基于智能電表的電力機(jī)車能耗管理優(yōu)化系統(tǒng)

摘 要：在電力機(jī)車能耗管理優(yōu)化系統(tǒng)時(shí)，以節(jié)能學(xué)習(xí)模式為設(shè)計(jì)理念，能夠持續(xù)地積累以及優(yōu)化數(shù)據(jù)，構(gòu)建合理科學(xué)的能耗考核標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計(jì)以選擇性保存數(shù)據(jù)記錄為基礎(chǔ)的算法，利用速度信息來突變公里標(biāo)，而且協(xié)助電力機(jī)車運(yùn)行累加距離的相關(guān)算法，能夠有效地節(jié)約智能電表中所需的還原操縱曲線以及數(shù)據(jù)存儲空間。借助線性插值算法依次獲得速度以及距離的相關(guān)信息，通過時(shí)間以及車站號等信息的關(guān)聯(lián)查詢算法，獲得相應(yīng)的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間，然后借助能耗數(shù)據(jù)以及區(qū)間運(yùn)行時(shí)間間的關(guān)聯(lián)查詢算法，獲得區(qū)間能耗。這套系統(tǒng)設(shè)計(jì)自身的合理性已經(jīng)在應(yīng)用過程中帶來的節(jié)能效益得到了證明。

關(guān)鍵詞：電力機(jī)車；節(jié)能；智能電表；能耗考核標(biāo)準(zhǔn)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2015.24.104

筆者對電力機(jī)車采取的節(jié)能模式進(jìn)行了系統(tǒng)研究，克服了既有節(jié)能模式的不足，設(shè)計(jì)了新型的電力機(jī)車智能電表，而且還構(gòu)建了電力機(jī)車能耗優(yōu)化管理的軟件系統(tǒng)，使能耗管理精準(zhǔn)地定位到每個(gè)運(yùn)行區(qū)間，按照計(jì)算機(jī)還原的相關(guān)操縱曲線處理和優(yōu)化能耗，獲得合理的能耗數(shù)據(jù)。

1 硬件原理及軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 智能電表硬件原理

筆者首先研究了電力機(jī)車智能電表的相關(guān)硬件原理，從電力機(jī)車的主電纜上面引入了相應(yīng)的輸入電流以及輸入電壓，通過電流互感器以及電壓分壓器后，電能測量芯片能夠計(jì)量輸入電壓和輸入電流，得到相應(yīng)的有功功率。列車黑匣子輸出的相關(guān)信息通過隔離的485接口連接到中央處理器，后者能夠同時(shí)處理黑匣子數(shù)據(jù)以及電能數(shù)據(jù)，在FLASH存儲芯片中保存相關(guān)的處理結(jié)果，在機(jī)車行駛中能夠在LCD上實(shí)時(shí)展示電能消耗信息。借助該系統(tǒng)中的IC卡接口，將保存在FLASH存儲芯片上的相關(guān)數(shù)據(jù)讀取出來。

1.2 軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

從邏輯上看，軟件系統(tǒng)被劃分成了優(yōu)化評價(jià)層、數(shù)據(jù)解析層以及能耗數(shù)據(jù)管理層。

1.2.1 數(shù)據(jù)解析層

記錄文件管理子系統(tǒng)必須將數(shù)據(jù)從IC卡中讀取出來，切割原始數(shù)據(jù)文件，之后得到機(jī)車運(yùn)行的能耗記錄文件以及監(jiān)測文件，而且還要合并同一司機(jī)以及車次的機(jī)車運(yùn)行能耗記錄文件以及監(jiān)測文件。曲線圖形數(shù)據(jù)生成子系統(tǒng)主要解析相關(guān)的合并文件，將機(jī)車的能耗記錄數(shù)據(jù)以及運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)融合，生成的曲線融合數(shù)據(jù)文件適宜于以圖形方式顯示出來。文件處理以及編輯子系統(tǒng)提供的圖形化人機(jī)界面接口相當(dāng)多，能夠?yàn)橛脩籼幚硪约熬庉嫺鞣N文件提供便利。

1.2.2 優(yōu)化評價(jià)層

負(fù)責(zé)線路圖形繪制的相關(guān)子系統(tǒng)將鐵路線路的二維地理場景繪制出來。負(fù)責(zé)曲線控制的相關(guān)子系統(tǒng)為系統(tǒng)提供各種類型的曲線操縱方法，用戶可以隨意地移動參與到優(yōu)化活動中的曲線，實(shí)現(xiàn)對比學(xué)習(xí)。以全圖形化面目出現(xiàn)的能耗統(tǒng)計(jì)優(yōu)化子系統(tǒng)將圖形系統(tǒng)以及優(yōu)化算法密切聯(lián)系起來，為相關(guān)用戶創(chuàng)造了高效且直觀的優(yōu)化環(huán)境。司機(jī)通過操縱負(fù)責(zé)評價(jià)的相關(guān)子系統(tǒng)，對比基準(zhǔn)是線路標(biāo)準(zhǔn)的運(yùn)行能耗以及運(yùn)行時(shí)間當(dāng)作，對司機(jī)在每一個(gè)區(qū)間內(nèi)的具體操縱活動做出精確的評價(jià)。

1.2.3 能耗數(shù)據(jù)管理層

通過相應(yīng)的ODBC編程，這一層能夠和諸多數(shù)據(jù)庫實(shí)現(xiàn)無縫連接，能夠按照不同的運(yùn)行環(huán)境，在多種類型的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫（SQLServer，Oracle）以及桌面數(shù)據(jù)庫（比如Access）間靈活地進(jìn)行切換。負(fù)責(zé)統(tǒng)計(jì)查詢的相關(guān)子系統(tǒng)為司機(jī)提供了任何時(shí)間段的能耗統(tǒng)計(jì)方法以及接口。負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)存儲的相關(guān)子系統(tǒng)為人們系統(tǒng)提供了便于轉(zhuǎn)存能耗數(shù)據(jù)的功能。負(fù)責(zé)報(bào)表打印的相關(guān)子系統(tǒng)為人們提供了便捷的報(bào)表打印功能。

1.3 系統(tǒng)關(guān)鍵算法

1.3.1 智能電表中基于選擇性保存的數(shù)據(jù)記錄算法

每間隔20ms，列車黑匣子會在對外公開的相關(guān)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)總線上傳輸一個(gè)數(shù)據(jù)包。數(shù)據(jù)包涵蓋了速度、時(shí)間、車站號、公里標(biāo)、司機(jī)號、車次、機(jī)車號、總重以及副司機(jī)號等信息（時(shí)間、公里標(biāo)以及速度都是動態(tài)量，隨時(shí)間變化而變化，其他信息均屬于常量）。比如每隔20ms數(shù)據(jù)包就會自動保存1次，能夠較快地寫滿FLASH儲存芯片。除此之外，智能電表在轉(zhuǎn)存數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存前，同時(shí)還必須將每個(gè)司機(jī)單獨(dú)的監(jiān)測數(shù)據(jù)記錄下來，所以區(qū)別各個(gè)司機(jī)單獨(dú)的記錄數(shù)據(jù)也非常重要。人們通過多次試驗(yàn)提出了有關(guān)的數(shù)據(jù)記錄算法，有效地破解了該問題。

1.3.2 電力機(jī)車操縱曲線還原算法

電力機(jī)車操縱曲線指的是由電力機(jī)車行駛距離當(dāng)作相應(yīng)的橫坐標(biāo)體系中的區(qū)間運(yùn)行時(shí)間曲線速度曲線以及能耗使用曲線等曲線共同組合而成，將事實(shí)上的線路數(shù)據(jù)還原后獲得的二維線路場景當(dāng)作坐標(biāo)背景能夠?qū)⑶€半徑以及線路坡度、曲線半徑等多種鐵道的地理信息真實(shí)地反映出來。按照黑匣子內(nèi)部提供的相關(guān)公里標(biāo)信息，在這個(gè)場景中繪制成了相應(yīng)的操縱曲線。筆者設(shè)計(jì)了通過速度信息來裁定突變公里標(biāo)，為計(jì)算機(jī)車運(yùn)行累加距離提供協(xié)助的相關(guān)算法。

1.3.3 機(jī)車運(yùn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)和能耗數(shù)據(jù)的融合算法

從傳統(tǒng)類型的電力機(jī)車能耗管理模式來看，難以得到運(yùn)行區(qū)間內(nèi)精準(zhǔn)的能耗數(shù)據(jù)，但是本系統(tǒng)巧妙地融合了機(jī)車運(yùn)行的能耗記錄數(shù)據(jù)以及監(jiān)測數(shù)據(jù)，很好地獲取得了電力機(jī)車運(yùn)行中區(qū)間內(nèi)的精準(zhǔn)能耗數(shù)據(jù)，這樣就能夠精細(xì)地做好每一個(gè)運(yùn)行區(qū)間內(nèi)的能耗管理。

1.3.4 全圖形化的能耗優(yōu)化統(tǒng)計(jì)算法。

根據(jù)全圖形化優(yōu)化算法，第一要對缺省優(yōu)化所有參與優(yōu)化操作的記錄數(shù)據(jù)，然后獲得涵蓋了所有區(qū)間內(nèi)的能耗數(shù)據(jù)以及操縱曲線數(shù)據(jù)。用戶借助系統(tǒng)自身的圖形化環(huán)境，瀏覽每一個(gè)區(qū)間內(nèi)的優(yōu)化曲線以及操縱曲線。在圖形系統(tǒng)創(chuàng)設(shè)好的各個(gè)區(qū)間優(yōu)化列表內(nèi)，臨時(shí)性地除掉異常操縱曲線，優(yōu)化計(jì)算區(qū)間局部統(tǒng)計(jì)，對修改也已形成的相關(guān)操縱優(yōu)化曲線和區(qū)間能耗進(jìn)行修改。用戶通過這種局部以及全局性的圖形化優(yōu)化算法，能夠較快地實(shí)現(xiàn)相關(guān)的優(yōu)化目標(biāo)，在數(shù)據(jù)庫中保存相關(guān)的優(yōu)化結(jié)果。

2 結(jié)語

設(shè)計(jì)好的電力機(jī)車智能電表、電力機(jī)車能耗優(yōu)化以及管理軟件系統(tǒng)能夠非常精確度定位到電力機(jī)車能耗管理的每個(gè)運(yùn)行區(qū)間。將節(jié)能學(xué)習(xí)模式當(dāng)作設(shè)計(jì)核心，打造成了全圖形模式的能耗優(yōu)化以及管理環(huán)境。眼下這個(gè)系統(tǒng)在諸多鐵路局的使用效果良好。隨著相關(guān)方面持續(xù)地積累以及優(yōu)化電力機(jī)車能耗方面的原始數(shù)據(jù)，能夠科學(xué)地制定每條線路的能耗標(biāo)準(zhǔn)。此外還要完善相關(guān)的管理制度和配套措施，確保系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，創(chuàng)造更高的節(jié)能效益。

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作者簡介：張一利（1978-），男，河北陽原人，本科，工程師。endprint