車(chē)載能量測量促進(jìn)環(huán)境保護--測量數據有助于節能駕駛

能耗在諸多領(lǐng)域變得越來(lái)越重要，鐵路行業(yè)也不例外。通過(guò)監測每輛列車(chē)的能量、費用清單，能夠激推動(dòng)鐵路運營(yíng)商優(yōu)化能量使用效率。本文講述了LEM的新型組件；這是首套符合最新暫行標準EN50463的可以實(shí)現能量監測和費用核算的系統。

幾乎我們生活中的每個(gè)領(lǐng)域都面臨壓力需要降低能耗引起的二氧化碳排放量才從而減輕對環(huán)境的破壞。盡管鐵路行業(yè)產(chǎn)生的二氧化碳排放量比其他運輸方式少，但是仍然有必要進(jìn)一步提高能效。

英國環(huán)境、食品和農村事務(wù)部的最新研究表明，鐵路運輸每乘客每公里產(chǎn)生的CO₂量?jì)H為61g，而汽車(chē)每乘客每公里產(chǎn)生的CO₂量高達140g（汽車(chē)尾氣排放量基于1.5的平均占有率）。鐵路越來(lái)越電氣化提供了一種提高能效的途徑，但是巨大的資金投入在當前充滿(mǎn)挑戰的經(jīng)濟氣候下不現實(shí)。

對于實(shí)際消耗能量的鐵路運營(yíng)商來(lái)說(shuō)，一種方法是監測并設定目標降低能耗、成本和排放量。如果鼓勵司機避免能源浪費－即采取“節能駕駛”，那么提供每次旅程的詳細行駛信息就尤為重要。將來(lái)，司機有可能采用推薦的最佳節能速度行駛，它與如何駕駛更經(jīng)濟的新理念相結合，可以節能10-20％以上。

對于化石燃料的發(fā)動(dòng)機，油耗測量相對簡(jiǎn)單一些，但是在電氣化 線(xiàn)路精確牽引能耗測量系統中，分配的成本和每次旅程的碳影響對運營(yíng)商來(lái)說(shuō)是必須的 。如果要實(shí)現這個(gè)目，那么每輛列車(chē)都需要一種有效的車(chē)載能耗測量方法。

該系統必須記錄能耗和位置，使得運營(yíng)商能夠掌握導致能耗更高的原因，并提供不同電網(wǎng)運營(yíng)商的費用清單。這在歐洲尤其是一種挑戰，因為那兒的國際鐵路旅行非常常見(jiàn)。需要支持多個(gè)軌道網(wǎng)絡(luò )和鐵路運營(yíng)商的監測系統 必須規范化。已經(jīng)制定了暫行標準EN50463，它符合與列車(chē)能量測量相關(guān)的所有可能要求。

如果標準制定合理，則會(huì )成功實(shí)施。prEN50463的制定考慮了許多不同利益相關(guān)者的意見(jiàn)，從鐵路運營(yíng)商到設備制造商，此外還考慮了TSI基本要求規范和UIC建議。

該標準分為5部分：

· prEN 50463-1：范圍、一般架構、文件結構、標準引用、一般要求

· prEN 50463-2：從OCL到計量單元的電壓/電流傳感器測量鏈

· prEN 50463-3：所有輸入/輸出數據處理和內存管理單元

· prEN 50463-4：車(chē)載和“列車(chē)-地面”通信系統

· prEN 50463-5：評定被測系統的一致性和協(xié)同性時(shí)采用的測試程序規范

能量測量系統（EMS）的3個(gè)主要功能塊詳見(jiàn)第2-4節，它們需要處理列車(chē)擬定運行的所有牽引系統（參見(jiàn)圖1）。產(chǎn)生的匯編能量計費數據（CEBD）被下載到地面系統，并被鐵路運營(yíng)商用來(lái)提高能效。

圖1－prEN50463理念

系統核心是第2部分講述的能量測量功能（EMF），它測量電流和電壓，并計算能耗。EMF包括3部分：

· 電壓測量功能（VMF）

· 電流測量功能（CMF）

· 能量計算功能（ECF）

在鐵路應用中，電流和電壓測量以及能耗計算面臨一個(gè)重大的工程挑戰。驅動(dòng)現代化列車(chē)需要消耗巨大電能，標準多制式貨運列車(chē)超過(guò)6.4 MW，這就意味著(zhù)EMS必須處理非常大的電壓和電流。任何EMS都必須配置能夠處理電氣化鐵路網(wǎng)不同電壓的VMF（交流電25 kV @ 50 Hz、15 kV @ 16.7 Hz；直流電750 V、1500 V或 3000 V）。EMS必須符合精度標準，最終可能被普遍采用的標準是0.5 R（每個(gè)部件精確到0.5R1）。

鐵路領(lǐng)域同時(shí)還面臨環(huán)境挑戰：任何EMF必須能夠應對寬運行溫度和強機械應力。系統必須能夠防止灰塵和水進(jìn)入－一些運營(yíng)商規定外殼必須達到IP65。溫度波動(dòng)可能較大，設計者必須考慮有可能形成冷凝。

在如此高的電源電壓下，VMF面臨的關(guān)鍵挑戰是確保充分隔離。LEM的DV系列電壓傳感器專(zhuān)為鐵路領(lǐng)域而設計，可以測量這類(lèi)大電壓，失調低、精度高（0.5R和0.75R）、線(xiàn)性度好。該傳感器表現出良好的共模性能－測量2根導體間的實(shí)際電壓差并忽略任何普通對地電壓失調。

CMF的開(kāi)發(fā)也非常有挑戰性，因為大電流測量精度很難達到0.5R。最常用的電流傳感器技術(shù)－霍爾效應－不能達到需要精度。采用分流器可能是一種簡(jiǎn)單的替代方案，測量小電阻上的壓降，從而能夠通過(guò)歐姆定律計算電流。不過(guò)，這種方法存在固有缺陷，分流器消耗的電能會(huì )導致散熱問(wèn)題。

LEM公司開(kāi)發(fā)的一種CMF傳感器符合0.5R的精度要求。采用閉環(huán)磁通門(mén)技術(shù)能夠確優(yōu)秀的精度、良好的線(xiàn)性度并消除插入損耗，LEM開(kāi)發(fā)的CMF傳感器，可以測量高達4kARMS的電流，符合prEN 50463標準中規定的0.5R精度要求。這種ITC 4000傳感器同時(shí)還表現出卓越的抗干擾性：鐵路領(lǐng)域一個(gè)重要的特點(diǎn)就是固有電噪音。開(kāi)發(fā)滿(mǎn)足0.5R精度的CMF的難度說(shuō)明了一個(gè)事實(shí)即ITC 4000是當前唯一一款精度可以達到這個(gè)規格的傳感器。

ECF是一個(gè)復雜功能。在鐵路領(lǐng)域中，電能計算比我們在學(xué)校學(xué)到的電壓與電流的簡(jiǎn)單相乘更復雜。電壓和電流不斷變化，采用交流電時(shí)，電壓和電流不可能完全同相。相移導致一定比例的電能流入火車(chē)然后又返回，這種現象稱(chēng)之為“無(wú)功功率”。能量又返回電網(wǎng)，盡管看起來(lái)沒(méi)有影響，但實(shí)際上，無(wú)功功率可能被耗散為供電網(wǎng)的無(wú)用功率。因此prEN 50463要求EMF計算無(wú)功和有功（實(shí)際）功率。

圖2－EM4T II結構圖

圖2顯示的LEM EM4T II（ 牽引能量表II）是如何實(shí)現EMF的很好例證。EM4T II從 CMF和VMF獲取讀數，也能連接到GPS 裝置允許繪制帶有位置數據負載曲線(xiàn)。GPS接口同樣提供了高度準確的時(shí)鐘信號用于時(shí)間沖壓負載信息 。

可以利用串行接口從EM4T II讀取數據。從EM4T II內的數據處理系統中將數據提取出來(lái)然后通過(guò)通信網(wǎng)絡(luò )傳輸到地面系統。

EM4T II可以配置第2個(gè)接口，確保系統符合任何鐵路運營(yíng)商的特定要求。

車(chē)載能量測量和報告需要一個(gè)復雜系統，它不僅能計算能量，還能記錄位置、時(shí)間戳數據并隨后將信息傳輸到地面系統。不過(guò)，開(kāi)發(fā)符合標準的EMS時(shí)的一個(gè)最大挑戰是準確測量電流和電壓。雖然標準沒(méi)有得到完全批準，但是精度符合0.5R這一挑戰性規范的VMF和CMF組件已經(jīng)推出。將它們與ECF部件結合起來(lái)，采用其他現成的GPS和通信產(chǎn)品就可能開(kāi)發(fā)出符合prEN50463要求的車(chē)載EMS。解決方案的盡早開(kāi)發(fā)，能夠盡快展開(kāi)部署。這將意味著(zhù)，我們不必等待很久就能看到歐洲鐵路節能駕駛帶來(lái)的環(huán)境和財務(wù)收益。