基于智能电表的电力机车能耗管理优化系统

摘 要：在电力机车能耗管理优化系统时，以节能学习模式为设计理念，能够持续地积累以及优化数据，构建合理科学的能耗考核标准。设计以选择性保存数据记录为基础的算法，利用速度信息来突变公里标，而且协助电力机车运行累加距离的相关算法，能够有效地节约智能电表中所需的还原操纵曲线以及数据存储空间。借助线性插值算法依次获得速度以及距离的相关信息，通过时间以及车站号等信息的关联查询算法，获得相应的区间运行时间，然后借助能耗数据以及区间运行时间间的关联查询算法，获得区间能耗。这套系统设计自身的合理性已经在应用过程中带来的节能效益得到了证明。

关键词：电力机车；节能；智能电表；能耗考核标准

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

笔者对电力机车采取的节能模式进行了系统研究，克服了既有节能模式的不足，设计了新型的电力机车智能电表，而且还构建了电力机车能耗优化管理的软件系统，使能耗管理精准地定位到每个运行区间，按照计算机还原的相关操纵曲线处理和优化能耗，获得合理的能耗数据。

1 硬件原理及软件系统结构

1.1 智能电表硬件原理

笔者首先研究了电力机车智能电表的相关硬件原理，从电力机车的主电缆上面引入了相应的输入电流以及输入电压，通过电流互感器以及电压分压器后，电能测量芯片能够计量输入电压和输入电流，得到相应的有功功率。列车黑匣子输出的相关信息通过隔离的485接口连接到中央处理器，后者能够同时处理黑匣子数据以及电能数据，在FLASH存储芯片中保存相关的处理结果，在机车行驶中能够在LCD上实时展示电能消耗信息。借助该系统中的IC卡接口，将保存在FLASH存储芯片上的相关数据读取出来。

1.2 软件系统结构

从逻辑上看，软件系统被划分成了优化评价层、数据解析层以及能耗数据管理层。

1.2.1 数据解析层

记录文件管理子系统必须将数据从IC卡中读取出来，切割原始数据文件，之后得到机车运行的能耗记录文件以及监测文件，而且还要合并同一司机以及车次的机车运行能耗记录文件以及监测文件。曲线图形数据生成子系统主要解析相关的合并文件，将机车的能耗记录数据以及运行监测数据融合，生成的曲线融合数据文件适宜于以图形方式显示出来。文件处理以及编辑子系统提供的图形化人机界面接口相当多，能够为用户处理以及编辑各种文件提供便利。

1.2.2 优化评价层

负责线路图形绘制的相关子系统将铁路线路的二维地理场景绘制出来。负责曲线控制的相关子系统为系统提供各种类型的曲线操纵方法，用户可以随意地移动参与到优化活动中的曲线，实现对比学习。以全图形化面目出现的能耗统计优化子系统将图形系统以及优化算法密切联系起来，为相关用户创造了高效且直观的优化环境。司机通过操纵负责评价的相关子系统，对比基准是线路标准的运行能耗以及运行时间当作，对司机在每一个区间内的具体操纵活动做出精确的评价。

1.2.3 能耗数据管理层

通过相应的ODBC编程，这一层能够和诸多数据库实现无缝连接，能够按照不同的运行环境，在多种类型的网络数据库（SQLServer，Oracle）以及桌面数据库（比如Access）间灵活地进行切换。负责统计查询的相关子系统为司机提供了任何时间段的能耗统计方法以及接口。负责数据存储的相关子系统为人们系统提供了便于转存能耗数据的功能。负责报表打印的相关子系统为人们提供了便捷的报表打印功能。

1.3 系统关键算法

1.3.1 智能电表中基于选择性保存的数据记录算法

每间隔20ms，列车黑匣子会在对外公开的相关系统的数据总线上传输一个数据包。数据包涵盖了速度、时间、车站号、公里标、司机号、车次、机车号、总重以及副司机号等信息（时间、公里标以及速度都是动态量，随时间变化而变化，其他信息均属于常量）。比如每隔20ms数据包就会自动保存1次，能够较快地写满FLASH储存芯片。除此之外，智能电表在转存数据转存前，同时还必须将每个司机单独的监测数据记录下来，所以区别各个司机单独的记录数据也非常重要。人们通过多次试验提出了有关的数据记录算法，有效地破解了该问题。

1.3.2 电力机车操纵曲线还原算法

电力机车操纵曲线指的是由电力机车行驶距离当作相应的横坐标体系中的区间运行时间曲线速度曲线以及能耗使用曲线等曲线共同组合而成，将事实上的线路数据还原后获得的二维线路场景当作坐标背景能够将曲线半径以及线路坡度、曲线半径等多种铁道的地理信息真实地反映出来。按照黑匣子内部提供的相关公里标信息，在这个场景中绘制成了相应的操纵曲线。笔者设计了通过速度信息来裁定突变公里标，为计算机车运行累加距离提供协助的相关算法。

1.3.3 机车运行监测数据和能耗数据的融合算法

从传统类型的电力机车能耗管理模式来看，难以得到运行区间内精准的能耗数据，但是本系统巧妙地融合了机车运行的能耗记录数据以及监测数据，很好地获取得了电力机车运行中区间内的精准能耗数据，这样就能够精细地做好每一个运行区间内的能耗管理。

1.3.4 全图形化的能耗优化统计算法。

根据全图形化优化算法，第一要对缺省优化所有参与优化操作的记录数据，然后获得涵盖了所有区间内的能耗数据以及操纵曲线数据。用户借助系统自身的图形化环境，浏览每一个区间内的优化曲线以及操纵曲线。在图形系统创设好的各个区间优化列表内，临时性地除掉异常操纵曲线，优化计算区间局部统计，对修改也已形成的相关操纵优化曲线和区间能耗进行修改。用户通过这种局部以及全局性的图形化优化算法，能够较快地实现相关的优化目标，在数据库中保存相关的优化结果。

2 结语

设计好的电力机车智能电表、电力机车能耗优化以及管理软件系统能够非常精确度定位到电力机车能耗管理的每个运行区间。将节能学习模式当作设计核心，打造成了全图形模式的能耗优化以及管理环境。眼下这个系统在诸多铁路局的使用效果良好。随着相关方面持续地积累以及优化电力机车能耗方面的原始数据，能够科学地制定每条线路的能耗标准。此外还要完善相关的管理制度和配套措施，确保系统运行的稳定性，创造更高的节能效益。

参考文献：

[1]李胜，张玉芝.机车智能耗电记录仪在节能降耗中的作用[J].铁道技术监督，2014，34（11）：39-41.

[2]王云艳，姜久春，牛利勇.基于电力机车智能电表的能耗信息管理系统的设计与实现[J].铁道机车车辆，2015，25（05）：19-23.

作者简介：张一利（1978-），男，河北阳原人，本科，工程师。

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