中国标准动车组能耗测试技术及评价指标研究

2020-12-07张桂南

铁道学报 2020年11期

张波，黄金，陆阳，张桂南

(中国铁道科学院集团有限公司机车车辆研究所，北京 100081)

近年来，随着高速铁路运营速度的提高，其作为主要交通工具的地位得到不断强化。然而，随着速度的提高，其能源消耗总体上也在显著增加。在目前各国对环境和经济问题日益关注的情形下，高速列车综合能耗的节能研究受到广泛重视，无疑对于动车组能耗试验技术及评价指标提出了迫切需求。

动车组能耗试验在国际标准IEC 61133—2016[1]中有明确的要求，但该标准对试验方案的设计、试验测点的布置等未明确规定；试验约束条件的不统一，将导致试验得出的能耗数据差异较大，显然该标准并不完整，对能耗试验的指导意义不大。面对上述问题欧洲标准EN 50591—2019[2]对于机车和轨道车辆能耗做了详细的定义和测试说明，提出了一种在预定运用工况下，电力机车车辆净能耗的测定标准，其能耗测定结果和实际运营条件下的能耗相近，具有一定的参考价值。Hasegawa[3]对高铁能耗与最高速度的关系进行了综述分析，明确了不同研究者设定的能耗仿真、试验条件或能耗统计方式的不同，将导致能耗数据呈现不同的分布规律，部分能耗数值无法正确表征该速度级车型应有的能耗水平，有可能对从事铁路负载能耗研究的工作者造成较大的误导。

文献[4]提出列车牵引能耗主要由车体质量、列车头型和车体流线型设计决定。Howlett等[5-8]早期探讨了平直道、非平直道、平直道上考虑限速、非平直道上考虑限速下的列车区间能耗受制于司机操纵，得出了波浪式操纵的节能理论。随后，Khmelnitsky[9]、Yasunobu等[10]、冯晓云等[11]均从优化列车运行工况的角度实现了列车的节能控制。上述研究认为，列车顶层技术参数、线路条件及司机操纵对列车能耗的影响较大，是制定动车组能耗评价指标时需充分考虑的影响因素。

伴随中国标准动车组的研制，业内人员在大西客专原平西站至阳曲西站开展了能耗试验[12]，测试了250、270、290、300、310、330、350 km/h速度级动车组的能耗数据，受制于试验线路长度和坡度的影响，能耗数据样本并不足够完善。

本文以郑徐客运专线综合试验为载体，开展中国标准动车组能耗专项试验研究。在以往能耗测试的经验基础上，提出一套完整的试验方案、测试数据处理及结果分析方法，并归纳形成标准化的能耗试验方法；试验中充分考虑速度级、动车组载荷、辅助用电及司机操纵等因素的影响，试验结果定性分析能耗与阻力间的关系。

1 能耗影响因素及指标分析

1.1 能耗影响因素分析

在试验设计中，为了充分考核动车组能耗水平，满足不同运用对象对能耗数据的需求，需要对能耗影响因素进行解耦。动车组运行能耗主要由牵引用电、再生发电、牵引系统辅助用电及旅客用电组成，试验中这四类电量均需进行有效采集监测。

(1) 牵引用电、再生发电均受到线路条件(线路坡度、运行里程、起伏状况)，运行状态(运行工况、起停次数、运行速度)，动车组属性(编组数量、列车重量、列车阻力、牵引功率等)，天气状况，司机操纵及前车干扰的影响。

(2) 牵引系统辅助用电主要受运行状态(运行工况、起停次数、运行速度)，动车组属性(编组数量、牵引功率等)，天气状况及司机操纵的影响。牵引系统辅助用电即为牵引系统冷却设备用电，在对该电量采集时，考虑动车组运行于70 km/h以上时冷却设备均处于全功率运行状态，显然该试验条件容易实现统一化要求。

(3) 旅客用电主要受天气状况及定员载荷的影响。对该电量采集时，可直接控制车内空调、照明系统的工作状态来满足试验条件。

1.2 能耗指标分析

动车组顶层技术指标基本确定了动车组属性，在保证线路条件、天气状况等外部条件基本不变的情况下，定义平直道人均百公里能耗评估不同速度级下该型动车组的能量消耗水平。考虑同一动车组在不同高铁线路运行的能耗差异主要受制于线路条件，定义线路运行能耗指标对动车组在新建高铁线路的运行能耗进行评估。结合上述能耗的影响因素及大西客专综合试验的经验，对郑徐客专能耗专项试验方案进行设计，见图1。

图1 能耗测试方案

结合图1可以看出，能耗测试主要获取新造动车组的平直道人均百公里能耗和线路运行能耗指标。新造动车组的平直道人均百公里能耗主要从速度级、平直道长度的角度展开研究；线路运行能耗主要从同车型在不同新建高铁线路运行的角度展开研究。

2 郑徐客专能耗专项试验方案详细设计

郑徐客专能耗专项试验采用控制变量法进行设计，将线路条件、司机操纵、车辆载重等因素设定为不变量，将动车组运行速度级、平直道区间长度分别作为主要变化量，对不同速度级下中国标准动车组CR400的能耗水平及能耗试验条件的量化确定开展研究。

2.1 试验速度级的选取

考虑中国标准动车组运营速度为350 km/h，存在跨线运行至200 km/h速度级线路的情况，为有效覆盖动车组运用的速度级，梳理归纳动车组属性参数对其能耗的影响后，动车组区间运行速度从200 km/h开始，以每增加10 km/h为一速度级，逐级提速至最高试验速度，除发车及停车过程外，动车组均需以恒定速度在试验区间运行。

2.2 动车组载荷及辅助用电控制

动车组载重对动车组加速及调速过程的能耗影响较大，对动车组能耗考核时，考虑定员载荷的约束，试验中动车组按设计的定员载荷进行加载。

为保证动车组能耗试验期间辅助用电的统一性，试验期间应开启前照灯、并设置车内照明全开；考虑试验在夏季展开，将客室内空调设定为全冷状态，目标温度设定为20 ℃，从而模拟旅客用电设备的全部投入状态；此外试验的外部环境温度基本一致且定速运行时速度均处于200 km/h以上，牵引系统冷却设备均处于高速运行状态，从而模拟辅助功率发挥80%以上的工况。

2.3 试验区间长度的选取

试验中需获取平直道人均百公里能耗，考虑线路条件一般不会出现较长的平直道，为消除数据采集的误差，一般需采用拼接的方法处理数据样本。在这个过程中需要验证单个数据样本的有效性，即论证平直道区间长度的选择及试验对平直道长度的需求。

试验区段总长度约266 km，其中平直道共计约117 km，占区段总长的44.0%，平直道长度分布见表1；显然在线路区段开展动车组能耗试验，不仅可以对区间能耗进行有效评价，还能实现试验条件量化控制的研究，保证足够的平直道能耗样本，避免测试数据离散性的问题，极大的保证数据可信度。

表1 试验区间平直道长度分布情况

由表1可以看出，试验区段存在多个大于6 km的平直道区间，实测数据显示动车组在6 km及以上平直道区间定速运行时电机功率数据分布较稳定，即能耗基本稳定可作为能耗的基准数据，见图2。

2.4 司机操纵的一致性控制

为保证线路区间能耗数据具有代表性，需保证司机操纵的一致性，在郑徐试验时提出了动车组能耗试验标准化操纵运行图。该过程包括起动、途中运行、停车等，运行图见图3，途中运行包括过分相、目标速度运行、限速区段运行等过程[13]。

司机操纵参考既有运营线路操纵方式，以便能耗测试结果与线路开通运营时的实际能耗基本相似。为减少司机操纵差异对区间能耗的影响，每个速度级试验序列的出站、进站方式相同，各速度级下动车组均采用半自动过分相方式通过区间，此外试验中还明确了不同速度级进站减速位置和过分相按钮操作位置。

图2 定速300 km/h电机总功率曲线

图3 动车组区段运行示意

(1) 发车运行：动车组从指定车站发车，按限速45 km/h的要求通过出站信号机后牵引满级提速至指定速度，随后采用定速模式运行。

(2) 减速进站停车：在指定位置速度为350 km/h时施加4级常用制动，速度降到170 km/h后施加3级常用制动，速度降到100 km/h时，施加2级常用制动，速度降到50 km/h后，司机调速进站停车，350 km/h速度级试验减速停车操作策略见图4。

图4 动车组进站减速操作策略

(3) 过分相操作位置确定：过分相采用半自动过分相，在预断标和断电标之间根据速度级的相应位置按下过分相按钮。为尽可能避免断电时间不同导致的测量误差，在试验前对不同速度的断电时机进行距离折算：将断电时机折算为距断电标的长度，折算式为

D0=2.74v+10.3

( 1 )

式中：D0为按下过分相按钮时距离断电标的长度；v为动车组运行速度。

2.5 司机操纵全局相关性评价

为实现能耗试验中司机操纵的统一性控制，尽量规避司机操纵差异导致的测试误差，从全局相关性的角度对司机操纵进行评价。试验前根据提出的操纵方式和线路条件，对动车组整个运行过程进行牵引仿真，仿真结果用于规范司机操纵。仿真运行曲线与司机操纵实测运行曲线的相关系数ρms为

ρms=

( 2 )

3 能耗计算及试验结果分析

3.1 能耗计算及评估方法

动车组线路运行区间总耗电量可表示如下

( 3 )

式中：Qu为用电时间段tu内的用电量；Qr为发电时间段tr内的发电量；PLp、PLm分别为用电时间段和发电时间段的网端功率。

平直道人均百公里能耗采用拼接的方式对平直道能耗进行综合处理，即对所有样本数据的用电量进行累加，同时对样本区间的距离进行累加，之后对总结果进行单位公里能耗量的计算

( 4 )

式中：Eav为平直道人均百公里能耗平均值；En为不同平直道区段人均百公里样本能耗；Sn为不同平直道区段样本距离。

3.2 试验条件对能耗试验结果影响分析3.2.1 平直道长度的影响

结合表1进行平直道区间长度对能耗偏离度的量化分析，按照2.3节规定的基准能耗数据，各平直道长度区间样本分别取3个，求得动车组各速度级下、不同区间长度的能耗偏离度见图5。

图5 不同平直道区间长度的能耗偏离度

由图5可以看出4～6 km长度平直道下能耗偏离度相比于2～4 km长度平直道下能耗偏离度相对较小，4～6 km区间的不同速度级下能耗偏离度分布较集中，基本小于2%；显然能耗试验中平直道区间长度优选4～6 km，为降低数据误差，可适当增加大长度的数据样本。

3.2.1 司机操纵一致性的影响分析

结合2.4节司机操纵的要求，郑徐客专的牵引仿真、司机实际操纵曲线见图6。

图6 郑徐客专区间仿真、运行曲线

由图6可以看出，牵引仿真、司机实际操纵曲线基本吻合，发车、减速进站停车、过分相操作、目标速度恒速运行区域牵引仿真与司机实际操纵曲线的相关系数分别为0.975、0.984、0.993、0.991，全程二者的相关系数大于0.98；显然规范司机操纵控制，能够消除司机操纵差异对不同车次动车组区间能耗的影响。相比于EN 50591—2019对司机操纵的要求，本文提出的全局相关性评价方式准确性、可操作性均更优。

4 能耗试验结果分析

4.1 线路运行能耗试验结果分析

由于CR400AF动车组与CR400BF动车组在动力配置、牵引功率等参数基本相同，车重、阻力差别不大，在分析线路运行能耗规律上并无本质的区别，因此本文以CR400BF动车组为例介绍线路运行能耗试验结果。线路运行能耗结果见图7。

图7 不同速度级区间能耗统计

由图7可以看出，随着速度的增加。能耗随之增加。此外，各速度级的发电量相比用电量较小，但总体变化规律也是随速度级增大而增加，可见对司机操纵进行统一规范和要求后，即使短暂且操作复杂的停车过程也可基本规避司机操纵差异导致的测试误差。

为更好验证能耗试验数据的准确性，本文结合郑徐线路(开封北—萧县北)、CR400动车组的技术参数，及公式(1)定义，开发了动车组运行能耗仿真计算软件[14-15]，并通过仿真计算对区间能耗试验结果进行了校核，试验结果见表2。

由表2结果可以看出，能耗仿真计算结果与实际测试结果的区间线路运行能耗最大误差仅为2.9%，实测结果与仿真基本吻合，此外能耗仿真软件的开发也为新建高铁线路运行能耗评估提供了技术依据。

表2 开封北—萧县北仿真与实测试验结果对比

针对线路运行能耗，研究团队在京沪高铁还开展了北京至上海一站直达运行图下的能耗测试，测试过程遵循了本文提出的标准化能耗测试方案，取得了理想的测试结果。该CR400BF型车在郑徐试验区间能耗与京沪区间能耗的对比见表3。

表3 不同线路运行能耗统计

由表3可以看出，郑徐试验区间的单位能耗较京沪试验区间单位能耗小，主要原因为京沪试验区间平均运营速度比郑徐试验区间平均运营速度稍高，列车克服风阻做功更多。

4.2 平直道人均百公里能耗

结合式( 2 )定义，本文对相同速度级不同区段平直道能耗数据进行统计分析。定员载荷下中国标准动车组平直道人均百公里能耗曲线见图8。参考动车组运行阻力2次函数的形式，对不同速度级下的样本数据进行数据拟合，考虑极端情况动车组速度为零时，由于存在辅助功率，能耗接近无限大，因此动车组理论的能耗公式中应存在一个与速度相关的负一次项，该负一次项可通过低速段试验数据进行拟合获取。在本次试验中，试验速度级为200 km/h以上，如对该负一次项进行回归处理，则会影响高速段数据样本的趋势性，因此本文中拟合趋势线公式以实测200～350 km/h数据为准，未对该负一次项进行考虑。

图8 中国标准动车组平直道人均百公里能耗曲线

从图8可以看出，CR400AF、CR400BF动车组平直道人均百公里能耗与速度的关系趋势基本保持一致，造成能耗差异的因素主要为二者基本阻力的区别。动车组平直道人均百公里能耗平均值拟合曲线与单位基本阻力曲线，见图9。

图9 CR400动车组人均百公里能耗与基本阻力曲线

从图9中看出，CR400AF、CR400BF动车组350 km/h相比于300 km/h人均百公里能耗增量分别为30.1%、30.0%，单位阻力增量为33.5%、34.1%；显然拟合的能耗曲线与阻力曲线总体趋势基本吻合，但趋势存在一定的不一致性，主要由牵引系统损耗、辅助能耗等因素导致[16]。动车组人均百公里能耗与阻力的关系为

( 5 )

式中：A+Bv+Cv2为标准动车组的基本阻力；S为区间长度；P0为牵引系统损失功率及辅助用电功率；t0为驻车时间；n为动车组定员人数。由式(5)可以看出，动车组人均百公里能耗、阻力随着速度的增大，变化趋势不会完全一致，速度越大，二者的差异性越小；速度越小时，二者的差异性越大。

结合实测数据，其原因分析可总结如下：

(1) 辅助能耗中占比最大的是牵引系统冷却装置(牵引电机风机、牵引变压器冷却风机)及旅客空调用电，试验中整车辅助系统功率约为650 kW，与速度(阻力)无线性关系，且基本保持稳定输出。随着试验速度的增加，通过固定长度区段的时间缩短，该能耗在总能耗中占比也越来越小。

(2) 牵引系统损耗是牵引系统各部件工作效率的体现，牵引系统效率在速度接近额定工作点时最高，各速度级下的效率随取用功率的不同有所差别，与阻力并非线性关系。