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文： Hartmut Graeffert, LEM
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，能夠激推動鐵路運(yùn)營商優(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)測和費(fèi)用核算的系統(tǒng)。
幾乎我們生活中的每個領(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)一步提高能效。
英國環(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量僅為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）。鐵路越來越電氣化提供了一種提高能效的途徑，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，一種方法是監(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，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。
對于化石燃料的發(fā)動機(jī)，油耗測量相對簡單一些，但是在電氣化 線路精確牽引能耗測量系統(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)這個目，那么每輛列車都需要一種有效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)致能耗更高的原因，并提供不同電網(wǎng)運(yùn)營商的費(fèi)用清單。這在歐洲尤其是一種挑戰(zhàn)，因?yàn)槟莾旱膰H鐵路旅行非常常見。需要支持多個軌道網(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)制定了暫行標(biāo)準(zhǔn)EN50463，它符合與列車能量測量相關(guān)的所有可能要求。
如果標(biāo)準(zhǔn)制定合理，則會成功實(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：評定被測系統(tǒng)的一致性和協(xié)同性時采用的測試程序規(guī)范
能量測量系統(tǒng)（EMS）的3個主要功能塊詳見第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)（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)營商用來提高能效。
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)算面臨一個重大的工程挑戰(zhàn)。驅(qū)動現(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6.4 MW，這就意味著EMS必須處理非常大的電壓和電流。任何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（每個部件精確到0.5R1）。
鐵路領(lǐng)域同時還面臨環(huán)境挑戰(zhàn)：任何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－一些運(yùn)營商規(guī)定外殼必須達(dá)到IP65。溫度波動可能較大，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。LEM的DV系列電壓傳感器專為鐵路領(lǐng)域而設(shè)計(jì)，可以測量這類大電壓，失調(diào)低、精度高（0.5R和0.75R）、線性度好。該傳感器表現(xiàn)出良好的共模性能－測量2根導(dǎo)體間的實(shí)際電壓差并忽略任何普通對地電壓失調(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導(dǎo)致散熱問題。
LEM公司開發(fā)的一種CMF傳感器符合0.5R的精度要求。采用閉環(huán)磁通門技術(shù)能夠確優(yōu)秀的精度、良好的線性度并消除插入損耗，LEM開發(fā)的CMF傳感器，可以測量高達(dá)4kARMS的電流，符合prEN 50463標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的0.5R精度要求。這種ITC 4000傳感器同時還表現(xiàn)出卓越的抗干擾性：鐵路領(lǐng)域一個重要的特點(diǎn)就是固有電噪音。開發(fā)滿足0.5R精度的CMF的難度說明了一個事實(shí)即ITC 4000是當(dāng)前唯一一款精度可以達(dá)到這個規(guī)格的傳感器。
ECF是一個復(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更復(fù)雜。電壓和電流不斷變化，采用交流電時，電壓和電流不可能完全同相。相移導(dǎo)致一定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接口同樣提供了高度準(zhǔn)確的時鐘信號用于時間沖壓負(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個接口，確保系統(tǒng)符合任何鐵路運(yùn)營商的特定要求。
車載能量測量和報告需要一個復(fù)雜系統(tǒng)，它不僅能計(jì)算能量，還能記錄位置、時間戳數(shù)據(jù)并隨后將信息傳輸?shù)降孛嫦到y(tǒng)。不過，開發(fā)符合標(biāo)準(zhǔn)的EMS時的一個最大挑戰(zhàn)是準(zhǔn)確測量電流和電壓。雖然標(biāo)準(zhǔn)沒有得到完全批準(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，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。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節(jié)能駕駛帶來的環(huán)境和財務(wù)收益。
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