗进行测试并对测试数据进行分析,从而为列车节能运行提出更多的参考建议。根据城市轨道交通列车能量流动规律,研制一套满足EN50463标准要求的列车能耗与里程测试装置。结合多种传感器,该装置可实现全列车消耗的电能与实时运行速度和里程的测量,并对测试数据进行分析。以德令哈市有轨电车测试案例为背景,详细介绍了城市轨道交通的能量流动规律与该列车测试装置及测试数据分析方法。

关键词： 城市轨道交通 ; 能耗测试 ; 里程测试 ; 数据分析

Abstract

As the problem of high energy consumption of urban rail transit becomes increasingly prominent, it is urgent to test the energy consumption of trains and analyze the test data, so as to put forward more reference suggestions for the energy-saving operation of trains. According to the energy flow law of urban rail transit trains, a set of train energy consumption and mileage test equipment that meets the requirements of EN50463 standard is developed. Combined with a variety of sensors, the device can measure the electric energy consumed by the entire train, real-time running speed and mileage, and analyze the test data. Taking the tram test case in Delingha as the background, the energy flow law of urban rail transit, the train test device and the test data analysis method are introduced in detail.

Keywords： Urban rail transit ; energy consumption test ; mileage test ; data analysis

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本文引用格式

李宁, 余进. 列车能耗测试装置与分析方法研究*. 电气工程学报[J], 2020, 15(3): 50-56 doi:10.11985/2020.03.007

LI Ning, YU Jin. Research on Train Energy Consumption Test Device and Analysis Method. Journal of Electrical Engineering[J], 2020, 15(3): 50-56 doi:10.11985/2020.03.007

1 引言

目前,我国经济发展已达到新阶段,城市规模不断扩大,未来我国城市居民数量将持续增长,人口膨胀、交通拥挤、环境问题成为困扰城市持续发展的顽疾。城市轨道交通是解决大城市病的有效途径,为了解决日益激增的居民出行需求和日益严重的环境污染问题,很多城市正大力发展轨道交通事业,据中国城市轨道交通协会发布的数据,截止2019年底,中国内地(不含港澳台地区)已有40个城市开通城市轨道交通[1]。

作为一种方便快捷的交通工具,城市轨道交通具有速度快、安全性高、运载能力强、节能环保、准点舒适等特点,可以有效缓解城市交通的拥堵问题,在同等运力下,城市轨道交通的能耗也远远低于其他交通方式[2,3,4]。然而,由于总运量仍然较大,城市轨道交通的能耗总量仍然较高。据统计,列车的牵引供电通常占到了城市轨道交通总电能的一半以上,这直接关系到运营单位的运营成本。许多学者针对城市轨道交通总能耗大的问题提出了节能方法,文献[5,6]对运行轨迹进行了优化,文献[7,8]有效利用了再生制动能源,这些方法在一定程度上降低了城市轨道交通的总能耗,其不足是缺少试验数据作为理论支撑。文献[9,10]建立了能耗评价体系,并结合实测数据分析了城市轨道交通能耗特性,可供参考。还有学者建立城市轨道交通仿真系统,借助潮流计算手段可以得到系统能耗特性[11],但相比与实际结果,仍具有一定的误差,而且大多数能耗特性仿真分析集中于牵引能耗的计算[12,13],缺少对列车内部各子系统的能耗分析。

同时,列车在运行过程中会经历牵引、惰行和制动等多种工况,在评估供电区段和列车能耗的关系,在工况转换和线路变换时,列车速度和位置均会发生变化。而在评估供电区段能耗规律时,列车的位置和速度对评估结果具有很大的影响。本文采用多种速度传感器融合的方法,对列车的速度和里程进行了测试。本文选用的传感器主要有：① 转速计,对列车车轮对转轴的转速进行测量,受轮径的精确测量、车轮的打滑、空转影响;② 雷达,利用多普勒频移原理直接测量列车的速度,对传感器的要求较高,雷达波必须发射到刚体上;③ 惯性导航传感器,直接测量列车加速度和姿态,在计算速度和里程会存在较大的累计误差;④ 全球定位系统 (Global positioning system,GPS),对列车当前的经纬度进行直接测量,并以此推算出列车速度,采样率较低。

本文借助列车能耗测试装置,采取实际测量的手段,结合能耗和里程实测数据,提出列车能耗分析方法,揭示了列车运行过程各子系统的能耗行为,为进一步提出有效的节能方法和策略打下基础。

2 测试原理

2.1 能量流动规律

城市轨道交通的供电方式一般为直流供电,如图1所示,首先由发电厂或者城市电网区域变电所以高压(如110 kV)向主变电所供电,经过降压并在沿线结合牵引变电所的进线形成35 kV的中压环网,由环网供沿线设置的牵引变电所经降压整流为直流电(如1 500 V或750 V),从而对列车供电。

图1

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图1   典型列车电能流动示意图


由于导线与设备损耗的存在,电能在中间过程传递时会不断递减,列车在运行过程中主要存在牵引工况、再生制动工况和惰行工况[14]。

(1) 牵引工况。处于该工况时,列车会加速到目标速度,从牵引网上获取牵引能量并在列车的牵引子系统中转化成牵引力,并最终转化为动能供列车运行使用。同时,能量通过克服阻力做功消耗掉,阻力包括了气动阻力的基本阻力、坡道阻力、曲线阻力和隧道阻力。受电弓在取得牵引网上的能量后,在车载变压器中由泄露阻抗和磁化阻抗消耗掉一部分,一部分能量流到辅助子系统内,为乘客提供光照服务;一部分能量流到空调子系统,为乘客提供暖气、空调服务;剩余的能量则经过牵引变流器流入牵引子系统,在此电能被转化,以满足异步电动机的功率要求,同时,在换流环节绝缘栅双极性晶体管(Insulated gate bipolar transistor, IGBT)和二极管的导通损耗和开关损耗也会消耗一定的能量。然后,异步电动机将电能转换为机械能,这个过程损耗了部分能量,这些损耗包括定子损耗、转子损耗、磁心损耗、摩擦和克服空气阻力做功导致的损耗以及杂散负载损耗。最后,变速箱提供从异步电动机到车轮的速度和转矩转换,并用动力驱动列车。

(2) 再生制动工况。当处于该工况时,列车会将速度减少到零或很低,综合制动力(由基本阻力、附加空气制动力和再生制动力组成)会消耗动能。其中,当异步电动机作为发电机工作时,再生制动力会将消耗的能量返送回牵引网,异步电动机将机械能转化为电能。此外,再生制动力在流经各个装置时会因为损耗的原因,返送的能量也会有所损失。

(3) 惰行工况。该工况主要用于列车处于较低目标速度或者在牵引工况与再生制动工况之间的缓冲环节。通常在这种工况下列车和牵引网无直接能量交换,可以认为是没有任何牵引力的牵引工况,由于各种阻力做功,会导致列车动能的降低。因此,列车的速度会逐渐降低,在列车内亦无能量的流动,损耗趋近于零。

2.2 测试体系

列车能量测试体系满足EN50463标准,该标准规定了铁路设施的能量测量与计算[13, 15-16]。该标准体系主要由能量测量函数(Energy measurement function, EMF)和数据处理系统(Data handle system, DHS)组成。其中,EMF通过测量电压、电流信号对能量和电能质量指标实现有效的计算。DHS处理的对象包括EMF计算的能量和电能质量指标以及测量系统中的时间参考源和位置参考源,具体能量测试体系如图2所示。

图2

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图2   能量测试体系


其中,EMF的功能组成如图3所示,首先能量计算函数接受从电压传感器和电流传感器的信号,通过能量计算函数,实现有功功率和无功功率的计算,最后将有功、无功能量及相关指标传输至DHS。

图3

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图3   EMS功能说明图


从图2可以看出,列车能耗测试包括以下测试内容：① 能耗测试,实现能耗指标不间断采集;② 时间校准,实时卫星对时,保证系统延时在可靠限度内;③ 里程测算,对列车所在位置和速度信息精确测量。对于②而言,可以通过精准对时工具实现,对①和③均需要特定的测试装置完成,下面将对①和③测试装置进行进一步介绍。

3 列车能耗测试单元

3.1 能耗测试单元

能耗测试单元的主要模块组成如图4所示,包括三大功能,即数据采集、信号调理与能耗计算。首先测试单元的48个通道可接收来自各测点的电压、电流信号,将信号转化为传感器的小电流信号,再经过信号调理板,实现信号调理、增益调节和自动校准等功能;然后再经过(Compact peripheral component interconnect,CPCI)采集卡实现模数转换,最后数据传递至中央处理单元进行运算、显示及通讯。值得注意的是,装置内共有两张采集卡,均由同一个恒温晶振提供时钟源,并受同一个GPS秒脉冲给定时间戳信号。

图4

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图4   能耗测试单元组成模块


对于直流供电方式(如地铁、有轨电车等)的列车来说,能耗计算公式为

$W=\int_{0}^{T}{U(t)\centerdot I(t)\text{d}t}\text{=} \sum\limits_{k=1}^{N}{{{U}_{k}}{{I}_{k}}\centerdot }\ \Delta t$

式中,$W$表示列车的耗电量;$T$表示列车运营周期;$U(t)$表示实时直流电压;$I(t)$表示实时直流电流;$N$表示采样点总数;$\Delta t$表示采样间隔。

每公里的列车耗电量计算公式为

$w=\frac{W}{L}$

式中,$L$为列车运行公里数。

3.2 测点布置

一般情况下,能耗测试监测点的确认需要根据监测任务的具体情况,以实地勘察为主,以设计图纸和其他描述文件为辅,需要确认被测电气量所处的位置和电气特性。测点信息的确认将影响到测试单元的通道数量、测试单元的台数及安放位置、传感器的安放位置及绝缘要求和防潮要求、传感器信号连接到测试单元的电缆长度等。本文中所列举的测试任务的测点布置情况见第5节。

4 列车里程测试装置

单一的里程测试传感器由于自身测量原理的制约测试效果不是很优,采用多传感器融合可以利用各自的优势形成一种协同工作机制,通过主控板处理最终发挥整体最优的测量效果。图5给出一种里程融合方案,采用转速计、雷达传感器和惯性导航构成一组里程测试单元,转速计用于获取列车真实速度,雷达传感器用于检测转速计是否正常,当转速计正常时,使用转速计测量的轮周转动距离作为列车里程值,将里程的差分作为列车速度值,否则使用雷达传感器的测量结果,使用雷达传感器测量的速度作为列车速度值,进一步对列车里程值累加。在此测试单元里,用惯性导航测量的加速度值来判断转速计是否正常。

图5

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图5   多传感器测速融合方法


上面提出的方法对三种传感模块以及对应的电源模块的布置均有要求,既要考虑到列车的实际运行环境,确保在复杂天气条件和速度等级下能够正常工作,又要考虑模块的安装位置,使信号的测量效果最优,图6为考虑实际运行情况的里程测试单元布置剖面图。

图6

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图6   里程测试单元布置


其中,转速计要靠近转轴安装,最佳方案是将转速计固定在转向架上面,使其与转轴时钟保持相对静止的角度和位置,确保检测信号不丢失。如果不能在转向架上找到安装点位,则将其安装到相对转轴就近的车体上。为了防止车轮打滑引起的测速误差,转速计应当安装到探测被动轮的位置上。

为简化布线,雷达传感器和惯性导航固定在一起,确保顶面安装与车体水平面保持一致,底面与水平面的夹角在60°附近,在保证测量范围的同时能够提高测量精度。同时,将其安装在车底靠外侧,保证在列车行进过程中雷达波能命中有效目标。

供电模块就近固定在车厢内部合适的位置,通过长线缆与传感器接口连接,必须确保固定牢靠,向传感器持续稳定优质供电。

5 测试案例分析

为了评估某试验车电能消耗规律,对该试验车进行了能耗测试,电流和电压测点均在车顶,传感器布置如表1所示,各测点对应图7,能耗测试单元现场布置方式如图8所示,通过长线缆引到车厢内的能耗测试单元上,里程测试单元现场布置方式如图9所示,转速计固定在车底转向架上,雷达传感器靠窗固定且与窗体垂直,惯性导航固定在窗座上水平放置。试验车延行车运行图来回三次,采取人工驾驶模式,分别记录受电弓总能耗、牵引子系统能耗、辅助子系统能耗和空调子系统能耗,测试数据如表2所示,取三次测试平均值。

表1   传感器测点布置

测试项目信号采集额定值测点位置测点数量/个线径/mm2
列车总能耗网侧电压VdcDC750 V车顶1169
网侧电流Idc1DC450 A车顶受电弓旁2120
网侧电流Idc2DC200 A车顶受电弓旁150
网侧电流Idc3DC200 A车顶受电弓旁195
网侧电流Idc4DC400 A车顶受电弓旁2150
牵引子系统能耗网侧电压VdcDC750 V车顶1169
牵引子系统电流ItraDC400 A车顶受电弓旁2150
辅助子系统能耗网侧电压VdcDC750 V车顶1169
辅助子系统电流IauxDC100 A车顶高压箱内216
空调子系统能耗网侧电压VdcDC750 V车顶1169
空调子系统电流IairDC50 A车顶高压箱内26

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图7

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图7   车顶测点布置图


图8

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图8   能耗测试单元现场布置


图9

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图9   里程测试单元现场布置


表2   测试数据 (kW·h)

供电区段运行时长/s受电弓牵引子系统辅助子系统空调子系统
牵引能量回馈能量牵引能量回馈能量牵引能量牵引能量
1282.96.1121.1014.3961.1731.3450.585
2172.73.3890.3272.1520.5380.8210.014
3137.42.2520.6040.9440.8340.6520.011
4222.73.3980.0840.9610.2521.0560.398
5121.92.3440.3550.9530.5590.5760.275
6115.32.3970.3581.0020.5500.5470.221
7180.83.1140.5431.2860.7130.7970.014
8168.73.0620.6591.4430.9050.7740.014
9203.83.6450.3501.6380.5210.9370.216
总计1 606.229.7134.38114.7756.0457.5051.748

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从表2数据分析可知,全程共消耗电能29.71 kW·h,共返送牵引网电能4.38 kW·h。其中,牵引子系统共消耗电能14.78 kW·h,占总能耗的49.75%,辅助子系统共消耗电能7.51 kW·h,占总能耗的25.28%,空调子系统共消耗电度1.75 kW·h,占总能耗的5.89%,电能在传输过程中的损耗以及传感器测量精度限制造成了试验车向牵引网获取的电能超过用电子系统的电能消耗。试验车从牵引网吸收的能量与牵引子系统能耗的比较如图10所示。

图10

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图10   总吸收能量与牵引能耗对比


图10表明,试验车受电弓吸收的总电能与牵引子系统消耗的电能呈正相关。牵引子系统消耗电能越多,受电弓会向牵引网获取更多电能,从而保持动态的能量平衡,下面以供电区段1入手,根据试验车运行状态,对各用电子系统功率变化趋势进行分解,在该区段内受电弓以及各用电子系统有功功率随里程的变化趋势如图11所示,由于列车存在再生制动工况,当处于该工况时,列车的总能耗测量端子会有一部分反向电流,因此会出现偶尔的牵引能耗大于系统总能耗的情况。列车从牵引网上吸收的有功功率随速度变化趋势如图12所示。

图11

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图11   用电子系统功率随里程变化趋势


图12

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图12   列车有功功率随速度变化趋势


测试结果表明,牵引子系统能耗与试验车工况有关,试验车在刚起动时,会向牵引网获取电能,表现在有功功率呈正值且呈增大趋势,随着试验车不断加速,向牵引网获取的电能将达到峰值,之后便保持匀速运行或适量减速,表现在有功功率不再增加或降低,在即将停站时,试验车会再生制动,发送能量给牵引网,表现在有功功率呈负值,若在区段行进过程中存在限速,试验车则会不断加减速,表现在有功功率在正负值间转换;辅助子系统与空调子系统受列车的运行状态影响不大,在测试过程中基本呈定值,与试验车内灯光、暖气、空调等用电设备的自身功耗有关。

试验车在处于低速运行状态(0~10 km/h)时,总受电量有两种模式。第一种模式是缓慢起动模式,列车运行速度越高,空气阻力越大,空气阻力随速度呈几何级数增长。在牵引负荷一定的情况下,运行速度越高,牵引功率和能耗大幅度提高。第二种模式是处于满功率起动,列车功率一直处于峰值状态(800 kW左右);在试验车处于中速运行状态(10~30 km/h)时,总能量的变化裕度与低速运行状态第一种模式类似;在试验车处于中高速运行状态(30~40 km/h)时,总能量的变化裕度随速度的增加而减小,这是因为试验车在中高速运行状态下为保证行车安全会保持速度降低,从而减少了牵引能耗吸收。

6 结论

通过构建列车能耗测试体系,利用能耗测试单元和里程测试单元可实现对列车能耗测试与评估。测试分析表明如下结论。

(1) 本文提出的列车能耗测试装置能真实有效地反映列车吸收能量与用电子系统消耗能量特性,但就测试精度而言,本文给出的案例由于传感器量程选取较大,导致用电子系统能耗测量偏小,系统损耗偏大,可以选择换用更高精度的电压/电流传感器进行测量。

(2) 通过对比供电区段内不同里程、速度对列车运行能耗的影响,真实还原列车在一个供电区段内运行状态的变化规律,为分析列车牵引重量、运行速度、线路坡度等因素对列车能耗影响规律打下铺垫。

(3) 后续研究将更加深入完善能耗测试体系,利用无线网络传输技术搭建分布式能耗测试系统,实现更便捷、更准确的列车能耗测试。

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