中國標準動車組能耗測試技術及評價指標研究

張 波，黃 金，陸 陽，張桂南

(中國鐵道科學院集團有限公司 機車車輛研究所， 北京 100081)

近年來，隨著高速鐵路運營速度的提高，其作為主要交通工具的地位得到不斷強化。然而，隨著速度的提高，其能源消耗總體上也在顯著增加。在目前各國對環境和經濟問題日益關注的情形下，高速列車綜合能耗的節能研究受到廣泛重視，無疑對于動車組能耗試驗技術及評價指標提出了迫切需求。

動車組能耗試驗在國際標準IEC 61133—2016[1]中有明確的要求，但該標準對試驗方案的設計、試驗測點的布置等未明確規定；試驗約束條件的不統一，將導致試驗得出的能耗數據差異較大，顯然該標準并不完整，對能耗試驗的指導意義不大。面對上述問題歐洲標準EN 50591—2019[2]對于機車和軌道車輛能耗做了詳細的定義和測試說明，提出了一種在預定運用工況下，電力機車車輛凈能耗的測定標準，其能耗測定結果和實際運營條件下的能耗相近，具有一定的參考價值。Hasegawa[3]對高鐵能耗與最高速度的關系進行了綜述分析，明確了不同研究者設定的能耗仿真、試驗條件或能耗統計方式的不同，將導致能耗數據呈現不同的分布規律，部分能耗數值無法正確表征該速度級車型應有的能耗水平，有可能對從事鐵路負載能耗研究的工作者造成較大的誤導。

文獻[4]提出列車牽引能耗主要由車體質量、列車頭型和車體流線型設計決定。Howlett等[5-8]早期探討了平直道、非平直道、平直道上考慮限速、非平直道上考慮限速下的列車區間能耗受制于司機操縱，得出了波浪式操縱的節能理論。隨后，Khmelnitsky[9]、Yasunobu等[10]、馮曉云等[11]均從優化列車運行工況的角度實現了列車的節能控制。上述研究認為，列車頂層技術參數、線路條件及司機操縱對列車能耗的影響較大，是制定動車組能耗評價指標時需充分考慮的影響因素。

伴隨中國標準動車組的研制，業內人員在大西客專原平西站至陽曲西站開展了能耗試驗[12]，測試了250、270、290、300、310、330、350 km/h速度級動車組的能耗數據，受制于試驗線路長度和坡度的影響，能耗數據樣本并不足夠完善。

本文以鄭徐客運專線綜合試驗為載體，開展中國標準動車組能耗專項試驗研究。在以往能耗測試的經驗基礎上，提出一套完整的試驗方案、測試數據處理及結果分析方法，并歸納形成標準化的能耗試驗方法；試驗中充分考慮速度級、動車組載荷、輔助用電及司機操縱等因素的影響，試驗結果定性分析能耗與阻力間的關系。

1 能耗影響因素及指標分析

1.1 能耗影響因素分析

在試驗設計中，為了充分考核動車組能耗水平，滿足不同運用對象對能耗數據的需求，需要對能耗影響因素進行解耦。動車組運行能耗主要由牽引用電、再生發電、牽引系統輔助用電及旅客用電組成，試驗中這四類電量均需進行有效采集監測。

(1) 牽引用電、再生發電均受到線路條件(線路坡度、運行里程、起伏狀況)，運行狀態(運行工況、起停次數、運行速度)，動車組屬性(編組數量、列車重量、列車阻力、牽引功率等)，天氣狀況，司機操縱及前車干擾的影響。

(2) 牽引系統輔助用電主要受運行狀態(運行工況、起停次數、運行速度)，動車組屬性(編組數量、牽引功率等)，天氣狀況及司機操縱的影響。牽引系統輔助用電即為牽引系統冷卻設備用電，在對該電量采集時，考慮動車組運行于70 km/h以上時冷卻設備均處于全功率運行狀態，顯然該試驗條件容易實現統一化要求。

(3) 旅客用電主要受天氣狀況及定員載荷的影響。對該電量采集時，可直接控制車內空調、照明系統的工作狀態來滿足試驗條件。

1.2 能耗指標分析

動車組頂層技術指標基本確定了動車組屬性，在保證線路條件、天氣狀況等外部條件基本不變的情況下，定義平直道人均百公里能耗評估不同速度級下該型動車組的能量消耗水平。考慮同一動車組在不同高鐵線路運行的能耗差異主要受制于線路條件，定義線路運行能耗指標對動車組在新建高鐵線路的運行能耗進行評估。結合上述能耗的影響因素及大西客專綜合試驗的經驗，對鄭徐客專能耗專項試驗方案進行設計，見圖1。

圖1 能耗測試方案

結合圖1可以看出，能耗測試主要獲取新造動車組的平直道人均百公里能耗和線路運行能耗指標。新造動車組的平直道人均百公里能耗主要從速度級、平直道長度的角度展開研究；線路運行能耗主要從同車型在不同新建高鐵線路運行的角度展開研究。

2 鄭徐客專能耗專項試驗方案詳細設計

鄭徐客專能耗專項試驗采用控制變量法進行設計，將線路條件、司機操縱、車輛載重等因素設定為不變量，將動車組運行速度級、平直道區間長度分別作為主要變化量，對不同速度級下中國標準動車組CR400的能耗水平及能耗試驗條件的量化確定開展研究。

2.1 試驗速度級的選取

考慮中國標準動車組運營速度為350 km/h，存在跨線運行至200 km/h速度級線路的情況，為有效覆蓋動車組運用的速度級，梳理歸納動車組屬性參數對其能耗的影響后，動車組區間運行速度從200 km/h開始，以每增加10 km/h為一速度級，逐級提速至最高試驗速度，除發車及停車過程外，動車組均需以恒定速度在試驗區間運行。

2.2 動車組載荷及輔助用電控制

動車組載重對動車組加速及調速過程的能耗影響較大，對動車組能耗考核時，考慮定員載荷的約束，試驗中動車組按設計的定員載荷進行加載。

為保證動車組能耗試驗期間輔助用電的統一性，試驗期間應開啟前照燈、并設置車內照明全開；考慮試驗在夏季展開，將客室內空調設定為全冷狀態，目標溫度設定為20 ℃，從而模擬旅客用電設備的全部投入狀態；此外試驗的外部環境溫度基本一致且定速運行時速度均處于200 km/h以上，牽引系統冷卻設備均處于高速運行狀態，從而模擬輔助功率發揮80%以上的工況。

2.3 試驗區間長度的選取

試驗中需獲取平直道人均百公里能耗，考慮線路條件一般不會出現較長的平直道，為消除數據采集的誤差，一般需采用拼接的方法處理數據樣本。在這個過程中需要驗證單個數據樣本的有效性，即論證平直道區間長度的選擇及試驗對平直道長度的需求。

試驗區段總長度約266 km，其中平直道共計約117 km，占區段總長的44.0%，平直道長度分布見表1；顯然在線路區段開展動車組能耗試驗，不僅可以對區間能耗進行有效評價，還能實現試驗條件量化控制的研究，保證足夠的平直道能耗樣本，避免測試數據離散性的問題，極大的保證數據可信度。

表1 試驗區間平直道長度分布情況

由表1可以看出，試驗區段存在多個大于6 km的平直道區間，實測數據顯示動車組在6 km及以上平直道區間定速運行時電機功率數據分布較穩定，即能耗基本穩定可作為能耗的基準數據，見圖2。

2.4 司機操縱的一致性控制

為保證線路區間能耗數據具有代表性，需保證司機操縱的一致性，在鄭徐試驗時提出了動車組能耗試驗標準化操縱運行圖。該過程包括起動、途中運行、停車等，運行圖見圖3，途中運行包括過分相、目標速度運行、限速區段運行等過程[13]。

司機操縱參考既有運營線路操縱方式，以便能耗測試結果與線路開通運營時的實際能耗基本相似。為減少司機操縱差異對區間能耗的影響，每個速度級試驗序列的出站、進站方式相同，各速度級下動車組均采用半自動過分相方式通過區間，此外試驗中還明確了不同速度級進站減速位置和過分相按鈕操作位置。

圖2 定速300 km/h電機總功率曲線

圖3 動車組區段運行示意

(1) 發車運行：動車組從指定車站發車，按限速45 km/h的要求通過出站信號機后牽引滿級提速至指定速度，隨后采用定速模式運行。

(2) 減速進站停車：在指定位置速度為350 km/h時施加4級常用制動，速度降到170 km/h后施加3級常用制動，速度降到100 km/h時，施加2級常用制動，速度降到50 km/h后，司機調速進站停車，350 km/h速度級試驗減速停車操作策略見圖4。

圖4 動車組進站減速操作策略

(3) 過分相操作位置確定：過分相采用半自動過分相，在預斷標和斷電標之間根據速度級的相應位置按下過分相按鈕。為盡可能避免斷電時間不同導致的測量誤差，在試驗前對不同速度的斷電時機進行距離折算：將斷電時機折算為距斷電標的長度，折算式為

D0=2.74v+10.3

( 1 )

式中：D0為按下過分相按鈕時距離斷電標的長度；v為動車組運行速度。

2.5 司機操縱全局相關性評價

為實現能耗試驗中司機操縱的統一性控制，盡量規避司機操縱差異導致的測試誤差，從全局相關性的角度對司機操縱進行評價。試驗前根據提出的操縱方式和線路條件，對動車組整個運行過程進行牽引仿真，仿真結果用于規范司機操縱。仿真運行曲線與司機操縱實測運行曲線的相關系數ρms為

ρms=

( 2 )

3 能耗計算及試驗結果分析

3.1 能耗計算及評估方法

動車組線路運行區間總耗電量可表示如下

( 3 )

式中：Qu為用電時間段tu內的用電量；Qr為發電時間段tr內的發電量；PLp、PLm分別為用電時間段和發電時間段的網端功率。

平直道人均百公里能耗采用拼接的方式對平直道能耗進行綜合處理，即對所有樣本數據的用電量進行累加，同時對樣本區間的距離進行累加，之后對總結果進行單位公里能耗量的計算

( 4 )

式中：Eav為平直道人均百公里能耗平均值；En為不同平直道區段人均百公里樣本能耗；Sn為不同平直道區段樣本距離。

3.2 試驗條件對能耗試驗結果影響分析3.2.1 平直道長度的影響

結合表1進行平直道區間長度對能耗偏離度的量化分析，按照2.3節規定的基準能耗數據，各平直道長度區間樣本分別取3個，求得動車組各速度級下、不同區間長度的能耗偏離度見圖5。

圖5 不同平直道區間長度的能耗偏離度

由圖5可以看出4～6 km長度平直道下能耗偏離度相比于2～4 km長度平直道下能耗偏離度相對較小，4～6 km區間的不同速度級下能耗偏離度分布較集中，基本小于2%；顯然能耗試驗中平直道區間長度優選4～6 km，為降低數據誤差，可適當增加大長度的數據樣本。

3.2.1 司機操縱一致性的影響分析

結合2.4節司機操縱的要求，鄭徐客專的牽引仿真、司機實際操縱曲線見圖6。

圖6 鄭徐客專區間仿真、運行曲線

由圖6可以看出，牽引仿真、司機實際操縱曲線基本吻合，發車、減速進站停車、過分相操作、目標速度恒速運行區域牽引仿真與司機實際操縱曲線的相關系數分別為0.975、0.984、0.993、0.991，全程二者的相關系數大于0.98；顯然規范司機操縱控制，能夠消除司機操縱差異對不同車次動車組區間能耗的影響。相比于EN 50591—2019對司機操縱的要求，本文提出的全局相關性評價方式準確性、可操作性均更優。

4 能耗試驗結果分析

4.1 線路運行能耗試驗結果分析

由于CR400AF動車組與CR400BF動車組在動力配置、牽引功率等參數基本相同，車重、阻力差別不大，在分析線路運行能耗規律上并無本質的區別，因此本文以CR400BF動車組為例介紹線路運行能耗試驗結果。線路運行能耗結果見圖7。

圖7 不同速度級區間能耗統計

由圖7可以看出，隨著速度的增加。能耗隨之增加。此外，各速度級的發電量相比用電量較小，但總體變化規律也是隨速度級增大而增加，可見對司機操縱進行統一規范和要求后，即使短暫且操作復雜的停車過程也可基本規避司機操縱差異導致的測試誤差。

為更好驗證能耗試驗數據的準確性，本文結合鄭徐線路(開封北—蕭縣北)、CR400動車組的技術參數，及公式(1)定義，開發了動車組運行能耗仿真計算軟件[14-15]，并通過仿真計算對區間能耗試驗結果進行了校核，試驗結果見表2。

由表2結果可以看出，能耗仿真計算結果與實際測試結果的區間線路運行能耗最大誤差僅為2.9%，實測結果與仿真基本吻合，此外能耗仿真軟件的開發也為新建高鐵線路運行能耗評估提供了技術依據。

表2 開封北—蕭縣北仿真與實測試驗結果對比

針對線路運行能耗，研究團隊在京滬高鐵還開展了北京至上海一站直達運行圖下的能耗測試，測試過程遵循了本文提出的標準化能耗測試方案，取得了理想的測試結果。該CR400BF型車在鄭徐試驗區間能耗與京滬區間能耗的對比見表3。

表3 不同線路運行能耗統計

由表3可以看出，鄭徐試驗區間的單位能耗較京滬試驗區間單位能耗小，主要原因為京滬試驗區間平均運營速度比鄭徐試驗區間平均運營速度稍高，列車克服風阻做功更多。

4.2 平直道人均百公里能耗

結合式( 2 )定義，本文對相同速度級不同區段平直道能耗數據進行統計分析。定員載荷下中國標準動車組平直道人均百公里能耗曲線見圖8。參考動車組運行阻力2次函數的形式，對不同速度級下的樣本數據進行數據擬合，考慮極端情況動車組速度為零時，由于存在輔助功率，能耗接近無限大，因此動車組理論的能耗公式中應存在一個與速度相關的負一次項，該負一次項可通過低速段試驗數據進行擬合獲取。在本次試驗中，試驗速度級為200 km/h以上，如對該負一次項進行回歸處理，則會影響高速段數據樣本的趨勢性，因此本文中擬合趨勢線公式以實測200～350 km/h數據為準，未對該負一次項進行考慮。

圖8 中國標準動車組平直道人均百公里能耗曲線

從圖8可以看出，CR400AF、CR400BF動車組平直道人均百公里能耗與速度的關系趨勢基本保持一致，造成能耗差異的因素主要為二者基本阻力的區別。動車組平直道人均百公里能耗平均值擬合曲線與單位基本阻力曲線，見圖9。

圖9 CR400動車組人均百公里能耗與基本阻力曲線

從圖9中看出，CR400AF、CR400BF動車組350 km/h相比于300 km/h人均百公里能耗增量分別為30.1%、30.0%，單位阻力增量為33.5%、34.1%；顯然擬合的能耗曲線與阻力曲線總體趨勢基本吻合，但趨勢存在一定的不一致性，主要由牽引系統損耗、輔助能耗等因素導致[16]。動車組人均百公里能耗與阻力的關系為

( 5 )

式中：A+Bv+Cv2為標準動車組的基本阻力；S為區間長度；P0為牽引系統損失功率及輔助用電功率；t0為駐車時間；n為動車組定員人數。由式(5)可以看出，動車組人均百公里能耗、阻力隨著速度的增大，變化趨勢不會完全一致，速度越大，二者的差異性越小；速度越小時，二者的差異性越大。

結合實測數據，其原因分析可總結如下：

(1) 輔助能耗中占比最大的是牽引系統冷卻裝置(牽引電機風機、牽引變壓器冷卻風機)及旅客空調用電，試驗中整車輔助系統功率約為650 kW，與速度(阻力)無線性關系，且基本保持穩定輸出。隨著試驗速度的增加，通過固定長度區段的時間縮短，該能耗在總能耗中占比也越來越小。

(2) 牽引系統損耗是牽引系統各部件工作效率的體現，牽引系統效率在速度接近額定工作點時最高，各速度級下的效率隨取用功率的不同有所差別，與阻力并非線性關系。

4 結論

針對中國標準動車組的能耗測試問題，輪軌關系研究本文充分考慮了速度級、動車組載荷、輔助用電及司機操縱等因素的影響，提出了一套完整的試驗方案、測試數據處理及結果分析方法，歸納形成了標準化的能耗試驗方法；并結合鄭徐能耗數據，定量分析了能耗與阻力間的關系，形成以下結論：

(1) 本文提出的牽引仿真與司機實際操縱相結合的全局相關性評價方法，能夠實現能耗試驗的司機操縱的統一性控制，能夠規避司機操縱差異導致的測試誤差；

(2) 同車型不同線路的區間單位能耗與列車在該線路的平均運營速度相關，平均運營速度越大區間單位能耗越大；

(3) 動車組人均百公里能耗、阻力隨著速度的增大，變化趨勢不會完全一致，速度越大，二者的差異性越小；速度越小時，二者的差異性越大。