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

發(fā)布時(shí)間:2012-05-11

中心議題:

  • 設(shè)計(jì)車載能量測量系統(tǒng)以促進(jìn)環(huán)境保護(hù)


隨著技術(shù)的發(fā)展,能源需求越來越大,隨著的能源的枯竭,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)?! ?br />
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)營的合理等非技術(shù)問題。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?! ?br />
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),全國現(xiàn)有玻璃幕墻(非節(jié)能玻璃)面積已超過900多萬平方米,而且呈持續(xù)發(fā)展趨勢。玻璃幕墻在帶來所謂美觀的同時(shí),也帶來了能耗的成倍增長?! ?br />
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)一步提高能效?! ?br />
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)?! ?br />
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(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,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?! ?br />
對于化石燃料的發(fā)動(dòng)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(gè)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。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?! ?br />
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?! ?br />
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(shí)采用的測試程序規(guī)范  

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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)行的所有牽引系統(tǒng)。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(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)?! ?br />
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(dòng)可能較大,設(shè)計(jì)者必須考慮有可能形成冷凝?! ?br />
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)?! ?br />
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(huì)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。開發(fā)滿足0.5R精度的CMF的難度說明了一個(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?! ?br />
ECF是一個(gè)復(fù)雜功能。在鐵路領(lǐng)域中,電能計(jì)算比我們在學(xué)校學(xué)到的電壓與電流的簡單相乘更復(fù)雜。因此prEN 50463要求EMF計(jì)算無功和有功(實(shí)際)功率?! ?br />
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,確保系統(tǒng)符合任何鐵路運(yùn)營商的特定要求?! ?br />
本文提出車載能量測量和報(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。

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