如何設(shè)計(jì)車載能量測(cè)量系統(tǒng)促進(jìn)環(huán)境保護(hù)

隨著技術(shù)的發(fā)展，能源需求越來(lái)越大，隨著的能源的枯竭，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(jiān)測(cè)每輛列車的能量、費(fèi)用清單，能夠激推動(dòng)鐵路運(yùn)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(biāo)準(zhǔn)EN50463的可以實(shí)現(xiàn)能量監(jiān)測(cè)和費(fèi)用核算的系統(tǒng)。

汽車節(jié)能技術(shù)用于改進(jìn)汽車能源消耗的技術(shù)。汽車節(jié)能措施涉及方方面面，就中國(guó)的現(xiàn)狀而言，有效措施包括以下幾個(gè)方面：公路與交通設(shè)施的合理配套，車型及油品按需生產(chǎn)配置，運(yùn)營(yíng)的合理等非技術(shù)問(wèn)題。技術(shù)方面，保證產(chǎn)品質(zhì)量，按照規(guī)范使用和維護(hù)機(jī)器，改變汽油機(jī)燃燒方式以提高能量轉(zhuǎn)換效率。在現(xiàn)有的燃燒方式下，可以采取以下手段進(jìn)行節(jié)能：改進(jìn)供油系統(tǒng)，汽油機(jī)改氣缸燃油噴射，可提高汽油燃燒效率；改進(jìn)點(diǎn)火系統(tǒng)，提高汽油機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)穩(wěn)定性；減少發(fā)動(dòng)機(jī)附件損失，合理使用配件，進(jìn)行相應(yīng)的改裝。

在不少城市，為了美觀和氣派，主要街區(qū)的寫字樓都是玻璃幕墻，還興建了不少大型的穹頂建筑作為公共設(shè)施。夏季紫外線照射強(qiáng)烈，造成光污染，冬天不擋寒，一年四季不得不開放大功率的空調(diào)來(lái)調(diào)節(jié)氣溫，冬天要先于其他建筑保暖，夏天要先于其他建筑供冷。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，全國(guó)現(xiàn)有玻璃幕墻（非節(jié)能玻璃）面積已超過(guò)900多萬(wàn)平方米，而且呈持續(xù)發(fā)展趨勢(shì)。玻璃幕墻在帶來(lái)所謂美觀的同時(shí)，也帶來(lái)了能耗的成倍增長(zhǎng)。

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(duì)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)一步提高能效。

英國(guó)環(huán)境、食品和農(nóng)村事務(wù)部的最新研究表明，鐵路運(yùn)輸每乘客每公里產(chǎn)生的CO2量?jī)H為61g，而汽車每乘客每公里產(chǎn)生的CO2量高達(dá)140g（汽車尾氣排放量基于1.5的平均占有率）。

對(duì)于實(shí)際消耗能量的鐵路運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)，一種方法是監(jiān)測(cè)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“節(jié)能駕駛”，那么提供每次旅程的詳細(xì)行駛信息就尤為重要。將來(lái)，司機(jī)有可能采用推薦的最佳節(jié)能速度行駛，它與如何駕駛更經(jīng)濟(jì)的新理念相結(jié)合，可以節(jié)能10-20％以上。

對(duì)于化石燃料的發(fā)動(dòng)機(jī)，油耗測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單一些，但是在電氣化 線路精確牽引能耗測(cè)量系統(tǒng)中，分配的成本和每次旅程的碳影響對(duì)運(yùn)營(yíng)商來(lái)說(shuō)是必須的 。如果要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目，那么每輛列車都需要一種有效的車載能耗測(cè)量方法。

該系統(tǒng)必須記錄能耗和位置，使得運(yùn)營(yíng)商能夠掌握導(dǎo)致能耗更高的原因，并提供不同電網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商的費(fèi)用清單。已經(jīng)制定了暫行標(biāo)準(zhǔn)EN50463，它符合與列車能量測(cè)量相關(guān)的所有可能要求。

如果標(biāo)準(zhǔn)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(yíng)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。

該標(biāo)準(zhǔn)分為5部分：

——prEN 50463-1：范圍、一般架構(gòu)、文件結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)引用、一般要求

——prEN 50463-2：從OCL到計(jì)量單元的電壓/電流傳感器測(cè)量鏈

——prEN 50463-3：所有輸入/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(píng)定被測(cè)系統(tǒng)的一致性和協(xié)同性時(shí)采用的測(cè)試程序規(guī)范

能量測(cè)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)行的所有牽引系統(tǒng)。系統(tǒng)核心是第2部分講述的能量測(cè)量功能（EMF），它測(cè)量電流和電壓，并計(jì)算能耗。EMF包括3部分：

——電壓測(cè)量功能（VMF）

——電流測(cè)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(cè)量以及能耗計(jì)算面臨一個(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，標(biāo)準(zhǔn)多制式貨運(yùn)列車超過(guò)6.4 MW，EMS必須符合精度標(biāo)準(zhǔn)，最終可能被普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)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(zhàn)：任何EMF必須能夠應(yīng)對(duì)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－一些運(yùn)營(yíng)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。

在如此高的電源電壓下，VMF面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)是確保充分隔離。該傳感器表現(xiàn)出良好的共模性能－測(cè)量2根導(dǎo)體間的實(shí)際電壓差并忽略任何普通對(duì)地電壓失調(diào)。

CMF的開發(fā)也非常有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榇箅娏鳒y(cè)量精度很難達(dá)到0.5R。最常用的電流傳感器技術(shù)－霍爾效應(yīng)－不能達(dá)到需要精度。采用分流器可能是一種簡(jiǎn)單的替代方案，測(cè)量小電阻上的壓降，從而能夠通過(guò)歐姆定律計(jì)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(dǎo)致散熱問(wèn)題。

LEM公司開發(fā)的一種CMF傳感器符合0.5R的精度要求。開發(fā)滿足0.5R精度的CMF的難度說(shuō)明了一個(gè)事實(shí)即ITC 4000是當(dāng)前唯一一款精度可以達(dá)到這個(gè)規(guī)格的傳感器。

ECF是一個(gè)復(fù)雜功能。在鐵路領(lǐng)域中，電能計(jì)算比我們?cè)趯W(xué)校學(xué)到的電壓與電流的簡(jiǎn)單相乘更復(fù)雜。因此prEN 50463要求EMF計(jì)算無(wú)功和有功（實(shí)際）功率。

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接口同樣提供了高度準(zhǔn)確的時(shí)鐘信號(hào)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(lái)然后通過(guò)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，確保系統(tǒng)符合任何鐵路運(yùn)營(yíng)商的特定要求。

本文提出車載能量測(cè)量和報(bào)告需要一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)，它不僅能計(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)。雖然標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有得到完全批準(zhǔn)，但是精度符合0.5R這一挑戰(zhàn)性規(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(lái)，采用其他現(xiàn)成的GPS和通信產(chǎn)品就可能開發(fā)出符合prEN 50463要求的車載EMS。