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文： Hartmut Graeffert, LEM
能耗在諸多領域變得越來越重要，鐵路行業也不例外。通過監測每輛列車的能量、費用清單，能夠激推動鐵路運營商優化能量使用效率。本文講述了LEM的新型組件；這是首套符合最新暫行標準EN50463的可以實現能量監測和費用核算的系統。
幾乎我們生活中的每個領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境的破壞。盡管鐵路行業產生的二氧化碳排放量比其他運輸方式少，但是仍然有必要進一步提高能效。
英國環境、食品和農村事務部的最新研究表明，鐵路運輸每乘客每公里產生的CO2量僅為61g，而汽車每乘客每公里產生的CO2量高達140g（汽車尾氣排放量基于1.5的平均占有率）。鐵路越來越電氣化提供了一種提高能效的途徑，但是巨大的資金投入在當前充滿挑戰的經濟氣候下不現實。
對于實際消耗能量的鐵路運營商來說，一種方法是監測并設定目標降低能耗、成本和排放量。如果鼓勵司機避免能源浪費－即采取“節能駕駛”，那么提供每次旅程的詳細行駛信息就尤為重要。將來，司機有可能采用推薦的最佳節能速度行駛，它與如何駕駛更經濟的新理念相結合，可以節能10-20％以上。
對于化石燃料的發動機，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中，分配的成本和每次旅程的碳影響對運營商來說是必須的 。如果要實現這個目，那么每輛列車都需要一種有效的車載能耗測量方法。
該系統必須記錄能耗和位置，使得運營商能夠掌握導致能耗更高的原因，并提供不同電網運營商的費用清單。這在歐洲尤其是一種挑戰，因為那兒的國際鐵路旅行非常常見。需要支持多個軌道網絡和鐵路運營商的監測系統 必須規范化。已經制定了暫行標準EN50463，它符合與列車能量測量相關的所有可能要求。
如果標準制定合理，則會成功實施。prEN50463的制定考慮了許多不同利益相關者的意見，從鐵路運營商到設備制造商，此外還考慮了TSI基本要求規范和UIC建議。
該標準分為5部分：
• prEN 50463-1：范圍、一般架構、文件結構、標準引用、一般要求
• prEN 50463-2：從OCL到計量單元的電壓/電流傳感器測量鏈
• prEN 50463-3：所有輸入/輸出數據處理和內存管理單元
• prEN 50463-4：車載和“列車-地面”通信系統
• prEN 50463-5：評定被測系統的一致性和協同性時采用的測試程序規范
能量測量系統（EMS）的3個主要功能塊詳見第2-4節，它們需要處理列車擬定運行的所有牽引系統（參見圖1）。產生的匯編能量計費數據（CEBD）被下載到地面系統，并被鐵路運營商用來提高能效。
圖1－prEN 50463理念
系統核心是第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）
• 能量計算功能（ECF）
在鐵路應用中，電流和電壓測量以及能耗計算面臨一個重大的工程挑戰。驅動現代化列車需要消耗巨大電能，標準多制式貨運列車超過6.4 MW，這就意味著EMS必須處理非常大的電壓和電流。任何EMS都必須配置能夠處理電氣化鐵路網不同電壓的VMF（交流電25 kV @ 50 Hz、15 kV @ 16.7 Hz；直流電750 V、1500 V或 3000 V）。EMS必須符合精度標準，最終可能被普遍采用的標準是0.5 R（每個部件精確到0.5R1）。
鐵路領域同時還面臨環境挑戰：任何EMF必須能夠應對寬運行溫度和強機械應力。系統必須能夠防止灰塵和水進入－一些運營商規定外殼必須達到IP65。溫度波動可能較大，設計者必須考慮有可能形成冷凝。
在如此高的電源電壓下，VMF面臨的關鍵挑戰是確保充分隔離。LEM的DV系列電壓傳感器專為鐵路領域而設計，可以測量這類大電壓，失調低、精度高（0.5R和0.75R）、線性度好。該傳感器表現出良好的共模性能－測量2根導體間的實際電壓差并忽略任何普通對地電壓失調。
CMF的開發也非常有挑戰性，因為大電流測量精度很難達到0.5R。最常用的電流傳感器技術－霍爾效應－不能達到需要精度。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算電流。不過，這種方法存在固有缺陷，分流器消耗的電能會導致散熱問題。
LEM公司開發的一種CMF傳感器符合0.5R的精度要求。采用閉環磁通門技術能夠確優秀的精度、良好的線性度并消除插入損耗，LEM開發的CMF傳感器，可以測量高達4kARMS的電流，符合prEN 50463標準中規定的0.5R精度要求。這種ITC 4000傳感器同時還表現出卓越的抗干擾性：鐵路領域一個重要的特點就是固有電噪音。開發滿足0.5R精度的CMF的難度說明了一個事實即ITC 4000是當前唯一一款精度可以達到這個規格的傳感器。
ECF是一個復雜功能。在鐵路領域中，電能計算比我們在學校學到的電壓與電流的簡單相乘更復雜。電壓和電流不斷變化，采用交流電時，電壓和電流不可能完全同相。相移導致一定比例的電能流入火車然后又返回，這種現象稱之為“無功功率”。能量又返回電網，盡管看起來沒有影響，但實際上，無功功率可能被耗散為供電網的無用功率。因此prEN 50463要求EMF計算無功和有功（實際）功率。
圖2－EM4T II結構圖
圖2顯示的LEM EM4T II（ 牽引能量表II）是如何實現EMF的很好例證。EM4T II從 CMF和VMF獲取讀數，也能連接到GPS 裝置允許繪制帶有位置數據負載曲線。GPS接口同樣提供了高度準確的時鐘信號用于時間沖壓負載信息 。
可以利用串行接口從EM4T II讀取數據。從EM4T II內的數據處理系統中將數據提取出來然后通過通信網絡傳輸到地面系統。
EM4T II可以配置第2個接口，確保系統符合任何鐵路運營商的特定要求。
車載能量測量和報告需要一個復雜系統，它不僅能計算能量，還能記錄位置、時間戳數據并隨后將信息傳輸到地面系統。不過，開發符合標準的EMS時的一個最大挑戰是準確測量電流和電壓。雖然標準沒有得到完全批準，但是精度符合0.5R這一挑戰性規范的VMF和CMF組件已經推出。將它們與ECF部件結合起來，采用其他現成的GPS和通信產品就可能開發出符合prEN 50463要求的車載EMS。解決方案的盡早開發，能夠盡快展開部署。這將意味著，我們不必等待很久就能看到歐洲鐵路節能駕駛帶來的環境和財務收益。
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