CN106774131A - 一种城市轨道交通能耗测量控制系统及评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种城市轨道交通能耗测量控制系统及评价方法，包括车载能耗控制单元、数据管理单元、地面能耗控制单元。本发明的有益效果是：本发明的系统是一种多路采样的能耗计量系统，采用永磁同步直流电机进行驱动控制，利用超级电容与锂电池建立双能量控制模块进行车载能量转化控制，不需要进行列车受力分析和建模，不需要进行大量非线性分析和智能优化计算，直接利用采集的电压和电流数据可以进行牵引能耗、再生制动能量及辅助能耗的测量和监控，具备能耗数据实时存储和显示功能，可以通过数据管理单元将能耗数据上传至地面能耗管理单元，节省人工成本，具有故障检测功能，当系统出现故障时，能够准确上报。

Description

一种城市轨道交通能耗测量控制系统及评价方法

技术领域

本发明涉及一种城市轨道交通控制系统及评价方法，具体为一种城市轨道交通能耗测量控制系统及评价方法，属于城市轨道交通应用技术领域。

背景技术

城市轨道交通是城市重要基础设施和重大民生工程，对于提升城市公共交通服务能力、引导优化城市空间布局、实现城市可持续发展以及稳增长、惠民生意义重大。近年来，城市轨道交通简政放权逐渐进入“快车道”。

城市轨道交通的运营主要靠消耗电能，其电能的消耗量是相当巨大的。中国城市轨道交通协会的统计数据表明，截至2015年末，中国大陆地区共26个城市开通城轨交通运营，共计116条线路，运营线路总长度达3618公里。以北京轨道交通为例，北京地铁2015年的里程数达到554公里，累计客流28.21亿人次。按照平均每人公里能耗为0.07千瓦时计算，2015年能耗为1093.99亿度。全国轨道交通的里程数越长，能耗量越大，而且能耗量将会是一个惊人的数字。如果能够通过低碳节能技术的应用将城市轨道交通的能耗降低，这将为地铁运营部门节省大量的能源开销。

目前的节能控制系统主要是从主要是偏向理论节能优化的的分析和应用。一方面针对列车的动力系统进行建立机械模型、动力学模型、数学模型等，进而进行非线性的分析和线性的智能优化；另一方面对列车的操纵系统采用构建模型，应用多种优化算法进行分析能耗的变化。在动力系统也有采用电阻制动、再生制动、储能装置的节能方式，但是都是单一的能耗控制，不能实现地面能耗和车载能耗的互联，也不能进行能量的有效存储和能量转换，很大程度上浪费了能源。同时传统的能量统计和管理方式也不能对能耗的情况进行评价和评估，实现能量优化，降低能源的消耗，实现绿色交通、绿色城市。因此，针对上述问题提出一种城市轨道交通能耗测量控制系统及评价方法。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种城市轨道交通能耗测量控制系统及评价方法，分析城轨交通的能耗，便于进行节能管理和优化。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的，一种城市轨道交通能耗测量控制系统，包括车载能耗控制单元、数据管理单元、地面能耗控制单元，所述车载能耗控制单元连接数据管理单元，且所述数据管理单元连接地面能耗控制单元；

所述车载能耗控制单元包括车载PLC控制模块以及与所述车载PLC控制模块连接的、双能量存储模块、电压采集模块、电流采集模块、车载能耗计算模块、进出站RFID模块、基础显示模块和供电模块；

地面能耗控制单元包括地面PLC控制模块、照明能耗模块、电梯能耗模块、空调通风能耗模块和其它能耗模块；

数据管理单元包括数据通讯模块、数据存储模块、数据调度模块和数据处理模块。

优选的，所述电压采集模块通过电压传感器模块和A/D转换模块把采集到的电压数据传输到车载PLC控制模块；所述电流采集模块通过电流传感器模块和A/D转换模块把采集到的电压数据传输到车载PLC控制模块。

优选的，所述车载能耗控制单元通过安装在不同位置的传感器采集电压和电流数据，进行能耗的分析和计算，其计算公式为：

W＝∫UIdt/3.6×10⁵

式中，W为能耗量(kWh)，U为电压(V)，I为电压(A)。

优选的，所述供电模块连接车载PLC控制模块和其他模块，为其提供需要的各种电源；

所述基础显示模块进行列车基本数据、速度-位移曲线、能耗曲线、速度功率曲线、列车运行曲线以及其他辅助驾驶系统的显示；

所述双能量存储模块实现车载电机的供电和再生制动能量的回收及利用，可以实现再生能量存储和转换。通过利用超级电容器吸收线路上瞬时变化的大电流冲击，保护锂电池组；利用锂电池扩充储能系统的存储容量，弥补超级电容器能量密度小的缺点，提升储能系统的寿命与动态响应性能的同时降低投资成本，提高储能经济性。

所述车载能耗计量模块通过利用安装在不同位置的传感器采集电压和电流数据来计算整车能耗、照明能耗、空调通风能耗、再生制动能耗、反馈部分能耗以及其他部分能耗；

所述进出站RFID模块通过设置在站台进出位置的标签来确定车辆的进出库状态以及判别列车停车位置的精确度。

优选的，所述车载能耗测量系统包括传感器模块、平波电抗器、滤波电路、VVVF电路、车载照明电路、车载空调通风电路、车载其它电路、双能量模块和电机。

优选的，所述双能量模块包括再生制动电路、锂电池、超级电容、DC/DC变换器、DC/AC逆变器和控制器。

优选的，所述传感器模块由传感器电路1、传感器电路2、传感器电路3、传感器电路4、传感器电路5、传感器电路6、传感器电路7电路组成，通过A/D转换器把电压传感器和电流传感器采集到的电压和电流信号传输车载PLC控制模块。

优选的，车载能耗计算方法为：

W₁＝∫U₁I₁dt

W₁＝W₂+W_ot＝W₃+W₅-W₄+W_ot＝W₃+W₅-(W₆+W₇)+W_ot

＝∫U₃I₃dt+∫U₅I₅dt-(∫U₆I₆dt+∫U₇I₇dt)+W_ot

∫U₁I₁dt＝∫U₃I₃dt+∫U₅I₅dt-(∫U₆I₆dt+∫U₇I₇dt)+W_ot

W₂＝W₃++W₅-W₄

W₄＝W_fk+W_nh

W_fk＝W₆+W₇

式中，W₁为车载总能耗，W₂为列车主要能耗；W₃为牵引电机的能耗；W₄为再生制动能耗，W₅为车载照明、空调通风以及其他能耗，W_ot为车载系统的附属能耗，W_fk为反馈能耗，W₆为反馈到电机上的能耗，W₇为反馈到车载电路部分的能耗，W_nh为内双能量模块电路的能耗。

优选的，所述数据管理单元实现车载数据和地面数据的互联和各个部分的通讯，把车载能耗控制单元和地面能耗控制单元连通起来，数据通讯模块通过GPRS、TCP/IP、MVB、RS232/RS485、Profibus、Profinet中的一种进行数据的通讯和传输；数据存储模块用来进行车载和地面数据的存储，通过物联网把数据存储到云平台或者云空间；数据调度模块实现车载和地面数据的调度，发送到城轨列车调度中心显示模块用来显示速度-距离曲线、能耗曲线、速度-位移曲线；数据处理模块用来处理存储的各种数据和一些不利的或者故障数据，生成各种数据的报表，同时还具有主动容错控制功能。

优选的，所述地面能耗单元利用电能表进行计算和分析能耗，地面能耗数据通过数据管理单元存储到数据中心，其中空调根据天气及现场温度自动调整，保证现场温度的适宜及人群的舒适性；电梯根据客流进行调整运行，适当时间控制使用电梯进行分流，车站照明设备采用智能化照明系统，根据人数以及声光控的方式实现自动控制灯管亮度和开关。

优选的，所述地面能耗测量系统利用电度表进行测量的，通过设置在主电路的总电能表进行地面能耗的总体测量，在主配电柜安装各个电路的电能表分别测量照明能耗、电梯能耗、空调通风能耗和其它能耗，能耗测量示意图和计算公式如下：

W_d＝W_kf+W_zm+W_dt+W_qt

式中，W_d为地面能耗总和，W_zm为地面照明能耗；W_kf为地面空调通风能耗，W_dt为电梯能耗，W_qt为地面其它能耗。

一种城市轨道交通能耗测量控制系统的评价方法，

对系统能耗体系进行评价：

(1)客运周转量能耗指标：

式中，K₁—人均公里电耗(kWh/公里)，W—总耗电量(kWh)，n—客流量，S—运营里程(km)，n×S为客运周转量，是轨道交通线路运送的乘客人次与其相应的运送距离乘积；

(2)基于运营里程的牵引能耗指标：

该指标反映了时间、车辆类别及线路节能坡采用的因素，不同的运营期能耗表现明显不同，采用节能坡的线路对节省能耗有帮助，车型不同则能耗不同，该指标则能体现不同车型能耗的比较；

(3)基于运营里程的动力能耗指标：

式中：为基于运营里程的动力能耗，为总动力耗电量，为车辆运营总里程，该指标反映整条线路动力用电的利用程度，动力用电也是为了整条线路的运营服务的，因此从运营里程的角度考虑，也体现动力耗电的特点；

(4)再生制动利用比率：

再生制动能耗利用率：

其中，再生制动能量比率反映了列车再生能量的利用在列车运营过程中的所占比例，结合再生制动能耗利用率，很好地体现再生能量的利用效果；再生制动能耗利用率反映再生制动能量的利用情况，利用率越高说明系统性能越好；

(5)精确停车评价指标为：K_s＝|S_r-S_i|

式中，S_r为实测的停车距离，S_i为理想停车距离，该指标反映列车停车精度，用于保证乘客安全和列车运行安全，指标越小越好；

(6)运行舒适度评价指标为：

式中，v为运行速度，S为运行距离，通过列车的加速度变化率，衡量列车舒适度，加速度变化率越大，舒适度越差，该指标越小，表明乘坐舒适度越佳；

运行准点率的评价指标为：

式中，t_p为计划运行时间，t_r为实际运行时间，该指标反映了列车运行的准时性，保证列车在调度时间内准时到达各个站点并准时发车，该指标越小，说明准点率越高。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的系统是一种多路采样的能耗计量系统，不需要进行列车受力分析和建模，直接利用采集的电压和电流数据可以进行牵引能耗、再生制动能量及辅助能耗的测量和监控，具备能耗数据实时存储和显示功能，可以通过数据管理单元将能耗数据上传至地面能耗管理单元，节省人工成本，具有故障检测功能，当系统出现故障时，能够准确上报。

(2)系统采用的双能量模块，实现了储能系统运行策略的优化，提高了系统的能源利用效率，保证了再生能量的充分利用和转换；进而也可以为优化系统控制参数、开发轨道交通相应的智能电网等做出贡献。

(3)该系统可以通过分段显示各个运行区间的详细耗电量和运行曲线的绘制，有效防止非正常用电的发生，并对司机操纵情况及其对节能的影响进行分析评价，对推进节能、优化操纵技术具有非常好的指导意义。

(4)通过建立能耗多元目标评价体系，可以直接对现有线路进行能耗的评估，为节能措施的制订提供理论依据，在政府决策、线路规划、基本设施建设、设备选购、运营管理等方面具有指导作用。

(5)该系统的电机采用永磁同步直流电机，可以提高列车的动力品质、能耗和控制特性，提升列车的经济性、舒适性与可靠性。

附图说明

图1为本发明的轨道交通能耗控制系统结构图；

图2为本发明的车在能耗测量系统示意图；

图3为本发明的地面能耗测量系统示意图；

图4为本发明的列车能耗指标评价体系构建思路示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1-4所示，一种城市轨道交通能耗测量控制系统，包括车载能耗控制单元、数据管理单元、地面能耗控制单元，所述车载能耗控制单元连接数据管理单元，且所述数据管理单元连接地面能耗控制单元；

所述车载能耗控制单元包括车载PLC控制模块以及与所述车载PLC控制模块连接的、双能量存储模块、电压采集模块、电流采集模块、车载能耗计算模块、进出站RFID模块、基础显示模块和供电模块；

地面能耗控制单元包括地面PLC控制模块、照明能耗模块、电梯能耗模块、空调通风能耗模块和其它能耗模块；

数据管理单元包括数据通讯模块、数据存储模块、数据调度模块和数据处理模块。

其中，所述电压采集模块通过电压传感器模块和A/D转换模块把采集到的电压数据传输到车载PLC控制模块；所述电流采集模块通过电流传感器模块和A/D转换模块把采集到的电压数据传输到车载PLC控制模块。

其中，所述车载能耗控制单元通过安装在不同位置的传感器采集电压和电流数据，进行能耗的分析和计算，其计算公式为：

W＝UIdt/3.6×10⁵

式中，W为能耗量(kWh)，U为电压(V)，I为电压(A)。

其中，所述供电模块连接车载PLC控制模块和其他模块，为其提供需要的各种电源；

所述基础显示模块进行列车基本数据、速度-位移曲线、能耗曲线、速度功率曲线、列车运行曲线以及其他辅助驾驶系统的显示；

所述双能量存储模块实现车载电机的供电和再生制动能量的回收及利用；

所述车载能耗计量模块通过利用安装在不同位置的传感器采集电压和电流数据来计算整车能耗、照明能耗、空调通风能耗、再生制动能耗、反馈部分能耗以及其他部分能耗；

所述进出站RFID模块通过设置在站台进出位置的标签来确定车辆的进出库状态以及判别列车停车位置的精确度。

其中，所述车载能耗测量系统包括传感器模块、平波电抗器、滤波电路、VVVF电路、车载照明电路、车载空调通风电路、车载其它电路、双能量模块和电机。

其中，所述双能量模块包括再生制动电路、锂电池、超级电容、DC/DC变换器、DC/AC逆变器和控制器。

其中，所述传感器模块由传感器电路1、传感器电路2、传感器电路3、传感器电路4、传感器电路5、传感器电路6、传感器电路7电路组成，通过A/D转换器把电压传感器和电流传感器采集到的电压和电流信号传输车载PLC控制模块。

其中，车载能耗计算方法为：

W₁＝∫U₁I₁dt

W₁＝W₂+W_ot＝W₃+W₅-W₄+W_ot＝W₃+W₅-(W₆+W₇)+W_ot

＝∫U₃I₃dt+∫U₅I₅dt-(∫U₆I₆dt+∫U₇I₇dt)+W_ot

∫U₁I₁dt＝∫U₃I₃dt+∫U₅I₅dt-(∫U₆I₆dt+∫U₇I₇dt)+W_ot

W₂＝W₃++W₅-W₄

W₄＝W_fk+W_nh

W_fk＝W₆+W₇

式中，W₁为车载总能耗，W₂为列车主要能耗；W₃为牵引电机的能耗；W₄为再生制动能耗，W₅为车载照明、空调通风以及其他能耗，W_ot为车载系统的附属能耗，W_fk为反馈能耗，W₆为反馈到电机上的能耗，W₇为反馈到车载电路部分的能耗，W_nh为内双能量模块电路的能耗。

其中，所述数据管理单元实现车载数据和地面数据的互联和各个部分的通讯，把车载能耗控制单元和地面能耗控制单元连通起来，数据通讯模块通过TCP/IP进行数据的通讯和传输；数据存储模块用来进行车载和地面数据的存储，通过物联网把数据存储到云平台或者云空间；数据调度模块实现车载和地面数据的调度，发送到城轨列车调度中心显示模块用来显示速度-距离曲线、能耗曲线、速度-位移曲线；数据处理模块用来处理存储的各种数据和一些不利的或者故障数据，生成各种数据的报表，同时还具有主动容错控制功能。

其中，所述地面能耗单元利用电能表进行计算和分析能耗，地面能耗数据通过数据管理单元存储到数据中心，其中空调根据天气及现场温度自动调整，保证现场温度的适宜及人群的舒适性；电梯根据客流进行调整运行，适当时间控制使用电梯进行分流，车站照明设备采用智能化照明系统，根据人数以及声光控的方式实现自动控制灯管亮度和开关。

其中，所述地面能耗测量系统利用电度表进行测量的，通过设置在主电路的总电能表进行地面能耗的总体测量，在主配电柜安装各个电路的电能表分别测量照明能耗、电梯能耗、空调通风能耗和其它能耗，能耗测量示意图和计算公式如下：

W_d＝W_kf+W_zm+W_dt+W_qt

式中，W_d为地面能耗总和，W_zm为地面照明能耗；W_kf为地面空调通风能耗，W_dt为电梯能耗，W_qt为地面其它能耗。

一种城市轨道交通能耗测量控制系统的评价方法，

对系统能耗体系进行评价：

(1)客运周转量能耗指标：

式中，K₁—人均公里电耗(kWh/公里)，W—总耗电量(kWh)，n—客流量，S—运营里程(km)，n×S为客运周转量，是轨道交通线路运送的乘客人次与其相应的运送距离乘积；

(2)基于运营里程的牵引能耗指标：

该指标反映了时间、车辆类别及线路节能坡采用的因素，不同的运营期能耗表现明显不同，采用节能坡的线路对节省能耗有帮助，车型不同则能耗不同，该指标则能体现不同车型能耗的比较；

(3)基于运营里程的动力能耗指标：

式中：为基于运营里程的动力能耗，为总动力耗电量，为车辆运营总里程，该指标反映整条线路动力用电的利用程度，动力用电也是为了整条线路的运营服务的，因此从运营里程的角度考虑，也体现动力耗电的特点；

(4)再生制动利用比率：

再生制动能耗利用率：

其中，再生制动能量比率反映了列车再生能量的利用在列车运营过程中的所占比例，结合再生制动能耗利用率，很好地体现再生能量的利用效果；再生制动能耗利用率反映再生制动能量的利用情况，利用率越高说明系统性能越好；

(5)精确停车评价指标为：K_s＝|S_r-S_i|

式中，S_r为实测的停车距离，S_i为理想停车距离，该指标反映列车停车精度，用于保证乘客安全和列车运行安全，指标越小越好；

(7)运行舒适度评价指标为：

式中，v为运行速度，S为运行距离，通过列车的加速度变化率，衡量列车舒适度，加速度变化率越大，舒适度越差，该指标越小，表明乘坐舒适度越佳；

运行准点率的评价指标为：

式中，t_p为计划运行时间，t_r为实际运行时间，该指标反映了列车运行的准时性，保证列车在调度时间内准时到达各个站点并准时发车，该指标越小，说明准点率越高。

实施例二：

如图1-4所示，一种城市轨道交通能耗测量控制系统，包括车载能耗控制单元、数据管理单元、地面能耗控制单元，所述车载能耗控制单元连接数据管理单元，且所述数据管理单元连接地面能耗控制单元；

所述车载能耗控制单元包括车载PLC控制模块以及与所述车载PLC控制模块连接的、双能量存储模块、电压采集模块、电流采集模块、车载能耗计算模块、进出站RFID模块、基础显示模块和供电模块；

地面能耗控制单元包括地面PLC控制模块、照明能耗模块、电梯能耗模块、空调通风能耗模块和其它能耗模块；

数据管理单元包括数据通讯模块、数据存储模块、数据调度模块和数据处理模块。

其中，所述电压采集模块通过电压传感器模块和A/D转换模块把采集到的电压数据传输到车载PLC控制模块；所述电流采集模块通过电流传感器模块和A/D转换模块把采集到的电压数据传输到车载PLC控制模块。

其中，所述车载能耗控制单元通过安装在不同位置的传感器采集电压和电流数据，进行能耗的分析和计算，其计算公式为：

W＝∫UIdt/3.6×10⁵

式中，W为能耗量(kWh)，U为电压(V)，I为电压(A)。

其中，所述供电模块连接车载PLC控制模块和其他模块，为其提供需要的各种电源；

所述基础显示模块进行列车基本数据、速度-位移曲线、能耗曲线、速度功率曲线、列车运行曲线以及其他辅助驾驶系统的显示；

所述双能量存储模块实现车载电机的供电和再生制动能量的回收及利用；

所述车载能耗计量模块通过利用安装在不同位置的传感器采集电压和电流数据来计算整车能耗、照明能耗、空调通风能耗、再生制动能耗、反馈部分能耗以及其他部分能耗；

所述进出站RFID模块通过设置在站台进出位置的标签来确定车辆的进出库状态以及判别列车停车位置的精确度。

其中，所述车载能耗测量系统包括传感器模块、平波电抗器、滤波电路、VVVF电路、车载照明电路、车载空调通风电路、车载其它电路、双能量模块和电机。

其中，所述双能量模块包括再生制动电路、锂电池、超级电容、DC/DC变换器、DC/AC逆变器和控制器。

其中，所述传感器模块由传感器电路1、传感器电路2、传感器电路3、传感器电路4、传感器电路5、传感器电路6、传感器电路7电路组成，通过A/D转换器把电压传感器和电流传感器采集到的电压和电流信号传输车载PLC控制模块。

其中，车载能耗计算方法为：

W₁＝∫U₁I₁dt

W₁＝W₂+W_ot＝W₃+W₅-W₄+W_ot＝W₃+W₅-(W₆+W₇)+W_ot

＝∫U₃I₃dt+∫U₅I₅dt-(∫U₆I₆dt+∫U₇I₇dt)+W_ot

∫U₁I₁dt＝∫U₃I₃dt+∫U₅I₅dt-(∫U₆I₆dt+∫U₇I₇dt)+W_ot

W₂＝W₃++W₅-W₄

W₄＝W_fk+W_nh

W_fk＝W₆+W₇

式中，W₁为车载总能耗，W₂为列车主要能耗；W₃为牵引电机的能耗；W₄为再生制动能耗，W₅为车载照明、空调通风以及其他能耗，W_ot为车载系统的附属能耗，W_fk为反馈能耗，W₆为反馈到电机上的能耗，W₇为反馈到车载电路部分的能耗，W_nh为内双能量模块电路的能耗。

其中，所述数据管理单元实现车载数据和地面数据的互联和各个部分的通讯，把车载能耗控制单元和地面能耗控制单元连通起来，数据通讯模块通过GPRS进行数据的通讯和传输；数据存储模块用来进行车载和地面数据的存储，通过物联网把数据存储到云平台或者云空间；数据调度模块实现车载和地面数据的调度，发送到城轨列车调度中心显示模块用来显示速度-距离曲线、能耗曲线、速度-位移曲线；数据处理模块用来处理存储的各种数据和一些不利的或者故障数据，生成各种数据的报表，同时还具有主动容错控制功能。

其中，所述地面能耗单元利用电能表进行计算和分析能耗，地面能耗数据通过数据管理单元存储到数据中心，其中空调根据天气及现场温度自动调整，保证现场温度的适宜及人群的舒适性；电梯根据客流进行调整运行，适当时间控制使用电梯进行分流，车站照明设备采用智能化照明系统，根据人数以及声光控的方式实现自动控制灯管亮度和开关。

其中，所述地面能耗测量系统利用电度表进行测量的，通过设置在主电路的总电能表进行地面能耗的总体测量，在主配电柜安装各个电路的电能表分别测量照明能耗、电梯能耗、空调通风能耗和其它能耗，能耗测量示意图和计算公式如下：

W_d＝W_kf+W_zm+W_dt+W_qt

式中，W_d为地面能耗总和，W_zm为地面照明能耗；W_kf为地面空调通风能耗，W_dt为电梯能耗，W_qt为地面其它能耗。

一种城市轨道交通能耗测量控制系统的评价方法，

对系统能耗体系进行评价：

(1)客运周转量能耗指标：

式中，K₁—人均公里电耗(kWh/公里)，W—总耗电量(kWh)，n—客流量，S—运营里程(km)，n×S为客运周转量，是轨道交通线路运送的乘客人次与其相应的运送距离乘积；

(2)基于运营里程的牵引能耗指标：

该指标反映了时间、车辆类别及线路节能坡采用的因素，不同的运营期能耗表现明显不同，采用节能坡的线路对节省能耗有帮助，车型不同则能耗不同，该指标则能体现不同车型能耗的比较；

(3)基于运营里程的动力能耗指标：

式中：为基于运营里程的动力能耗，为总动力耗电量，为车辆运营总里程，该指标反映整条线路动力用电的利用程度，动力用电也是为了整条线路的运营服务的，因此从运营里程的角度考虑，也体现动力耗电的特点；

(4)再生制动利用比率：

再生制动能耗利用率：

其中，再生制动能量比率反映了列车再生能量的利用在列车运营过程中的所占比例，结合再生制动能耗利用率，很好地体现再生能量的利用效果；再生制动能耗利用率反映再生制动能量的利用情况，利用率越高说明系统性能越好；

(5)精确停车评价指标为：K_s＝|S_r-S_i|

式中，S_r为实测的停车距离，S_i为理想停车距离，该指标反映列车停车精度，用于保证乘客安全和列车运行安全，指标越小越好；

(8)运行舒适度评价指标为：

式中，v为运行速度，S为运行距离，通过列车的加速度变化率，衡量列车舒适度，加速度变化率越大，舒适度越差，该指标越小，表明乘坐舒适度越佳；

运行准点率的评价指标为：

式中，t_p为计划运行时间，t_r为实际运行时间，该指标反映了列车运行的准时性，保证列车在调度时间内准时到达各个站点并准时发车，该指标越小，说明准点率越高。

该系统不同于传统的各种机械和动力能耗模型，不需要进行大量非线性分析和智能优化计算，而车载能耗单元通过直接测量车载的电压和电流，实现能量的记录和计算，可以实时分析列车的能耗变化情况，以便对列车在运行过程中的能量各种操作进行优化；地面能耗单元直接利用电能表计算各种照明、电梯、空调通风以及附属设施的能耗，方便计算和分析能耗的变化。同时可以通过数据传输单元实现车载能耗的上传和存储，可以实现车载能耗的实时记录。

针对再生制动能量利用率不高，需要铺设专用线路，所以设计了双能量存储模块，进行停车制动能量回收、坡道保速制动能量回收以及其它情况能量回收和利用。该系统的双能量模块主要有锂电池、超级电容、再生制动电路、DC/AC逆变器、DC/DC转换器、控制器等组成，可以实现再生能量存储和转换。通过利用超级电容器吸收线路上瞬时变化的大电流冲击，保护锂电池组；利用锂电池扩充储能系统的存储容量，弥补超级电容器能量密度小的缺点，提升储能系统的寿命与动态响应性能的同时降低投资成本，提高储能经济性。

该系统的电机采用永磁同步直流电机，可以提高列车的动力品质、能耗和控制特性，提升列车的经济性、舒适性与可靠性。使用直流电就可以使启动噪声减少5％，能耗减少10-20％，初期成本增加15％，寿命周期成本减少45％，维护更简便。到2020年前后，全国将建设约100条城市轨道交通线路。如果新建线路60％采用永磁牵引系统，预期的产值将达到100亿元，全国每年新线运营能耗将节约2.4亿元。

该系统设置了数据管理单元，可以实现车载数据和地面数据的互联，可以通过各种通讯模块和存储模块实现数据的保存和处理。同时可以利用智能物联技术，实现能耗数据的云平台存储，以便于实现实时调用和查看，准确分析列车能耗和地面能耗的变化，方便轨道交通能耗管理和实现节能优化。

通过利用所测数据建立客运周转量能耗指标、基于运营里程的牵引能耗指标、基于运营里程的动力能耗指标、再生制动利用比率、再生制动能耗利用率、精确停车评价指标、运行舒适度评价指标和运行准点率的评价指标等能耗评价标准，形成能耗评价报告。不仅可以对线路能耗进行评价，还可以对设备能耗、管理能耗等进行评价和研究，有利于加强节能节耗，努力建设节约型交通行业；也有利于研究制定引导节约能源的行业政策，努力节约建设成本，节约能源和资源，促进交通可持续发展。

从整个轨道交通系统的角度出发，对轨道交通系统节能的理论依据、评价方法、控制方法和相应的标准化体系进行理论分析和研究，可以为轨道交通系统节能技术的研究和发展提供方法论和系统理论的指导。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (10)

1.一种城市轨道交通能耗测量控制系统，包括车载能耗控制单元、数据管理单元、地面能耗控制单元，其特征在于：所述车载能耗控制单元连接数据管理单元，且所述数据管理单元连接地面能耗控制单元；

所述车载能耗控制单元包括车载PLC控制模块以及与所述车载PLC控制模块连接的、双能量存储模块、电压采集模块、电流采集模块、车载能耗计算模块、进出站RFID模块、基础显示模块和供电模块；

地面能耗控制单元包括地面PLC控制模块、照明能耗模块、电梯能耗模块、空调通风能耗模块和其它能耗模块；

数据管理单元包括数据通讯模块、数据存储模块、数据调度模块和数据处理模块。

2.根据权利要求1所述的一种城市轨道交通能耗测量控制系统，其特征在于：所述电压采集模块通过电压传感器模块和A/D转换模块把采集到的电压数据传输到车载PLC控制模块；所述电流采集模块通过电流传感器模块和A/D转换模块把采集到的电压数据传输到车载PLC控制模块。

3.根据权利要求1或2所述的一种城市轨道交通能耗测量控制系统，其特征在于：所述车载能耗控制单元通过安装在不同位置的传感器采集电压和电流数据，进行能耗的分析和计算，其计算公式为：

W＝∫UIdt/3.6×10⁵

式中，W为能耗量(kWh)，U为电压(V)，I为电压(A)。

4.根据权利要求1所述的一种城市轨道交通能耗测量控制系统，其特征在于：所述供电模块连接车载PLC控制模块和其他模块，为其提供需要的各种电源；

所述基础显示模块进行列车基本数据、速度-位移曲线、能耗曲线、速度功率曲线、列车运行曲线以及其他辅助驾驶系统的显示；

所述双能量存储模块实现车载电机的供电和再生制动能量的回收及利用，可以实现再生能量存储和转换；通过利用超级电容器吸收线路上瞬时变化的大电流冲击，保护锂电池组；利用锂电池扩充储能系统的存储容量，弥补超级电容器能量密度小的缺点，提升储能系统的寿命与动态响应性能的同时降低投资成本，提高储能经济性；

所述车载能耗计量模块通过利用安装在不同位置的传感器采集电压和电流数据来计算整车能耗、照明能耗、空调通风能耗、再生制动能耗、反馈部分能耗以及其他部分能耗；

所述进出站RFID模块通过设置在站台进出位置的标签来确定车辆的进出库状态以及判别列车停车位置的精确度。

5.根据权利要求1所述的一种城市轨道交通能耗测量控制系统，其特征在于：所述车载能耗测量系统包括传感器模块、平波电抗器、滤波电路、VVVF电路、车载照明电路、车载空调通风电路、车载其它电路、双能量模块和电机；所述双能量模块包括再生制动电路、锂电池、超级电容、DC/DC变换器、DC/AC逆变器和控制器。

6.根据权利要求5所述的一种城市轨道交通能耗测量控制系统，其特征在于：所述传感器模块由传感器电路1、传感器电路2、传感器电路3、传感器电路4、传感器电路5、传感器电路6、传感器电路7电路组成，通过A/D转换器把电压传感器和电流传感器采集到的电压和电流信号传输车载PLC控制模块。

7.根据权利要求1所述的一种城市轨道交通能耗测量控制系统，其特征在于：车载能耗计算方法为：

W₁＝∫U₁I₁dt

W₁＝W₂+W_ot＝W₃+W₅-W₄+W_ot＝W₃+W₅-(W₆+W₇)+W_ot

＝∫U₃I₃dt+∫U₅I₅dt-(∫U₆I₆dt+∫U₇I₇dt)+W_ot

∫U₁I₁dt＝∫U₃I₃dt+∫U₅I₅dt-(∫U₆I₆dt+∫U₇I₇dt)+W_ot

W₂＝W₃++W₅-W₄

W₄＝W_fk+W_nh

W_fk＝W₆+W₇

式中，W₁为车载总能耗，W₂为列车主要能耗；W₃为牵引电机的能耗；W₄为再生制动能耗，W₅为车载照明、空调通风以及其他能耗，W_ot为车载系统的附属能耗，W_fk为反馈能耗，W₆为反馈到电机上的能耗，W₇为反馈到车载电路部分的能耗，W_nh为内双能量模块电路的能耗。

8.根据权利要求1所述的一种城市轨道交通能耗测量控制系统，其特征在于：所述数据管理单元实现车载数据和地面数据的互联和各个部分的通讯，把车载能耗控制单元和地面能耗控制单元连通起来，数据通讯模块通过GPRS、TCP/IP、MVB、RS232/RS485、Profibus、Profinet中的一种进行数据的通讯和传输；数据存储模块用来进行车载和地面数据的存储，通过物联网把数据存储到云平台或者云空间；数据调度模块实现车载和地面数据的调度，发送到城轨列车调度中心显示模块用来显示速度-距离曲线、能耗曲线、速度-位移曲线；数据处理模块用来处理存储的各种数据和一些不利的或者故障数据，生成各种数据的报表，同时还具有主动容错控制功能；

所述地面能耗单元利用电能表进行计算和分析能耗，地面能耗数据通过数据管理单元存储到数据中心，其中空调根据天气及现场温度自动调整，保证现场温度的适宜及人群的舒适性；电梯根据客流进行调整运行，适当时间控制使用电梯进行分流，车站照明设备采用智能化照明系统，根据人数以及声光控的方式实现自动控制灯管亮度和开关。

9.根据权利要求1所述的一种城市轨道交通能耗测量控制系统，其特征在于：所述地面能耗测量系统利用电度表进行测量的，通过设置在主电路的总电能表进行地面能耗的总体测量，在主配电柜安装各个电路的电能表分别测量照明能耗、电梯能耗、空调通风能耗和其它能耗，能耗测量示意图和计算公式如下：

W_d＝W_kf+W_zm+W_dt+W_qt

式中，W_d为地面能耗总和，W_zm为地面照明能耗；W_kf为地面空调通风能耗，W_dt为电梯能耗，W_qt为地面其它能耗。

10.根据权利要求1-19中任一项所述的一种城市轨道交通能耗测量控制系统的评价方法，其特征在于：

对系统能耗体系进行评价：

(1)客运周转量能耗指标：

$K_1=\frac{W}{n\×S}=\frac{W_1+W_d}{n\×S}$

式中，K₁—人均公里电耗(kWh/公里)，W—总耗电量(kWh)，n—客流量，S—运营里程(km)，n×S为客运周转量，是轨道交通线路运送的乘客人次与其相应的运送距离乘积；

(2)基于运营里程的牵引能耗指标：

$K_2=\frac{W_2}{S}$

该指标反映了时间、车辆类别及线路节能坡采用的因素，不同的运营期能耗表现明显不同，采用节能坡的线路对节省能耗有帮助，车型不同则能耗不同，该指标则能体现不同车型能耗的比较；

(3)基于运营里程的动力能耗指标：

$K_3=\frac{W_1}{S}$

式中：为基于运营里程的动力能耗，为总动力耗电量，为车辆运营总里程，该指标反映整条线路动力用电的利用程度，动力用电也是为了整条线路的运营服务的，因此从运营里程的角度考虑，也体现动力耗电的特点；

(4)再生制动利用比率：

再生制动能耗利用率：

其中，再生制动能量比率反映了列车再生能量的利用在列车运营过程中的所占比例，结合再生制动能耗利用率，很好地体现再生能量的利用效果；再生制动能耗利用率反映再生制动能量的利用情况，利用率越高说明系统性能越好；

(5)精确停车评价指标为：K_s＝|S_r-S_i|

式中，S_r为实测的停车距离，S_i为理想停车距离，该指标反映列车停车精度，用于保证乘客安全和列车运行安全，指标越小越好；

(6)运行舒适度评价指标为：

式中，v为运行速度，S为运行距离，通过列车的加速度变化率，衡量列车舒适度，加速度变化率越大，舒适度越差，该指标越小，表明乘坐舒适度越佳；

运行准点率的评价指标为：

式中，t_p为计划运行时间，t_r为实际运行时间，该指标反映了列车运行的准时性，保证列车在调度时间内准时到达各个站点并准时发车，该指标越小，说明准点率越高。