上海軌道交通AC 16型電動列車能耗測試與分析*

陳 陽 錢存元 奚笑冬 孔佳麟

(1.同濟大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海; 2.上海軌道交通維護保障中心,201108,上海∥第一作者,碩士研究生)

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上海軌道交通AC 16型電動列車能耗測試與分析*

陳 陽1錢存元1奚笑冬2孔佳麟2

(1.同濟大學(xué)鐵道與城市軌道交通研究院,201804,上海; 2.上海軌道交通維護保障中心,201108,上?！蔚谝蛔髡?碩士研究生)

采用獨立于列車的CRIO嵌入式數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和LabVIEW軟件構(gòu)建了一套測試系統(tǒng),實現(xiàn)了上海軌道交通11號線AC 16型電動列車牽引系統(tǒng)能耗的測量與分析,并以此評估了車載系統(tǒng)能耗計算模型和計算方法。在此基礎(chǔ)上,分析了列車運行時段、運行速度等級與制動施加程度等因素對列車引牽能耗的影響，為地鐵列車節(jié)能提供了技術(shù)參考。

城市軌道交通; 列車牽引能耗; 測試分析

First-author′s address Institute of Railway and Urban Rail Transit,Tongji University,201804,Shanghai,China

城市軌道交通作為一種節(jié)能型的公共交通,相對于其它交通方式,在同等運能下其人均能耗最低。然而,由于車輛使用的各主要設(shè)備通過電力驅(qū)動,故列車牽引系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等在運營過程中仍消耗著大量能源。因此,減少城市軌道交通運營能耗,提高能源使用效率是目前城市軌道交通行業(yè)的一個重要發(fā)展趨勢,如何有效降低城市軌道交通車輛能耗也成為了一個亟待解決的問題。

目前,用于城市軌道交通能耗分析的數(shù)據(jù)大部分來自于宏觀統(tǒng)計數(shù)據(jù),無法針對某一線路、某一車型進行精確計量和分析。列車控制和管理系統(tǒng)(TCMS)具備計算和記錄列車牽引系統(tǒng)能耗的功能,但其結(jié)果往往與牽引系統(tǒng)供應(yīng)商提供的仿真計算值及牽引變電站中實際能耗計量值存在較大差異。因此,要降低城市軌道交通車輛的能耗,就必須先準(zhǔn)確地測量列車在運行中實際消耗的電能并進行能耗評估,為后續(xù)推進列車節(jié)能工作打下基礎(chǔ)。

1 能耗測試與分析總體方案

上海軌道交通11號線(以下簡為“11號線”)采用SIEMENS公司生產(chǎn)的AC 16型電動列車。車載TCMS可實現(xiàn)對全列車的控制和管理,具有計算和記錄列車在實際運營過程中牽引系統(tǒng)吸收能量、再生制動回饋能量及制動電阻能耗的功能。為此,本文針對AC 16型列車牽引系統(tǒng),搭建1套獨立于列車的外部測試系統(tǒng),能測量列車牽引系統(tǒng)的能耗,并與TCMS記錄的能耗值進行比對,以評估車載能耗記錄系統(tǒng)的數(shù)據(jù)和算法的準(zhǔn)確性;在此基礎(chǔ)上,再分析列車運行時段、運行速度和常用制動施加程度等因素對列車能耗的影響。AC 16型列車牽引系統(tǒng)能耗測試與分析總體方案如圖1所示。

圖1 能耗測試與分析方案示意圖

1.1 能耗測量傳感器的布置

AC 16型電動列車采用6節(jié)A型車編組,其編組方式為TC+MP+M+M+MP+TC。其中TC為帶駕駛室的拖車，MP為帶受電弓的動車,M為不帶受電弓的動車。列車采取車控的牽引控制模式,每節(jié)動車有1個牽引逆變器,每根車軸對應(yīng)4臺牽引電機;逆變器直流側(cè)有2個并聯(lián)的制動電阻,每個制動電阻回路由一個斬波器控制。列車正線運營時的最高運行速度可達100 km/h。根據(jù)測試需要,在列車上安裝電壓/電流傳感器和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),獲取1節(jié)M車的主逆變器輸入電壓U、主逆變器輸入電流I以及2個制動電阻RB回路中的電流IB1、IB2(如圖 2所示),實現(xiàn)列車牽引吸收能量、再生制動回饋能量、牽引能耗(為吸收與回饋能量的差值)以及制動電阻能耗的測量計算與分析。

圖2 測試傳感器安裝位置示意圖

1.2 能耗數(shù)據(jù)采集與處理系統(tǒng)

1.2.1 基于CRIO的實時數(shù)據(jù)采集硬件系統(tǒng)

圖3為基于信號流的能耗測試硬件系統(tǒng)示意圖。測試系統(tǒng)硬件以美國國家儀器公司(NI)產(chǎn)生的一款可重新配置嵌入式測控設(shè)備CRIO(Compact

Reconfigurable Input/Output)為核心(下文將該測試系統(tǒng)簡稱為“CRIO系統(tǒng)“)。其中，CRIO由NI 9024實時控制器、NI 9114 FPGA(現(xiàn)場可偏程門列陣)機箱和NI 9206電壓輸入模塊構(gòu)成;電壓/電流傳感器分別采用瑞士LEM公司的CV 4型和LT型高精度電流輸出型電壓/電流傳感器;信號調(diào)理設(shè)備具有4路電流/電壓變換電路,將傳感器輸出的電流信號轉(zhuǎn)換為與NI 9206輸入匹配的電壓信號;上位機為筆記本電腦,可作為軟件開發(fā)與人機交互平臺,通過以太網(wǎng)線與CRIO系統(tǒng)的實時控制器連接,能實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集程序代碼編寫、部署以及數(shù)據(jù)讀取、分析與處理。

圖3 測試系統(tǒng)硬件示意圖

1.2.2 基于LabVIEW的數(shù)據(jù)處理軟件系統(tǒng)

軟體系統(tǒng)采用NI公司的圖形化語言軟件LabVIEW進行編程,以實現(xiàn)離線采集記錄、在線采集實時顯示和存儲以及數(shù)據(jù)分析和處理。系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖 4所示。其中，離線采集模塊可實現(xiàn)CRIO系統(tǒng)脫離于上位機的控制而獨立工作,并在上電時自動完成數(shù)據(jù)采集與存儲;在線采集模塊通過上位機實現(xiàn)采集任務(wù)參數(shù)的配置、信號波形在上位機的實時顯示，以及數(shù)據(jù)存儲功能;數(shù)據(jù)回放模塊用于對采集的信號進行波形回放查看、波形分析對比;數(shù)據(jù)計算分析模塊則實現(xiàn)能耗數(shù)據(jù)的計算與分析。

圖4 測試系統(tǒng)軟件架構(gòu)

CRIO系統(tǒng)工作于FPGA模式下,在上位機中使用LabVIEW軟件分別編寫下載至FPGA機箱的FPGA.vi程序以及下載至實時控制器的RT.vi程序。前者按照可配置的速率進行數(shù)據(jù)采集,并將數(shù)據(jù)送入CRIO系統(tǒng)的FIFO(先進先出)緩沖區(qū);后者從FIFO(先進先出)緩沖區(qū)中讀出數(shù)據(jù),將波形實時顯示在人機界面中,或直接將數(shù)據(jù)存儲在實時控制器的存儲單元中,待數(shù)據(jù)記錄結(jié)束后還可將數(shù)據(jù)從CRIO系統(tǒng)導(dǎo)入上位機進行數(shù)據(jù)回放與分析。

2 能耗參數(shù)計算方法

設(shè)主逆直流側(cè)的電壓U=U(t),主逆直流側(cè)電流I=I(t),設(shè)t1為列車開始運行的時刻,t2為列車停止運行的時刻,則列車在整個運行過程中從接觸網(wǎng)吸收的牽引能量EA為:

當(dāng)I>0時

(1)

列車制動時采取電空聯(lián)合制動方式,以電氣制動優(yōu)先。電機處于發(fā)電模式時,部分能量回饋到電網(wǎng)供給處于同一供電區(qū)段中正在運行的其它列車。列車在整個運行過程中再生制動回饋能量EB1為:

當(dāng)I<0時

(2)

那么,從接觸網(wǎng)吸收的牽引能量與再生制動回饋能量的差值即為列車從接觸網(wǎng)吸收能量,記為牽引能耗EC:

EC=EA-EB1

(3)

當(dāng)列車向接觸網(wǎng)饋電導(dǎo)致網(wǎng)壓上至某一限定值時(如在DC 1 500 V的供電系統(tǒng)中達到1 830 V左右時),列車上制動電阻回路的制動斬波器投入工作,電能以熱量形式通過制動電阻耗散。設(shè)兩個制動電阻回路的電流分別為IB1與IB2,則消耗在制動電阻上的能量EB2為:

(4)

3 能耗測試與結(jié)果分析

3.1 CRIO系統(tǒng)、TCMS能耗數(shù)據(jù)對比分析

為了評估TCMS記錄的牽引系統(tǒng)吸收能耗、制動電阻能耗數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性,以2013年12月1日00:00—00:40在11號線正線上海賽車場站—江蘇路站區(qū)段的試驗數(shù)據(jù)為例分別通過CRIO系統(tǒng)和TCMS計算各區(qū)間牽引能耗、制動電阻能耗(如表1所示)。

表1 正線試驗各區(qū)間牽引系統(tǒng)能耗EC與電阻制動能耗EB2

由表1數(shù)據(jù)分析可知:

(1) CRIO系統(tǒng)與TCMS分別使用了獨立的測量電路和計算方法,但二者測量所得的各區(qū)間牽引能耗值具有良好的一致性,其相對誤差不超過3.5%。測量結(jié)果表明,車載TCMS所采集的主逆直流側(cè)電壓、電流參數(shù)值比較準(zhǔn)確,牽引能耗計算方法正確。

(2) 因試驗列車出庫時間較晚,線路上已無其它正在運營的列車,回饋制動條件無法滿足,在各區(qū)間運行時測量到比較明顯的電阻制動能耗。

經(jīng)比較,對各區(qū)間的制動電阻能耗值,CRIO系統(tǒng)測量值明顯比TCMS測量值大。根據(jù)相關(guān)技術(shù)資料,由于TCMS無法獲取制動電阻回路電流值,其制動電阻能耗計算采用:

當(dāng)K>0.01時

(5)

式中：

R——制動電阻值；

K——制動回路斬波器的控制因數(shù)。

由于制動電阻阻值很小且非定值,制動電阻工作時其阻值會隨溫升而有所增加。由此可見,TCMS采用式(5)計算所得的制動電阻能耗值一定會比實際值偏小,故需進行修正。

3.2 能耗影響因素分析

3.2.1 運行時段對列車能耗的影響

為了分析不同運行時段對列車能耗的影響,于2013年11月16日22:30—23:00和2014年11月3日00:45—01:40分別在11號線正線上海賽車場站—江蘇路站區(qū)段進行了兩次試驗(分別簡稱“試驗A”與“試驗B”)。試驗采取人工駕駛模式。利用兩系統(tǒng)分別計算兩次試驗中嘉定新城站—曹楊路站各區(qū)間的牽引吸收能量EA、再生制動回饋能量EB1及牽引能耗EC(如表2所示)。

表2 試驗A與試驗B數(shù)據(jù)對比分析 kWh

在兩次試驗中,列車從接觸網(wǎng)吸收能量EA與牽引能耗EC的比較如圖5所示。

圖5 正線試驗各區(qū)間吸收能量EA與牽引能耗EC對比

由表2和圖 5可知,試驗A中由于列車上線試驗時間較早,線路上的列車尚未結(jié)束運營,試驗列車在各個區(qū)間都向線網(wǎng)回饋了較大的再生制動能量,列車消耗的牽引能耗低;試驗B中由于列車上線試驗時間晚,線路上已無其它運營列車,再生制動回饋能量的條件無法滿足,試驗列車在各區(qū)間基本沒有回饋能量,列車消耗的牽引能耗較高。由此可見,通過合理編制列車運行圖,正常運營時段在線路上維持一定數(shù)量運行列車,可充分利用列車再生制動回饋能量,有效降低列車牽引能耗。

3.2.2 運行模式對列車能耗的影響

為了研究不同運行模式對列車牽引能耗的影響,在11號線賽車場車輛段試車線上分別以30、40、50、60 km/h共4個速度等級進行了試驗。列車由靜止先牽引至最大試驗速度,然后惰行,最后施加常用制動停車。每個速度等級分別施加50 %、100 %常用制動各試驗1次。表3為試驗中CRIO系統(tǒng)計算的牽引能耗EC。

表3 不同速度下施加不同制動時的牽引能耗

由表3可知,總體而言,列車牽引能耗隨著列車運行速度提高而明顯上升;在同一個速度等級下,施加100%常用制動時的牽引能耗要大于施加50%常用制動時的牽引能耗;在不同速度等級下,施加100%常用制動相對于50%常用制動的牽引能耗增加率從11.7%到61.2%不等,可見,隨著常用制動施加程度的增加,列車牽引能耗總體呈上升趨勢。

4 結(jié)語

通過構(gòu)建獨立于列車的外部能耗測試系統(tǒng)可實現(xiàn)11號線AC16型電動列車的能耗測試。數(shù)據(jù)分析表明,AC16型列車TCMS采用的線網(wǎng)吸收能耗、再生制動回饋能量及牽引能耗的計算模型和算法是比較準(zhǔn)確的,但制動電阻能耗值由于計算方法不恰當(dāng),導(dǎo)致計算數(shù)值較實際值偏小,需要對計算結(jié)果進行修正。此外,本文對列車運行時段、運行速度等級和常用制動施加程度對列車運行能耗的影響進行了初步研究,后續(xù)研究將充分利用CRIO系統(tǒng)良好的嵌入性和上電自動運行的離線采集功能,并基于無線網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù),構(gòu)建分布式列車能耗測試系統(tǒng),針對影響列車能耗的相關(guān)因素(如載客量、常用制動施加程度等)進行深入研究,從而實現(xiàn)基于服役狀態(tài)下的列車能耗的測試與分析,為后續(xù)的列車節(jié)能研究工作提供科學(xué)依據(jù)。

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Traction Energy Consumption Test and Analysis for Shanghai Metro AC 16 Electromotive Train

CHEN Yang, QIAN Cunyuan, XI Xiaodong, KONG Jialin

A stand alone traction energy consumption testing system is established based on compact reconfigurable input/output (CRIO) and LabVIEW, aiming to calculate and analyze the traction energy consumption of AC 16 electromotive train running on Shanghai metro Line 11, and evaluate the on-board energy consumption calculation model and the algorithm. On this basis, several factors that influence the energy consumption, including train operation hour, maximum operation speed and braking implementation level are analyzed, to provide technical references for metro train energy conservation.

urban rail transit; traction energy consumption; test analysis

*國家科技支撐計劃(2015BAG19B02-06);上海申通地鐵科研合作項目(JS-KY11R045)；上海市經(jīng)信委2014年度重大技術(shù)裝備研制計劃項目(ZB-ZBYZ-05-14-2004)

U 266.2; TK012

10.16037/j.1007-869x.2016.09.006

2014-11-20)