軌道交通列車電能測量系統(tǒng)研究

周小玲，陳明陽，尚 敬，高連升，王益民，董志冉

（1.株洲中車時代電氣股份有限公司，湖南 株洲 412001；2.北京郵電大學，北京 100876；3.中國鐵路廣州局集團有限公司 株洲機務段，湖南 株洲 412000）

0 引言

由于軌道交通列車電能測量系統(tǒng)目前尚無國家標準，參考國際標準IEC 62888：2018 Railway applications-Energy measurement on board trains［1-3］來制定我國軌道交通列車電能測量系統(tǒng)標準的任務已經立項，但待國家標準制定完成和實施還需較長的時間。之前采用的標準IEC 61000-4-30 Electromagnetic compatibility（EMC）-Part4-30：Testing and measurement techniques-Power quality measurement methods［4］只 適 用 于 工 頻（50 Hz/60 Hz）的電能質量測量方法，而當前軌道交通列車采用的標稱牽引供電電壓有AC 25 kV/50 Hz、AC 15 kV/16.7 Hz和DC 3000 V/1500 V/750 V/600 V多種規(guī)格。因此，亟須符合國際標準要求的列車電能測量方法來滿足列車電能準確測量的需求。軌道交通機車車輛能耗試驗在標準IEC 61133：2016 Railway applications-Rolling stock-Testing for rolling stock oncompletion of construction and before entry into service［5］中有明確的要求，但是該標準對電能測試方案的設計和測試點的布置等未明確規(guī)定。歐洲標準EN 50591：2019 Railway applications-Rolling stock-Specification and verification of energy consumption對機車車輛能耗測試進行了較為詳細的定義和說明，其中只規(guī)定測量設備測試精度應符合標準EN 50463-1：2017 Railway applications-Energy measurement on board trains-Part 1：General和 EN 50463-2：2017 Railway applications-Energy measurement on board trains-Part 2：Energy measuring的要求，然而標準 EN 50463-1：2017和標準EN 50463-2：2017主要針對列車電能測量系統(tǒng)的硬件（如傳感器參數及影響精度的因素）進行了介紹，對測點布置、系統(tǒng)搭建和數據處理算法（公式）等方面的知識介紹較少，對行業(yè)的指導性不強。

隨著軌道交通裝備技術的飛速發(fā)展，與列車電能測量相關的硬件設備性能和軟件水平有了較大的提升，我國相關的高校和企業(yè)在列車能耗測試裝置研發(fā)和應用方面開展了大量的工作并取得了較好的效果［6-9］。本文主要參考標準 IEC 62888-2：2018和標準EN 50463-2：2017規(guī)定的內容并結合列車電能測量中的關鍵環(huán)節(jié)進行詳細的闡述，形成一套標準化的列車電能測量方法。該方法具備較強的指導性和實用性，可供相關從業(yè)人員參考。

1 電能測量系統(tǒng)概述

軌道交通列車電能測量系統(tǒng)的結構和數據流示意如圖1所示。電能測量系統(tǒng)（energy measurement system，EMS）主要包括電能測量功能（energy measurement function，EMF）模塊和數據處理系統(tǒng)（data handling system，DHS）兩部分。其中，電能測量功能塊包括電流測量功能（current measurement function，CMF）模 塊 、電 壓 測 量 功 能（voltage measurement function，VMF）模塊和電能計算功能（energy calculation function，ECF）模塊；數據處理系統(tǒng)包括時間參考源、位置參考源、數據匯編功能、數據存儲功能和數據收集服務（data collection service，DCS）。

圖1 電能測量系統(tǒng)結構框圖和數據流示意Fig.1 Structure block and data flow of EMS

電能測量功能模塊結構如圖2所示，其包括電流傳感器、電壓傳感器和ECF模塊。電能計算功能包括有功能量和無功能量的計算以及電能數據傳輸。

圖2 電能測量功能塊結構框圖Fig.2 Block diagram of EMF

1.1 電氣要求

針對軌道交通列車電能測量系統(tǒng)的電氣要求，本文重點分析被試列車運行時的額定電壓、額定電流和額定頻率等參數，可供后續(xù)進行傳感器選型、電能參數測量等參考。

EMF的額定電壓（Un，EMF）應選取標準IEC 60850：2014 Railway applications-Supply voltages of traction systems中列出的牽引供電系統(tǒng)的標稱電壓要求（表1）。

表1 標準IEC 60850：2014中的標稱電壓及其容許的極限值Tab.1 Nominal voltage and its allowable limits in the IEC 60850：2014

EMF一次側額定電流（列車額定載荷運行時電流傳感器的輸入電流）標稱值（In，EMF）的優(yōu)選順序為：10 A→12.5 A→15 A→20 A→25 A→40 A→50 A→60 A→75A及其十進制倍數［2］。一次側額定電流大小應在牽引單元額定電流值的80%至120%之間，如果一個電能測量功能（EMF）模塊被用于多個牽引供電系統(tǒng)，則可以為其分配多個一次側額定電流值。

列車供電系統(tǒng)的額定頻率包括直流、16.7 Hz、50 Hz和60 Hz［2］。

1.2 精度要求

EMF百分比誤差限值不得超過表2中要求。

表2 EMF百分比誤差限值［2］Tab.2 Percentage error limits of EMF block［2］

2 傳感器參數

傳感器主要測量一次側電壓和一次側電流，并將高壓大電流信號轉換成低壓小電流信號。傳感器的輸出信號供電能計算使用，從而實現電能的測量。

2.1 電壓傳感器

電壓傳感器的主要參數包括額定電壓、二次側輸出電壓或電流、額定輸出負載、響應時間、帶寬和精度。本文根據標準IEC 62888-2：2018［2］對各參數進行取值。

傳感器輸入的一次側電壓額定值應等于牽引系統(tǒng)最高電壓標稱值，即按表1中Umax2值來確定。

二次側輸出信號可以是電壓信號或電流信號，其優(yōu)選值如下：電壓互感器為100 V、110 V或150 V（交流）；電壓傳感器的輸出電壓為2 V、4 V或10 V（交流或直流），輸出電流為20 mA、50 mA或100 mA（交流或直流）。

二次側額定電壓大于10 V時，額定輸出載荷優(yōu)選值為1 VA、2 VA、4 VA或5 VA；二次側額定電壓小于等于10 V時，額定輸出載荷優(yōu)選值為0.001 VA、0.01 VA、0.1 VA或0.5 VA。電流輸出時，在最大輸入電壓下負載電壓不得超過45 V（交流方均根值或直流平均值）。

標準 IEC 62888-2：2018［2］中規(guī)定：直流傳感器的最大響應時間為10 ms。如果采用直流傳感器測量諧波含量較高的列車電壓時，則應適當縮短響應時間。目前軌道交通機車車輛中，交流、直流電壓測量功能模塊中采用的傳感器響應時間均不超過50 μs。

對于數字輸出的傳感器，帶寬指定為可以在不混疊的情況下測量的最大頻率（fa），其值通常為所使用的采樣頻率的一半。目前列車電能測量系統(tǒng)一般采用的采樣率為50 kS/s，即帶寬為25 kHz；若基波頻率為50 Hz，則可測試到500次諧波，能夠滿足現有列車電能質量評估要求。

VMF模塊應從表3中選擇精度等級。除非另有規(guī)定，電壓傳感器按0.2R精度等級［2］要求選型。

表3 VMF模塊百分比誤差限值［2］Tab.3 Percentage error limits of VMF block［2］

2.2 電流傳感器

電流傳感器的主要參數包括額定電流、二次側輸出電壓/電流、額定輸出負載、響應時間、帶寬和精度。本文根據標準IEC 62888-2：2018［2］規(guī)定進行電流傳感器的參數取值。

傳感器輸入的一次側額定電流應等于牽引系統(tǒng)最高的工作電流。

二次側輸出可以是電壓或電流信號，其優(yōu)選值如下：

（a）電流傳感器（二次側輸出電流信號），其二次側輸出優(yōu)選值為50 mA、100 mA、200 mA、250 mA、400 mA、500 mA、800 mA、1A、2A或5A；

（b）電流傳感器（二次側輸出電壓信號），其二次側輸出優(yōu)選值為22.5 mV、150 mV、200 mV、225 mV、4 V或10 V。

額定輸出載荷優(yōu)選的數值為0.5 VA、1 VA、2 VA、4 VA或5 VA。

直流傳感器的最大響應時間為10 ms。如果直流傳感器用于測量諧波含量較高的電流時，則可以適當縮短響應時間。

對于數字輸出的傳感器，帶寬應指定為可以在不混疊的情況下測量的最大頻率（fa），其通常是所使用的采樣頻率的一半。一般采用的采樣率為50 kS/s，即帶寬為25 kHz；按50 Hz基波頻率，可測試到500次諧波，能夠滿足現有列車電能質量評估要求。

當傳感器測量交流和直流電流時，允許分別采用不同的精度等級。交流、直流CMF模塊應分別從表4和表5中選擇精度等級。列車現場運行工況下，網側電流的變化范圍較大。為了確保系統(tǒng)精度優(yōu)于0.5R［2］，交流、直流CMF模塊中的電流傳感器按0.2R精度等級［2］的要求選型。

表4 交流CMF模塊百分比誤差限值［2］Tab.4 Percentage error limits ofAC CMF block［2］

表5 直流CMF模塊百分比誤差限值［2］Tab.5 Percentage error limits of DC CMF block［2］

3 電能測量功能塊

電能測量功能（EMF）模塊是由VMF模塊、CMF模塊和ECF模塊組成。ECF模塊根據電流和電壓傳感器的輸出信號來計算所消耗和再生的有功電能和無功電能。

3.1 EMF模塊的典型配置方式［2］

根據車輛牽引單元構成（例如牽引設備可能在一輛車中或分布在幾個車輛上），列車電能測量系統(tǒng)（EMS）可以由一個或多個VMF、CMF和ECF模塊組成。

（1）多個并行CMF的EMF

如果通過并行多個CMF模塊來測量牽引單元的總電流，如圖3所示，則ECF模塊中的電流應等于所有CMF模塊的電流和。

圖3 多個CMF組成的EMFFig.3 EMF with multiple CMFs

（2）多對VMF和CMF組成的EMF

EMF由多對VMF和CMF組成（圖4），由ECF計算每對VMF和CMF的電能。

圖4 多對VMF和CMF的EMFFig.4 EMF with multi-pair VMF and CMF

該系統(tǒng)適用于多個牽引系統(tǒng)的牽引單元，且有兩種不同的配置類型：

（a）多對VMF和CMF在同一牽引系統(tǒng)上并行測量電壓和電流，這些VMF和CMF對所計算的電能應在ECF中求和。

（b）每對VMF和CMF在不同的牽引系統(tǒng)上測量。在這種情況下，電能數據應存儲在每個牽引系統(tǒng)的單獨寄存器中，或存儲在獨立于牽引系統(tǒng)的一個寄存器中。在后一種情況下，如果有此信息，則電能數據應與運行的牽引系統(tǒng)對應。

（3）多個并行EMF

EMF由多個并行的ECF完成，其中每個EMF由一個VMF、一個CMF和一個ECF組成，且被安裝在牽引單元上，如圖5所示。

圖5 多個ECF并行的EMFFig.5 EMF with multiple ECFs in parallel

（4）一個VMF連接到多個ECF

一個VMF連接多個ECF，如一個電壓傳感器能夠用于兩個牽引系統(tǒng)，但是電能計算分別在不同的ECF中為每個牽引系統(tǒng)進行測量，如圖6所示。

圖6 一個VMF連接到兩個ECF上Fig.6 AVMF connected to two ECFs

每個ECF應與數據處理系統(tǒng)（DHS）兼容，DHS應處理所有ECF的電能數據。每個ECF有一個特定的識別號，識別號將與電能數據一起傳送到DHS。

3.2 電能計算功能塊（ECF）精度

ECF有功電能百分比誤差限值見表6（功率因數PF≥ 0.85）。

表6 ECF有功電能百分比誤差限值Tab.6 ECF percentage error limits for active energy

4 列車電能測試系統(tǒng)典型方案

對照標準 IEC 62888-2：2018［2］對傳感器、電流測量、電壓測量以及電能測量等的要求，并結合動車組單個動力單元電能測量進行分析，本文提供了一套滿足國際標準要求的典型方案供同業(yè)人員參考。

4.1 動車組單個動力單元測點布置圖

根據動車組單個動力單元的主電路（圖7）進行電壓傳感器和電流傳感器布點。動車組單個動力單元包括2個牽引變壓器、2個牽引變流器和8臺牽引電機。其中，列車網壓信號主要通過列車同步信號的變壓器（變比為27500：100）后，供采集設備進行電壓采集；牽引變壓器一次側布置了電流傳感器，網流信號通過電流傳感器轉換成小的電流信號供采集設備進行電流采集；網壓信號通過1個互感器獲得，網流信號通過2個電流傳感器獲得。

圖7 列車電能測量系統(tǒng)測點布置圖（黃色為傳感器）Fig.7 Measuring point layout of train power measurement system(yellow is sensor)

4.2 傳感器選型

根據標準要求選用1個電壓傳感器和2個電流傳感器，其詳細參數見表7。

表7 傳感器參數Tab.7 Sensor parameter

4.3 電壓測量功能塊（VMF）

電壓測量功能塊（VMF）計算公式［10-12］為

式中：u（t）——電壓信號的瞬時值，V；T——交流信號一個周期的時間或直流信號的任意段時長，s；URMS——電壓總有效值，V。

4.4 電流測量功能塊（CMF）

電流測量功能塊（CMF）計算公式［10-12］為

式中：i（t）——電流信號的瞬時值，A；IRMS——電流總有效值，A。

4.5 電能測量功能塊（EMF）

根據圖7所示列車電能測量系統(tǒng)測點布置圖并結合EMF模塊的典型配置方式，選用如圖8所示的共用VMF的EMF模塊配置，其由1個VMF、2個CMF、2個ECF和DHS組成，其中DHS用于對兩個ECF進行求和計算。

圖8 電能測量功能塊配置框圖Fig.8 Block diagram of EMF configuration

EMF模塊中有功功率的計算公式為

式中：P——有功功率，kW。

在Δt時間內，電能變化值ΔW的計算如下：

式中：Δt—— 式（3）中數據更新時間，s。

4.6 Δt參數的確定

IEC 61000-4-30［4］標準規(guī)定，用于精密測量場合，其幅值（電壓、諧波和間諧波等）的基本測量時間間隔為10個周期時間（對于50 Hz電力系統(tǒng)）或12個周期時間（對于60 Hz電力系統(tǒng)），即Δt=200 ms。針對表1中頻率為16.7 Hz的電力系統(tǒng)，幅值（電壓、諧波和間諧波等）的基本測量時間間隔如果按照該標準規(guī)定的200 ms時間間隔來計算，則為3.34個周期。根據式（1）～式（3），測量時間應該為整數個周期，則幅值的基本測量時間間隔為3個周期。根據現場應用經驗［11］，周期數推薦值為10個周期，即Δt=598.8 ms；為使工程上計算準確，取Δt=600 ms。

5 功率不確定度

列車電能計算值是由列車電功率值與時間的積分而獲得的，所以列車電能測量系統(tǒng)的不確定度由電功率的不確定度決定。本文引用標準IEC 62888-2［2］提供的功率不確定計算方法，將采用列車電能測量系統(tǒng)（典型方案）與高精度功率分析儀進行實測結果對比驗證。

5.1 標準計算方法

IEC 62888-2標準附錄C.4［2］中給出了功率測量的相對不確定度公式：

式中：εI——電流幅值測量的偏差，A；εU——電壓幅值測量的偏差，V；I真值——電流真值（或者高精度測量系統(tǒng)測量值），A；U真值——電壓真值（或者高精度測量系統(tǒng)測量值），V；εP——功率相對不確定度。

根據式（5）和表7所示的傳感器精度參數（εI=±0.1%×I真值，εU= ±0.1%×U真值），可得列車電能測量系統(tǒng)（典型方案）的最大相對不確定度理論值：

εP=0.1%+0.1%+0.002=0.4%

5.2 試驗驗證結果

在實驗室內對動車組單個動力單元中單臺變流器進行額定功率考核，采用列車電能測量系統(tǒng)（典型方案）與高精度功率分析儀同時測試網側電功率，并將測試結果進行對比驗證。列車電能測量系統(tǒng)相對誤差值見表8。可以看出，功率相對誤差值可以近似等于電壓相對誤差和電流相對誤差之和，列車電能測量系統(tǒng)典型方案的相對誤差值與標準IEC 62888-2規(guī)定的不確定計算方法所得的結果相符。

表8 列車電能測試系統(tǒng)相對誤差值Tab.8 Relative errors of the train electric energy test system

6 結語

在列車電能測量方法尚無國家標準的行業(yè)背景下，本文通過對列車電能質量測量方法的國際標準進行深入研究，詳細闡述并分析了列車電能測量所涉及的傳感器、電壓測量模塊、電流測量模塊和電能測量模塊等內容；并基于動車組單個動力單元的電能測量需求，提出了一種列車電能測量系統(tǒng)的典型解決方案，供同行業(yè)技術人員參考。

特別針對標準IEC 60850-2014中新增的標稱電壓額定頻率為16.7 Hz的牽引供電系統(tǒng)，結合筆者多年的變頻電量測試經驗，本文給出了基本測量時間間隔的工程計算推薦值Δt=600 ms。最后所推薦的列車電能測量系統(tǒng)其理論上的相對不確定度優(yōu)于4‰，實測有功功率相對誤差不超過3‰，優(yōu)于標準IEC 62888-2：2018［2］中規(guī)定的有功功率最大百分比誤差限值為1.5%（表2）的要求。

隨著軌道交通列車裝備技術的不斷發(fā)展和更新，列車裝備技術的高頻化、高效率已成為發(fā)展趨勢，網側諧波將更加豐富，這對列車電能測量提出了新的挑戰(zhàn)，需要更加科學、準確的評估方法作為支撐。而軌道交通列車電能測量方法目前暫未形成完整的體系，需要在標準制定、測試工具研發(fā)及認證體系建設等方面開展大量的工作。后續(xù)將持續(xù)開展相關理論研究和現場試驗驗證，以進一步提升列車電能測量結果的準確性、一致性和互認度。