一种城市轨道交通能耗测量控制系统及评价方法技术方案

本发明专利技术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。本发明专利技术的有益效果是：本发明专利技术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。

Urban rail transit energy consumption measuring control system and evaluation method

The invention discloses an urban rail transit energy consumption measuring control system and an evaluation method, comprising a vehicle energy consumption control unit, a data management unit and a ground energy consumption control unit. The beneficial effect of the invention is: the system of the invention is the energy metering system for multi-channel sampling, using permanent magnet synchronous DC motor drive control, the use of super capacitor and lithium battery based dual energy control module for vehicle energy control, do not need to train the force analysis and modeling, do not need to do a lot of nonlinear analysis and intelligent optimization, using sampled voltage and current data can be measured and monitored traction energy consumption, regenerative braking energy and auxiliary energy consumption, energy consumption data real-time storage and display function can have, through the data management unit energy consumption data uploaded to the ground energy management unit, saving labor costs, with fault detection function, when the system when a fault occurs, can accurately report.

【技术实现步骤摘要】
一种城市轨道交通能耗测量控制系统及评价方法
本专利技术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

技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。本专利技术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＝∫U1I1dtW1＝W2+Wot＝W3+W5-W4+Wot＝W3+W5-(W6+W7)+Wot＝∫U3I3dt+∫U5I5dt-(∫U6I6dt+∫U7I7dt)+Wot∫U1I1dt＝∫U3I3dt+∫U5I5dt-(∫U6I6dt+∫U7I7dt)+WotW2＝W3++W5-W4W4＝Wfk+WnhWfk＝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，Wot为车载系统的附属能耗，Wfk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，Wnh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：Wd＝Wkf+Wzm+Wdt+Wqt式中，Wd为地面能耗总和，Wzm为地面照明能耗；Wkf为地面空调通风能耗，Wdt为电梯能耗，Wqt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，不本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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＝∫U1I1dtW1＝W2+Wot＝W3+W5-W4+Wot＝W3+W5-(W6+W7)+Wot＝∫U3I3dt+∫U5I5dt-(∫U6I6dt+∫U7I7dt)+Wot∫U1I1dt＝∫U3I3dt+∫U5I5dt-(∫U6I6dt+∫U7I7dt)+WotW2＝W3++W5-W4W4＝Wfk+WnhWfk＝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，Wot为车载系统的附属能耗，Wfk为反馈能耗，W6为反馈到电机上的能耗，W...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晓侃，董海荣，孙绪彬，姚秀明，王琼，郭三刺，魏鹏，
申请(专利权)人：河南机电职业学院，
类型：发明
国别省市：河南,41