轨道交通列车电能测量系统研究

周小玲，陈明阳，尚 敬，高连升，王益民，董志冉

（1.株洲中车时代电气股份有限公司，湖南 株洲 412001；2.北京邮电大学，北京 100876；3.中国铁路广州局集团有限公司 株洲机务段，湖南 株洲 412000）

0 引言

由于轨道交通列车电能测量系统目前尚无国家标准，参考国际标准IEC 62888：2018 Railway applications-Energy measurement on board trains［1-3］来制定我国轨道交通列车电能测量系统标准的任务已经立项，但待国家标准制定完成和实施还需较长的时间。之前采用的标准IEC 61000-4-30 Electromagnetic compatibility（EMC）-Part4-30：Testing and measurement techniques-Power quality measurement methods［4］只 适 用 于 工 频（50 Hz/60 Hz）的电能质量测量方法，而当前轨道交通列车采用的标称牵引供电电压有AC 25 kV/50 Hz、AC 15 kV/16.7 Hz和DC 3000 V/1500 V/750 V/600 V多种规格。因此，亟须符合国际标准要求的列车电能测量方法来满足列车电能准确测量的需求。轨道交通机车车辆能耗试验在标准IEC 61133：2016 Railway applications-Rolling stock-Testing for rolling stock oncompletion of construction and before entry into service［5］中有明确的要求，但是该标准对电能测试方案的设计和测试点的布置等未明确规定。欧洲标准EN 50591：2019 Railway applications-Rolling stock-Specification and verification of energy consumption对机车车辆能耗测试进行了较为详细的定义和说明，其中只规定测量设备测试精度应符合标准EN 50463-1：2017 Railway applications-Energy measurement on board trains-Part 1：General和 EN 50463-2：2017 Railway applications-Energy measurement on board trains-Part 2：Energy measuring的要求，然而标准 EN 50463-1：2017和标准EN 50463-2：2017主要针对列车电能测量系统的硬件（如传感器参数及影响精度的因素）进行了介绍，对测点布置、系统搭建和数据处理算法（公式）等方面的知识介绍较少，对行业的指导性不强。

随着轨道交通装备技术的飞速发展，与列车电能测量相关的硬件设备性能和软件水平有了较大的提升，我国相关的高校和企业在列车能耗测试装置研发和应用方面开展了大量的工作并取得了较好的效果［6-9］。本文主要参考标准 IEC 62888-2：2018和标准EN 50463-2：2017规定的内容并结合列车电能测量中的关键环节进行详细的阐述，形成一套标准化的列车电能测量方法。该方法具备较强的指导性和实用性，可供相关从业人员参考。

1 电能测量系统概述

轨道交通列车电能测量系统的结构和数据流示意如图1所示。电能测量系统（energy measurement system，EMS）主要包括电能测量功能（energy measurement function，EMF）模块和数据处理系统（data handling system，DHS）两部分。其中，电能测量功能块包括电流测量功能（current measurement function，CMF）模 块 、电 压 测 量 功 能（voltage measurement function，VMF）模块和电能计算功能（energy calculation function，ECF）模块；数据处理系统包括时间参考源、位置参考源、数据汇编功能、数据存储功能和数据收集服务（data collection service，DCS）。

图1 电能测量系统结构框图和数据流示意Fig.1 Structure block and data flow of EMS

电能测量功能模块结构如图2所示，其包括电流传感器、电压传感器和ECF模块。电能计算功能包括有功能量和无功能量的计算以及电能数据传输。

图2 电能测量功能块结构框图Fig.2 Block diagram of EMF

1.1 电气要求

针对轨道交通列车电能测量系统的电气要求，本文重点分析被试列车运行时的额定电压、额定电流和额定频率等参数，可供后续进行传感器选型、电能参数测量等参考。

EMF的额定电压（Un，EMF）应选取标准IEC 60850：2014 Railway applications-Supply voltages of traction systems中列出的牵引供电系统的标称电压要求（表1）。

表1 标准IEC 60850：2014中的标称电压及其容许的极限值Tab.1 Nominal voltage and its allowable limits in the IEC 60850：2014

EMF一次侧额定电流（列车额定载荷运行时电流传感器的输入电流）标称值（In，EMF）的优选顺序为：10 A→12.5 A→15 A→20 A→25 A→40 A→50 A→60 A→75A及其十进制倍数［2］。一次侧额定电流大小应在牵引单元额定电流值的80%至120%之间，如果一个电能测量功能（EMF）模块被用于多个牵引供电系统，则可以为其分配多个一次侧额定电流值。

列车供电系统的额定频率包括直流、16.7 Hz、50 Hz和60 Hz［2］。

1.2 精度要求

EMF百分比误差限值不得超过表2中要求。

表2 EMF百分比误差限值［2］Tab.2 Percentage error limits of EMF block［2］

2 传感器参数

传感器主要测量一次侧电压和一次侧电流，并将高压大电流信号转换成低压小电流信号。传感器的输出信号供电能计算使用，从而实现电能的测量。

2.1 电压传感器

电压传感器的主要参数包括额定电压、二次侧输出电压或电流、额定输出负载、响应时间、带宽和精度。本文根据标准IEC 62888-2：2018［2］对各参数进行取值。

传感器输入的一次侧电压额定值应等于牵引系统最高电压标称值，即按表1中Umax2值来确定。

二次侧输出信号可以是电压信号或电流信号，其优选值如下：电压互感器为100 V、110 V或150 V（交流）；电压传感器的输出电压为2 V、4 V或10 V（交流或直流），输出电流为20 mA、50 mA或100 mA（交流或直流）。

二次侧额定电压大于10 V时，额定输出载荷优选值为1 VA、2 VA、4 VA或5 VA；二次侧额定电压小于等于10 V时，额定输出载荷优选值为0.001 VA、0.01 VA、0.1 VA或0.5 VA。电流输出时，在最大输入电压下负载电压不得超过45 V（交流方均根值或直流平均值）。

标准 IEC 62888-2：2018［2］中规定：直流传感器的最大响应时间为10 ms。如果采用直流传感器测量谐波含量较高的列车电压时，则应适当缩短响应时间。目前轨道交通机车车辆中，交流、直流电压测量功能模块中采用的传感器响应时间均不超过50 μs。

对于数字输出的传感器，带宽指定为可以在不混叠的情况下测量的最大频率（fa），其值通常为所使用的采样频率的一半。目前列车电能测量系统一般采用的采样率为50 kS/s，即带宽为25 kHz；若基波频率为50 Hz，则可测试到500次谐波，能够满足现有列车电能质量评估要求。

VMF模块应从表3中选择精度等级。除非另有规定，电压传感器按0.2R精度等级［2］要求选型。

表3 VMF模块百分比误差限值［2］Tab.3 Percentage error limits of VMF block［2］

2.2 电流传感器

电流传感器的主要参数包括额定电流、二次侧输出电压/电流、额定输出负载、响应时间、带宽和精度。本文根据标准IEC 62888-2：2018［2］规定进行电流传感器的参数取值。

传感器输入的一次侧额定电流应等于牵引系统最高的工作电流。

二次侧输出可以是电压或电流信号，其优选值如下：

（a）电流传感器（二次侧输出电流信号），其二次侧输出优选值为50 mA、100 mA、200 mA、250 mA、400 mA、500 mA、800 mA、1A、2A或5A；

（b）电流传感器（二次侧输出电压信号），其二次侧输出优选值为22.5 mV、150 mV、200 mV、225 mV、4 V或10 V。

额定输出载荷优选的数值为0.5 VA、1 VA、2 VA、4 VA或5 VA。

直流传感器的最大响应时间为10 ms。如果直流传感器用于测量谐波含量较高的电流时，则可以适当缩短响应时间。

对于数字输出的传感器，带宽应指定为可以在不混叠的情况下测量的最大频率（fa），其通常是所使用的采样频率的一半。一般采用的采样率为50 kS/s，即带宽为25 kHz；按50 Hz基波频率，可测试到500次谐波，能够满足现有列车电能质量评估要求。

当传感器测量交流和直流电流时，允许分别采用不同的精度等级。交流、直流CMF模块应分别从表4和表5中选择精度等级。列车现场运行工况下，网侧电流的变化范围较大。为了确保系统精度优于0.5R［2］，交流、直流CMF模块中的电流传感器按0.2R精度等级［2］的要求选型。

表4 交流CMF模块百分比误差限值［2］Tab.4 Percentage error limits ofAC CMF block［2］

表5 直流CMF模块百分比误差限值［2］Tab.5 Percentage error limits of DC CMF block［2］

3 电能测量功能块

电能测量功能（EMF）模块是由VMF模块、CMF模块和ECF模块组成。ECF模块根据电流和电压传感器的输出信号来计算所消耗和再生的有功电能和无功电能。

3.1 EMF模块的典型配置方式［2］

根据车辆牵引单元构成（例如牵引设备可能在一辆车中或分布在几个车辆上），列车电能测量系统（EMS）可以由一个或多个VMF、CMF和ECF模块组成。

（1）多个并行CMF的EMF

如果通过并行多个CMF模块来测量牵引单元的总电流，如图3所示，则ECF模块中的电流应等于所有CMF模块的电流和。

图3 多个CMF组成的EMFFig.3 EMF with multiple CMFs

（2）多对VMF和CMF组成的EMF

EMF由多对VMF和CMF组成（图4），由ECF计算每对VMF和CMF的电能。

图4 多对VMF和CMF的EMFFig.4 EMF with multi-pair VMF and CMF

该系统适用于多个牵引系统的牵引单元，且有两种不同的配置类型：

（a）多对VMF和CMF在同一牵引系统上并行测量电压和电流，这些VMF和CMF对所计算的电能应在ECF中求和。

（b）每对VMF和CMF在不同的牵引系统上测量。在这种情况下，电能数据应存储在每个牵引系统的单独寄存器中，或存储在独立于牵引系统的一个寄存器中。在后一种情况下，如果有此信息，则电能数据应与运行的牵引系统对应。

（3）多个并行EMF

EMF由多个并行的ECF完成，其中每个EMF由一个VMF、一个CMF和一个ECF组成，且被安装在牵引单元上，如图5所示。

图5 多个ECF并行的EMFFig.5 EMF with multiple ECFs in parallel

（4）一个VMF连接到多个ECF

一个VMF连接多个ECF，如一个电压传感器能够用于两个牵引系统，但是电能计算分别在不同的ECF中为每个牵引系统进行测量，如图6所示。

图6 一个VMF连接到两个ECF上Fig.6 AVMF connected to two ECFs

每个ECF应与数据处理系统（DHS）兼容，DHS应处理所有ECF的电能数据。每个ECF有一个特定的识别号，识别号将与电能数据一起传送到DHS。

3.2 电能计算功能块（ECF）精度

ECF有功电能百分比误差限值见表6（功率因数PF≥ 0.85）。

表6 ECF有功电能百分比误差限值Tab.6 ECF percentage error limits for active energy

4 列车电能测试系统典型方案

对照标准 IEC 62888-2：2018［2］对传感器、电流测量、电压测量以及电能测量等的要求，并结合动车组单个动力单元电能测量进行分析，本文提供了一套满足国际标准要求的典型方案供同业人员参考。

4.1 动车组单个动力单元测点布置图

根据动车组单个动力单元的主电路（图7）进行电压传感器和电流传感器布点。动车组单个动力单元包括2个牵引变压器、2个牵引变流器和8台牵引电机。其中，列车网压信号主要通过列车同步信号的变压器（变比为27500：100）后，供采集设备进行电压采集；牵引变压器一次侧布置了电流传感器，网流信号通过电流传感器转换成小的电流信号供采集设备进行电流采集；网压信号通过1个互感器获得，网流信号通过2个电流传感器获得。

图7 列车电能测量系统测点布置图（黄色为传感器）Fig.7 Measuring point layout of train power measurement system(yellow is sensor)

4.2 传感器选型

根据标准要求选用1个电压传感器和2个电流传感器，其详细参数见表7。

表7 传感器参数Tab.7 Sensor parameter

4.3 电压测量功能块（VMF）

电压测量功能块（VMF）计算公式［10-12］为

式中：u（t）——电压信号的瞬时值，V；T——交流信号一个周期的时间或直流信号的任意段时长，s；URMS——电压总有效值，V。

4.4 电流测量功能块（CMF）

电流测量功能块（CMF）计算公式［10-12］为

式中：i（t）——电流信号的瞬时值，A；IRMS——电流总有效值，A。

4.5 电能测量功能块（EMF）

根据图7所示列车电能测量系统测点布置图并结合EMF模块的典型配置方式，选用如图8所示的共用VMF的EMF模块配置，其由1个VMF、2个CMF、2个ECF和DHS组成，其中DHS用于对两个ECF进行求和计算。

图8 电能测量功能块配置框图Fig.8 Block diagram of EMF configuration

EMF模块中有功功率的计算公式为

式中：P——有功功率，kW。

在Δt时间内，电能变化值ΔW的计算如下：

式中：Δt—— 式（3）中数据更新时间，s。

4.6 Δt参数的确定

IEC 61000-4-30［4］标准规定，用于精密测量场合，其幅值（电压、谐波和间谐波等）的基本测量时间间隔为10个周期时间（对于50 Hz电力系统）或12个周期时间（对于60 Hz电力系统），即Δt=200 ms。针对表1中频率为16.7 Hz的电力系统，幅值（电压、谐波和间谐波等）的基本测量时间间隔如果按照该标准规定的200 ms时间间隔来计算，则为3.34个周期。根据式（1）～式（3），测量时间应该为整数个周期，则幅值的基本测量时间间隔为3个周期。根据现场应用经验［11］，周期数推荐值为10个周期，即Δt=598.8 ms；为使工程上计算准确，取Δt=600 ms。

5 功率不确定度

列车电能计算值是由列车电功率值与时间的积分而获得的，所以列车电能测量系统的不确定度由电功率的不确定度决定。本文引用标准IEC 62888-2［2］提供的功率不确定计算方法，将采用列车电能测量系统（典型方案）与高精度功率分析仪进行实测结果对比验证。

5.1 标准计算方法

IEC 62888-2标准附录C.4［2］中给出了功率测量的相对不确定度公式：

式中：εI——电流幅值测量的偏差，A；εU——电压幅值测量的偏差，V；I真值——电流真值（或者高精度测量系统测量值），A；U真值——电压真值（或者高精度测量系统测量值），V；εP——功率相对不确定度。

根据式（5）和表7所示的传感器精度参数（εI=±0.1%×I真值，εU= ±0.1%×U真值），可得列车电能测量系统（典型方案）的最大相对不确定度理论值：

εP=0.1%+0.1%+0.002=0.4%

5.2 试验验证结果

在实验室内对动车组单个动力单元中单台变流器进行额定功率考核，采用列车电能测量系统（典型方案）与高精度功率分析仪同时测试网侧电功率，并将测试结果进行对比验证。列车电能测量系统相对误差值见表8。可以看出，功率相对误差值可以近似等于电压相对误差和电流相对误差之和，列车电能测量系统典型方案的相对误差值与标准IEC 62888-2规定的不确定计算方法所得的结果相符。

表8 列车电能测试系统相对误差值Tab.8 Relative errors of the train electric energy test system

6 结语

在列车电能测量方法尚无国家标准的行业背景下，本文通过对列车电能质量测量方法的国际标准进行深入研究，详细阐述并分析了列车电能测量所涉及的传感器、电压测量模块、电流测量模块和电能测量模块等内容；并基于动车组单个动力单元的电能测量需求，提出了一种列车电能测量系统的典型解决方案，供同行业技术人员参考。

特别针对标准IEC 60850-2014中新增的标称电压额定频率为16.7 Hz的牵引供电系统，结合笔者多年的变频电量测试经验，本文给出了基本测量时间间隔的工程计算推荐值Δt=600 ms。最后所推荐的列车电能测量系统其理论上的相对不确定度优于4‰，实测有功功率相对误差不超过3‰，优于标准IEC 62888-2：2018［2］中规定的有功功率最大百分比误差限值为1.5%（表2）的要求。

随着轨道交通列车装备技术的不断发展和更新，列车装备技术的高频化、高效率已成为发展趋势，网侧谐波将更加丰富，这对列车电能测量提出了新的挑战，需要更加科学、准确的评估方法作为支撑。而轨道交通列车电能测量方法目前暂未形成完整的体系，需要在标准制定、测试工具研发及认证体系建设等方面开展大量的工作。后续将持续开展相关理论研究和现场试验验证，以进一步提升列车电能测量结果的准确性、一致性和互认度。