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(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(shí)別)列車定位技術(shù),實(shí)現(xiàn)了對(duì)地鐵車輛能耗的分類計(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(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(duì)城市軌道交通車輛能耗管理中存在的問(wèn)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(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)防火墻連接公眾通信網(wǎng)絡(luò),并提供數(shù)據(jù)上傳至高**管理部門的網(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)城市軌道交通車輛能耗的分類統(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(dòng)、輔助逆變等能耗的分類計(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(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)城市軌道交通車輛主電路圖分析,列車150 V直流母線電壓通過(guò)Mp(帶受電弓動(dòng)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(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)列車開啟電阻制動(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)車地的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸。建立了能耗數(shù)據(jù)的定點(diǎn)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(kù)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(kù)狀態(tài)。在軌旁加裝與車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,反之則為入庫(kù)列車,以此判定列車出入庫(kù)時(shí)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(chǔ)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(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?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**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)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(kù)。
3.7 多級(jí)權(quán)限用戶管理
采用密碼登錄后臺(tái),保證設(shè)置**;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車型上試點(diǎn)應(yīng)用。通過(guò)對(duì)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(gè)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(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、列車能耗、電制動(dòng)能量等,同時(shí),在列車整點(diǎn)時(shí)刻能耗時(shí)報(bào)表和列車庫(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(dòng)能量為列車電阻制動(dòng)與再生反饋之和。
圖6為地鐵車輛能耗管理平臺(tái)生成的0116列 車實(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(duì)地鐵車輛能耗的分類計(jì)量。建立了GPRS無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)機(jī)制和地鐵車輛能耗管理平臺(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(lái)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)。
作者簡(jiǎn)介:張娟 任職于安科瑞電氣股份有限公司 郵箱:2885050128@qq.com QQ:2885050128