车载能量测量促进环境保护

　　文： Hartmut Graeffert, LEM

　　能耗在诸多领域变得越来越重要，铁路行业也不例外。通过监测每辆列车的能量、费用清单，能够激推动铁路运营商优化能量使用效率。本文讲述了LEM的新型组件；这是首套符合最新暂行标准EN50463的可以实现能量监测和费用核算的系统。

　　几乎我们生活中的每个领域都面临压力需要降低能耗引起的二氧化碳排放量才从而减轻对环境的破坏。尽管铁路行业产生的二氧化碳排放量比其他运输方式少，但是仍然有必要进一步提高能效。

　　英国环境、食品和农村事务部的最新研究表明，铁路运输每乘客每公里产生的CO2量仅为61g，而汽车每乘客每公里产生的CO2量高达140g（汽车尾气排放量基于1.5的平均占有率）。铁路越来越电气化提供了一种提高能效的途径，但是巨大的资金投入在当前充满挑战的经济气候下不现实。

　　对于实际消耗能量的铁路运营商来说，一种方法是监测并设定目标降低能耗、成本和排放量。如果鼓励司机避免能源浪费－即采取“节能驾驶”，那么提供每次旅程的详细行驶信息就尤为重要。将来，司机有可能采用推荐的最佳节能速度行驶，它与如何驾驶更经济的新理念相结合，可以节能10-20％以上。

　　对于化石燃料的发动机，油耗测量相对简单一些，但是在电气化 线路精确牵引能耗测量系统中，分配的成本和每次旅程的碳影响对运营商来说是必须的 。如果要实现这个目，那么每辆列车都需要一种有效的车载能耗测量方法。

　　该系统必须记录能耗和位置，使得运营商能够掌握导致能耗更高的原因，并提供不同电网运营商的费用清单。这在欧洲尤其是一种挑战，因为那儿的国际铁路旅行非常常见。需要支持多个轨道网络和铁路运营商的监测系统 必须规范化。已经制定了暂行标准EN50463，它符合与列车能量测量相关的所有可能要求。

　　如果标准制定合理，则会成功实施。prEN50463的制定考虑了许多不同利益相关者的意见，从铁路运营商到设备制造商，此外还考虑了TSI基本要求规范和UIC建议。

　　该标准分为5部分：

　　• prEN 50463-1：范围、一般架构、文件结构、标准引用、一般要求

　　• prEN 50463-2：从OCL到计量单元的电压/电流传感器测量链

　　• prEN 50463-3：所有输入/输出数据处理和内存管理单元

　　• prEN 50463-4：车载和“列车-地面”通信系统

　　• prEN 50463-5：评定被测系统的一致性和协同性时采用的测试程序规范

　　能量测量系统（EMS）的3个主要功能块详见第2-4节，它们需要处理列车拟定运行的所有牵引系统（参见图1）。产生的汇编能量计费数据（CEBD）被下载到地面系统，并被铁路运营商用来提高能效。

图1－prEN 50463理念

　　系统核心是第2部分讲述的能量测量功能（EMF），它测量电流和电压，并计算能耗。EMF包括3部分：

　　• 电压测量功能（VMF）

　　• 电流测量功能（CMF）

　　• 能量计算功能（ECF）

　　在铁路应用中，电流和电压测量以及能耗计算面临一个重大的工程挑战。驱动现代化列车需要消耗巨大电能，标准多制式货运列车超过6.4 MW，这就意味着EMS必须处理非常大的电压和电流。任何EMS都必须配置能够处理电气化铁路网不同电压的VMF（交流电25 kV @ 50 Hz、15 kV @ 16.7 Hz；直流电750 V、1500 V或 3000 V）。EMS必须符合精度标准，最终可能被普遍采用的标准是0.5 R（每个部件精确到0.5R1）。

　　铁路领域同时还面临环境挑战：任何EMF必须能够应对宽运行温度和强机械应力。系统必须能够防止灰尘和水进入－一些运营商规定外壳必须达到IP65。温度波动可能较大，设计者必须考虑有可能形成冷凝。

　　在如此高的电源电压下，VMF面临的关键挑战是确保充分隔离。LEM的DV系列电压传感器专为铁路领域而设计，可以测量这类大电压，失调低、精度高（0.5R和0.75R）、线性度好。该传感器表现出良好的共模性能－测量2根导体间的实际电压差并忽略任何普通对地电压失调。

　　CMF的开发也非常有挑战性，因为大电流测量精度很难达到0.5R。最常用的电流传感器技术－霍尔效应－不能达到需要精度。采用分流器可能是一种简单的替代方案，测量小电阻上的压降，从而能够通过欧姆定律计算电流。不过，这种方法存在固有缺陷，分流器消耗的电能会导致散热问题。

　　LEM公司开发的一种CMF传感器符合0.5R的精度要求。采用闭环磁通门技术能够确优秀的精度、良好的线性度并消除插入损耗，LEM开发的CMF传感器，可以测量高达4kARMS的电流，符合prEN 50463标准中规定的0.5R精度要求。这种ITC 4000传感器同时还表现出卓越的抗干扰性：铁路领域一个重要的特点就是固有电噪音。开发满足0.5R精度的CMF的难度说明了一个事实即ITC 4000是当前唯一一款精度可以达到这个规格的传感器。

　　ECF是一个复杂功能。在铁路领域中，电能计算比我们在学校学到的电压与电流的简单相乘更复杂。电压和电流不断变化，采用交流电时，电压和电流不可能完全同相。相移导致一定比例的电能流入火车然后又返回，这种现象称之为“无功功率”。能量又返回电网，尽管看起来没有影响，但实际上，无功功率可能被耗散为供电网的无用功率。因此prEN 50463要求EMF计算无功和有功（实际）功率。　

图2－EM4T II结构图

　　图2显示的LEM EM4T II（ 牵引能量表II）是如何实现EMF的很好例证。EM4T II从 CMF和VMF获取读数，也能连接到GPS 装置允许绘制带有位置数据负载曲线。GPS接口同样提供了高度准确的时钟信号用于时间冲压负载信息 。

　　可以利用串行接口从EM4T II读取数据。从EM4T II内的数据处理系统中将数据提取出来然后通过通信网络传输到地面系统。

　　EM4T II可以配置第2个接口，确保系统符合任何铁路运营商的特定要求。

　　车载能量测量和报告需要一个复杂系统，它不仅能计算能量，还能记录位置、时间戳数据并随后将信息传输到地面系统。不过，开发符合标准的EMS时的一个最大挑战是准确测量电流和电压。虽然标准没有得到完全批准，但是精度符合0.5R这一挑战性规范的VMF和CMF组件已经推出。将它们与ECF部件结合起来，采用其他现成的GPS和通信产品就可能开发出符合prEN 50463要求的车载EMS。解决方案的尽早开发，能够尽快展开部署。这将意味着，我们不必等待很久就能看到欧洲铁路节能驾驶带来的环境和财务收益。