程　偉，陳臨強，鄭木火

(1.杭州電子科技大學計算機學院，浙江 杭州 310018;2.浙江浙大網(wǎng)新集團，浙江 杭州 310052)

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朔黃線重載列車節(jié)能策略的設(shè)計與實現(xiàn)

程偉1，陳臨強1，鄭木火2

(1.杭州電子科技大學計算機學院，浙江 杭州 310018;2.浙江浙大網(wǎng)新集團，浙江 杭州 310052)

朔黃線路條件復雜，重載列車在該線路上行駛時，一直以來未考慮節(jié)能問題.根據(jù)朔黃線路條件，從操縱優(yōu)化角度給出了該線路下坡行車的節(jié)能策略.在相同路況下，速度波動越低，平均速度越小，越節(jié)能；平均速度基本相同時，制動距離越小，越節(jié)能.在滿足安全、準點的前提下，可實現(xiàn)節(jié)能5%以上，為列車折返存儲更多電量.

朔黃線路；節(jié)能策略；操縱優(yōu)化；重載列車；存儲電量

0　引　言

軸重30 t以上煤炭運輸重載鐵路關(guān)鍵技術(shù)與核心裝備的研制有利于提高重載運輸和創(chuàng)新能力.目前，對大運量重載列車節(jié)能的研究主要圍繞列車節(jié)能運行的技術(shù)操作層面展開，比如以列車動力系統(tǒng)為研究對象的牽引動力優(yōu)化研究[1].而從操控方式角度研究重載列車節(jié)能策略，一般是借鑒傳統(tǒng)行車經(jīng)驗，以最大加速度啟動，以最大減速度降速或停車，增加行車過程中的惰行時間，這在地勢較平坦的鐵路上確實取得了較好的節(jié)能效果[2-3].但朔黃線多以大下坡為主，線路條件復雜，起點至終點的垂直高度差近2 km，運行區(qū)間內(nèi)一味增加惰行時間會引起列車超速，安全隱患極大.本文提出了基于朔黃鐵路實際路況的節(jié)能策略，為朔黃線上重載列車節(jié)能運行提供了一種標準，具有一定的經(jīng)濟價值和現(xiàn)實意義.

1　坡度劃分

根據(jù)對朔黃線路條件的分析發(fā)現(xiàn)，坡度是造成朔黃線能耗大的主要線路原因.如何根據(jù)朔黃線條件設(shè)計節(jié)能策略，得到能耗優(yōu)化值是本文研究重點.朔黃全線近600 km，34個站.圖1(a)給出了全線起點至終點高度差示意圖，圖1(b)給出了全線運行工況示意圖，圖中上/中/下3段分別表示制動、惰行、牽引工況，圖1(c)給出了全線運行時的管壓變化情況.

圖1　朔黃全線列車運行概況圖

由圖1可看出，管壓量變化明顯地方均是在坡度較陡處，因該處(0～240 km)需施加空氣制動；坡度較緩處(240～320 km)管壓量無變化，是以電制動為主的運行工況；平坡上(320～580 km)，主要以牽引為主.根據(jù)圖1所示線路狀況以及運行工況，將全線劃分為有空氣制動做功的長大下坡、以電制動為主的大下坡以及以牽引為主的平坡起伏坡道.

2　能耗模型設(shè)計

2.1長大下坡

長大下坡段需要施加空氣制動，圖2給出了機車在該區(qū)間運行的最小簡化模型，A-B為長大下坡，需施加空氣制動，B-C為平坡.

圖2　需空氣制動的產(chǎn)電模型

根據(jù)能量守恒定律，列車從A點運行到C點有：

E0+Es=En+Ee+Ez+Ep.

(1)

式中：E0，Ee為列車在A，C兩點的動能；En為從A點到C點電制動做功；Ez為從A點到C點基本阻力做功；Es為列車在A點的勢能；Ep為從A點到C點空氣制動力做功.故制動能耗為：

(2)

式中：a，b，c為與車輛類型有關(guān)的常數(shù).根據(jù)《列車牽引計算規(guī)程》，以朔黃線上的主力機車HXD1型為例，列車基本阻力F=0.000 3 v2+0.038 v+1.4，v為當前列車速度[4].ΔE為動能變化量，W=m×g，m為列車質(zhì)量，g為重力加速度9.806 65N/kg.

結(jié)合式(2)，在初始勢能Es確定且已知前提下，En的優(yōu)化值與ΔE,Ez,Ep有關(guān)，從式(2)得出如下結(jié)論：

1)空氣制動做功相同時，速度越低，電能產(chǎn)量越多；

2)速度相同時，空氣制動做功越少，電能產(chǎn)量越多.

考慮實際線路運行條件，本文主要分析了結(jié)論2，Ep=f×s，其中f為空氣制動力大小，s為空氣制動距離.因此，在保證安全，準點條件下，減少f或s均可減少空氣制動做功，增加電能產(chǎn)量.

2.2大下坡

朔黃線上從第12站到第18站以0.4%～0.6%的大下坡為主，該區(qū)間以電制動為主.圖3給出了機車在該區(qū)間運行的最小簡化模型，A-B為坡度在0.4%以上，0.6%以下的大下坡，B-C段為平坡.

圖3　電制動為主的產(chǎn)電模型

根據(jù)動力學定律，列車從A點運行到C點有：

Es+E0=En+Ez+Ee.

(3)

式中：E0,Ee為列車在A，C兩點的動能；En為從A點到C點電制動做功；Ez為從A點到C點基本阻力做功；Es為列車在A點的勢能.故

En=Es-ΔE-Ez.

(4)

式中：ΔE為動能變化.在A點的勢能確定情況下，根據(jù)式(4)可知：

1)列車牽引能耗值與其運行速度有關(guān)；

2)列車運行速度越低，動能變化越小，基本阻力耗能越小，從而再生制動產(chǎn)生電能越多.

2.3平坡起伏坡道

結(jié)合朔黃線的實際路況，當坡度小于0.4%時，以起伏坡道為主，這在18站之后比較常見，圖4給出了機車在第18站之后運行的最小簡化模型.

圖4　平坡上的起伏坡道

列車從A點運行到B點，設(shè)①，③，⑤段施加牽引，②，④段施加制動，則在5個區(qū)段運行的能耗分別為：

E1=EV1+W×H1-EV0+Ef1,E2=EV2-W×H2-EV1+Ef2,E3=EV3+W×H3-EV2+Ef3,

E4=EV4-W×H4-EV3+Ef4,E5=Ee-W×H5-EV4+Ef5.

所以總的能耗為：

E=E1+E2+E3+E4+E5=Ef1+Ef2+Ef3+Ef4+Ef5+W×ΔH+EVe-EV0.

(5)

式中：ΔH為A站和B站之間的高度差；Ef1～Ef5為列車的基本阻力所消耗能量；EVe,EV0～EV4為列車動能；E1，E3，E5為列車牽引能耗；E2，E4為列車制動產(chǎn)能.

總能耗可轉(zhuǎn)化為：

(6)

式中：ΔE為動能變化量，同時W×ΔH是確定的，那么列車能耗的優(yōu)化就是基本阻力能耗和動能變化量的尋優(yōu)問題.得到如下結(jié)論：

1)列車能耗的優(yōu)化值即為基本阻力能耗和動能變化量的優(yōu)化值；

2)列車運行速度越低，則牽引所消耗的能量越小.

3　平坡起伏坡道上的節(jié)能算法

結(jié)合朔黃線路條件.在坡度小于0.4%時，可勻速或非勻速(惰行)控車[5].此區(qū)間的非勻速行車指在最大限速和最小速度區(qū)間內(nèi)惰行，當速度超過最大限速則施加制動，低于最小速度則施加牽引.下面將從理論上對比勻速和惰行行車能耗情況.前提條件為：

圖5　勻速-非勻速v -t圖

1)A站到B站運營時間相同，時間為T；

2)為簡化計算量，設(shè)A站和到B站的速度相同，并且等于勻速運行的速度；

3)A站到B站的距離為s.

列車勻速和非勻速的速度-時間曲線如圖5所示，MRSP曲線表示最大限速，點劃線表示非勻速(惰性)，實線表示勻速.

設(shè)T時刻，運行位移相等，故s1=s2，設(shè)初速度v0，s1速度變化率Δv1，s2速度變化率Δv2，其中：

1)s=s2+s3+s4=s1+s3+s4=v0×t；

2)由s1+s3=(v0+Δv1)×t1得出s1=(v0+Δv1)×t1-s3=Δv1×t1；

3)s4=(v0-Δv2)×(T-t1)；

4)由s2+s4=v0×(T-t1)得出s2=v0×(T-t1)-s4=Δv2×(T-t1).

所以得到：

1)如果t1=T/2,Δv1=Δv2；

2)如果t1>T/2,Δv1≤Δv2；

3)如果t1Δv2.

因始末速度相等，結(jié)合式(6)，得到：

1)列車勻速運行時：

W×F0×s+W×ΔH.

(7)

2)列車非勻速運行時：

s4+W×ΔH=W×F0×s+W×ΔF1×(s1+s3)-W×ΔF2×s4+W×ΔH.

(8)

式中：F0為勻速運行的單位基本阻力，ΔF1，ΔF2是與Δv1，Δv2對應的單位基本阻力變化率，式(8)減式(7)得能耗差ΔE：

ΔE=W×ΔF1×(s1+s3)-W×ΔF2×s4=W×ΔF1×(v0+Δv1)×t1-W×ΔF2×

(v0-Δv2)×(T-t1).

(9)

針對不同的t1值以及Δv1，Δv2，分析速度波動與能耗的關(guān)系：

1)如果t1=T/2,Δv1=Δv2，則有

ΔE=W×(ΔF1-ΔF2)×v0×T/2+W×(ΔF1+ΔF2)×Δv1×T/2>0，所以勻速控車更節(jié)能；

2)如果t1>T/2,Δv1≤Δv2，則有

ΔE=W×ΔF1×(v0+Δv1)×t1-W×ΔF2×(v0-Δv2)×(T-t1)>

W×ΔF1×(v0+Δv1)×t1-W×ΔF2×(v0-Δv2)×t1=

W×(ΔF1-ΔF2)×v0×t1+W×(ΔF1+ΔF2)×Δv1×t1.

如果Δv1≥v0，那么ΔE>=W×(ΔF1-ΔF2)×v0×t1+W×(ΔF1+ΔF2)×v0×t1>0，說明波動越大，能耗越多，勻速控車速度波動為0，更節(jié)能；

3)如果t1Δv2，則有

ΔE=W×ΔF1×(v0+Δv1)×t1-W×ΔF2×(v0-Δv2)×(T-t1)>W×ΔF1×(v0+Δv2)×t1-

W×ΔF2×(v0-Δv2)×t1>0，說明勻速控車更節(jié)能.

綜上所述，列車在起伏坡道區(qū)間行駛時，在保證安全，準點前提下，因盡量減少速度波動，降低速度，這樣有利于提高能量利用率，達到較好的節(jié)能效果.

4　仿真驗證

仿真環(huán)境搭建在獨立的PC機上，由sim程序和TOD程序組成，通過設(shè)置主機IP來模擬sim和TOD的IP，啟動sim仿真，通過UDP協(xié)議實時向TOD發(fā)送線路數(shù)據(jù).TOD程序根據(jù)當前速度，線路狀況決定施加牽引/制動力的大小.根據(jù)做功—電能轉(zhuǎn)化關(guān)系式1 kW·h=3.6×106J，得到相應的電能情況.

4.1空氣制動距離驗證

長大下坡段的龍宮—北大牛區(qū)間基本是施加一次空氣制動.在保證區(qū)間平均速度基本相同時，圖6給出了該區(qū)間兩次空氣制動的位移關(guān)系圖，可以看出，實線的減壓量與虛線減壓量相同，而制動距離更小.圖7給出了空氣制動區(qū)間的能耗對比情況，負數(shù)表示發(fā)電，正數(shù)表示耗電.結(jié)合圖6、圖7可發(fā)現(xiàn)，在減壓量相同時，制動距離小的實線發(fā)電量明顯高于制動距離大的虛線發(fā)電量.

圖6　兩次空氣制動下的位移對比圖

圖7　兩次空氣制動下的能耗對比圖

4.2速度大小驗證

目前，大下坡段的西柏坡—三汲之間運行速度在60～70 km/h之間，運行時間小于規(guī)劃時間，在滿足準點的條件下，圖8給出了該區(qū)間的兩條速度曲線，圖9給出了不同速度下該區(qū)間的能耗情況.圖8中，虛線代表的速度大于實線表示的速度，結(jié)合圖9看出，虛線的能耗明顯高于實線的能耗.

圖8　速度曲線圖

圖9　不同運行速度的能耗對比圖

4.3速度波動驗證

圖10給出了朔黃線平坡起伏坡道上太師莊—河間區(qū)段的兩種運行工況，實線速度波動范圍較小，維持在區(qū)間[66,68]內(nèi)，可認為勻速；虛線的速度波動較大，代表非勻速(惰行).圖11給出了兩種運行工況下該區(qū)間的耗電量情況，兩條曲線均成線性關(guān)系遞增，表明該區(qū)間主要是牽引做功，能耗不斷累加.圖10中虛線相對實線的速度波動明顯，結(jié)合圖11，虛線的耗電量大于實線耗電量.從而驗證了速度波動對能耗的影響.

圖10　不同速度波動圖

圖11　不同速度波動下的能耗對比圖

自此，針對朔黃線長大下坡的空氣制動節(jié)能策略、大下坡的速度節(jié)能策略、平坡上起伏坡道上的速度波動節(jié)能策略均得到仿真驗證.針對上述區(qū)間，圖12給出了采用節(jié)能優(yōu)化策略前后的能耗曲線.

圖12　采用節(jié)能策略前后能耗比較圖

可以看出，上述3個區(qū)間采用節(jié)能優(yōu)化策略后，發(fā)電量明顯增多.萬噸重載列車在朔黃全線運行一趟，耗電約13 000 kW·h，結(jié)合圖12優(yōu)化后曲線，以節(jié)電1 000 kW·h計算，節(jié)能率1 000/13 000×100%=7.6%，大于5%的節(jié)能指標.如果在保證安全，準點前提下，其他區(qū)間也按該節(jié)能策略進行，則節(jié)能效果會更明顯.本節(jié)能策略實現(xiàn)了科技支撐項目要求的節(jié)能指標，為列車折返爬坡儲存了更多電量，也為開展20 000 t列車的節(jié)能策略提供了重要借鑒思路.

5　結(jié)束語

本文以朔黃鐵路重載列車為研究對象，通過建模，設(shè)計適用于該線路上的節(jié)能策略，并應用在30 t軸重列車上，在仿真環(huán)境下驗證了該策略的正確性，可行性.為朔黃鐵路上的重載列車節(jié)能問題提供了一種切實可行的方案，并為后續(xù)智能操控輔助駕駛曲線的優(yōu)化從節(jié)能角度提供了一種思路.如何在輔助操控曲線中，根據(jù)前方路況信息，結(jié)合節(jié)能策略，自動優(yōu)化曲線，降低能耗，是后續(xù)研究的重點.

[1]薛艷冰,馬大煒,王烈.列車牽引能耗計算的實用方法研究[C]//鐵道科學技術(shù)新進展鐵道科學研究院五十五周年論文集,北京:中國鐵道出版社，2005:665-669.

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Design and Implementation of Energy-saving Strategies of Load Train of Shuohuang Railway

CHENG Wei1, CHENG Lingqiang1, ZHENG Muhuo2

(1.SchoolofComputer,HangzhouDianziUniversity,HangzhouZhejiang310018,China;2.ZhejiangInsigmaGroup,HangzhouZhejiang310052,China)

Because of complex conditions of Shuohuang line, load train on this line is not considered a problem about energy efficiency. According to Shuohuang line conditions, given from the steering angle to optimize traffic on the line energy policy, concluded in the same road, lower volatility of speed, smaller of average speed, more energy-efficient; substantially the same average speed, smaller of braking distance, more energy-efficient. To meet the safety, punctuality premise, more than 5% energy can be achieved, and more energy can be saved when train return.

Shuohuang railway; energy conservation; manipulation of the optimization; overloaded train; stored energy

10.13954/j.cnki.hdu.2016.05.007

2015-12-07

國家科技支撐計劃資助項目(2013BAG20B01)

程偉(1991-)，男，安徽黃山人，碩士研究生.智能控制.通信作者：陳臨強教授，E-mail：clq@hdu.edu.cn.

U284.48

A

1001-9146(2016)05-0031-07