能耗在諸多領(lǐng)域變得越來越重要,鐵路行業(yè)也不例外。通過監(jiān)測每輛列車的能量、費(fèi)用清單,能夠激推動(dòng)鐵路運(yùn)營商優(yōu)化能量使用效率。本文講述了LEM的組件;這是套暫行EN50463的可以實(shí)現(xiàn)能量監(jiān)測和費(fèi)用核算的系統(tǒng)。
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(yùn)輸方式少,但是仍然有必要進(jìn)步提能效。
英國環(huán)境、食品和農(nóng)村事務(wù)部的研究表明,鐵路運(yùn)輸每乘客每公里產(chǎn)生的CO2量為61g,而汽車每乘客每公里產(chǎn)生的CO2量140g(汽車尾氣排放量基于1.5的平均占有率)。鐵路越來越電氣化提供了種提能效的途徑,但是巨大的資金投入在當(dāng)前充滿挑戰(zhàn)的經(jīng)濟(jì)氣候下不現(xiàn)實(shí)。
對于實(shí)際消耗能量的鐵路運(yùn)營商來說,種方法是監(jiān)測并設(shè)定目標(biāo)降低能耗、成本和排放量。如果鼓勵(lì)司機(jī)避免能源浪費(fèi)-即采取“駕駛”,那么提供每次旅程的詳細(xì)行駛信息就尤為重要。將來,司機(jī)有可能采用的*速度行駛,它與如何駕駛經(jīng)濟(jì)的新理念相結(jié)合,可以10-20%以上。
對于化石燃料的發(fā)動(dòng)機(jī),油耗測量相對簡單些,但是在電氣化 線路牽引能耗測量系統(tǒng)中,分配的成本和每次旅程的碳影響對運(yùn)營商來說是必須的 。如果要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目,那么每輛列車都需要種的車載能耗測量方法。
該系統(tǒng)必須記錄能耗和位置,使得運(yùn)營商能夠掌握導(dǎo)致能耗的原因,并提供不同電網(wǎng)運(yùn)營商的費(fèi)用清單。這在歐洲尤其是種挑戰(zhàn),因?yàn)槟莾旱蔫F路旅行常見。需要支持多個(gè)軌道網(wǎng)絡(luò)和鐵路運(yùn)營商的監(jiān)測系統(tǒng) 必須規(guī)范化。已經(jīng)制定了暫行EN50463,它與列車能量測量相關(guān)的可能要求。
如果制定合理,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,從鐵路運(yùn)營商到設(shè)備制造商,此外還考慮了TSI基本要求規(guī)范和UIC建議。
該分為5部分:
·prEN 50463-1:范圍、般架構(gòu)、文件結(jié)構(gòu)、引用、般要求
·prEN 50463-2:從OCL到計(jì)量單元的電壓/電流傳感器測量鏈
·prEN 50463-3:輸入/輸出數(shù)據(jù)處理和內(nèi)存管理單元
·prEN 50463-4:車載和“列車-地面”通信系統(tǒng)
·prEN 50463-5:評定被測系統(tǒng)的致和協(xié)同時(shí)采用的測試程序規(guī)范
能量測量系統(tǒng)(EMS)的3個(gè)主要功能塊詳見第2-4節(jié),它們需要處理列車擬定運(yùn)行的牽引系統(tǒng)(參見圖1)。產(chǎn)生的匯編能量計(jì)費(fèi)數(shù)據(jù)(CEBD)被下載到地面系統(tǒng),并被鐵路運(yùn)營商用來提能效。
圖1-prEN 50463理念
系統(tǒng)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(jì)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(jì)算功能(ECF)
在鐵路應(yīng)用中,電流和電壓測量以及能耗計(jì)算面臨個(gè)重大的工程挑戰(zhàn)。驅(qū)動(dòng)現(xiàn)代化列車需要消耗巨大電能,多制式貨運(yùn)列車過6.4 MW,這就意味著EMS必須處理大的電壓和電流。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,zui終可能被普遍采用的是0.5 R(每個(gè)部件到0.5R1)。
鐵路領(lǐng)域同時(shí)還面臨環(huán)境挑戰(zhàn):EMF必須能夠應(yīng)對寬運(yùn)行溫度和強(qiáng)機(jī)械應(yīng)力。系統(tǒng)必須能夠防止灰塵和水進(jìn)入-些運(yùn)營商規(guī)定外殼必須達(dá)到IP65。溫度波動(dòng)可能較大,設(shè)計(jì)者必須考慮有可能形成冷凝。
在如此的電源電壓下,VMF面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是充分。LEM的DV系列電壓傳感器鐵路領(lǐng)域而設(shè)計(jì),可以測量這類大電壓,失調(diào)低、(0.5R和0.75R)、線度好。該傳感器表現(xiàn)出良好的共模能-測量2根導(dǎo)體間的實(shí)際電壓差并忽略普通對地電壓失調(diào)。
CMF的開發(fā)也有挑戰(zhàn),因?yàn)榇箅娏鳒y量很難達(dá)到0.5R。zui常用的電流傳感器-霍爾效應(yīng)-不能達(dá)到需要。采用分流器可能是種簡單的替代方案,測量小電阻上的壓降,從而能夠通過歐姆定律計(jì)算電流。不過,這種方法存在固有缺陷,分流器消耗的電能會(huì)導(dǎo)致散熱問題。
LEM公司開發(fā)的種CMF傳感器0.5R的要求。采用閉環(huán)磁通門能夠確的、良好的線度并消除插入損耗,LEM開發(fā)的CMF傳感器,可以測量4kARMS的電流,prEN 50463中規(guī)定的0.5R要求。這種ITC 4000傳感器同時(shí)還表現(xiàn)出的:鐵路領(lǐng)域個(gè)重要的特點(diǎn)就是固有電噪音。開發(fā)0.5R的CMF的難度說明了個(gè)事實(shí)即ITC 4000是當(dāng)前*款可以達(dá)到這個(gè)規(guī)格的傳感器。
ECF是個(gè)復(fù)雜功能。在鐵路領(lǐng)域中,電能計(jì)算比我們在學(xué)校學(xué)到的電壓與電流的簡單相乘復(fù)雜。電壓和電流不斷變化,采用交流電時(shí),電壓和電流不可能同相。相移導(dǎo)致比例的電能流入火車然后又返回,這種現(xiàn)象稱之為“無功功率”。能量又返回電網(wǎng),盡管看起來沒有影響,但實(shí)際上,無功功率可能被耗散為供電網(wǎng)的無用功率。因此prEN 50463要求EMF計(jì)算無功和有功(實(shí)際)功率。
圖2-EM4T II結(jié)構(gòu)圖
圖2顯示的LEM EM4T II( 牽引能量表II)是如何實(shí)現(xiàn)EMF的很好例證。EM4T II從 CMF和VMF獲取讀數(shù),也能連接到GPS 裝置允許繪制帶有位置數(shù)據(jù)負(fù)載曲線。GPS接口同樣提供了度的時(shí)鐘信號用于時(shí)間沖壓負(fù)載信息 。
可以利用串行接口從EM4T II讀取數(shù)據(jù)。從EM4T II內(nèi)的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)中將數(shù)據(jù)提取出來然后通過通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)。
EM4T II可以配置第2個(gè)接口,系統(tǒng)鐵路運(yùn)營商的特定要求。
車載能量測量和報(bào)告需要個(gè)復(fù)雜系統(tǒng),它不能計(jì)算能量,還能記錄位置、時(shí)間戳數(shù)據(jù)并隨后將信息傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)。不過,開發(fā)的EMS時(shí)的個(gè)zui大挑戰(zhàn)是測量電流和電壓。雖然沒有得到批準(zhǔn),但是0.5R這挑戰(zhàn)規(guī)范的VMF和CMF組件已經(jīng)推出。將它們與ECF部件結(jié)合起來,采用其他現(xiàn)成的GPS和通信產(chǎn)品就可能開發(fā)出prEN 50463要求的車載EMS。解決方案的盡早開發(fā),能夠盡快展開部署。這將意味著,我們不必等待很久就能看到歐洲鐵路駕駛帶來的環(huán)境和財(cái)務(wù)收益。