CN117035494A - 一种重载铁路电力机车能耗评估方法及装置 - Google Patents

一种重载铁路电力机车能耗评估方法及装置 Download PDF

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CN117035494A CN202310811100.1A CN202310811100A CN117035494A CN 117035494 A CN117035494 A CN 117035494A CN 202310811100 A CN202310811100 A CN 202310811100A CN 117035494 A CN117035494 A CN 117035494A
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刘克程
高晓艳
鲁浩龙
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Guoneng Xinshuo Railway Co ltd
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Guoneng Xinshuo Railway Co ltd
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Abstract

本申请提供的一种重载铁路电力机车能耗评估方法及装置，方法包括：分析线路信息，并结合运行信息，确定电力机车运行过程的受力信息，受力信息包括：牵引力和制动力；由动能定律、线路信息，以及电力机车的受力信息和牵引控制策略，确定电力机车运行过程的运行位移和实时牵引功率；根据牵引力和制动力的大小关系，结合实时牵引功率分配至多个能量设备的设备功率及其传递效率，确定牵引传动系统的总体能耗评估值；基于受力信息和运行位移，确定轮轨驱动系统能耗；总体能耗评估值和轮轨驱动系统能耗之和为电力机车的总能耗评估值。基于计及线路条件和行车操纵的牵引计算，实现重载铁路电力机车运行过程中整体能耗的准确评估。

Description

一种重载铁路电力机车能耗评估方法及装置
技术领域
本发明涉及电力机车能耗评估技术领域，尤其涉及一种重载铁路电力机车能耗评估方法及装置。
背景技术
随着我国铁路货运量持续增长，货运电气化铁路的电能消耗逐年增大，节能降耗迫在眉睫，货运电气化铁路的节能降耗的关键之一，在于精确评估重载铁路电力机车在区间运行过程的能耗特性。
现有的电力机车能耗评估方法包括：(1)现场实测，即通过在电力机车关键位置(如受电弓、牵引变流器等)安装能耗监测装置，实时监测电力机车在区间运行过程中有功功率、无功功率趋势，进而评估其电能消耗特性；(2)仿真建模，即根据电力机车的拓扑结构，基于各种仿真平台，搭建完整的仿真分析模型，进而评估电力机车在不同运行场景下的动态能耗特性。(3)牵引计算，即根据电力机车的牵引/制动特性，结合线路条件，建立受力方程和运动方程，并应用瞬时功率方程，计算轮轨处的实时功率，结合牵引传动系统各个能量传递/转换环节的传输效率，推导受电弓处的实时有功功率，进而评估电力机车在区间运行过程中的能耗特性。
但现场实测的方式难以评估机车在运行过程中克服运行阻力等非电气环节能量消耗情况；仿真建模的方式难以实现长时间尺度的仿真分析，且难以计及线路条件的影响；牵引计算的方式精确性较差。总而言之，现有的重载铁流电力机车能耗评估方法并不完善。
发明内容
本发明提供一种重载铁路电力机车能耗评估方法及装置，基于计及线路条件和行车操纵的牵引计算，实现重载铁路电力机车运行过程中整体能耗评估。
第一方面，本发明提供了一种重载铁路电力机车能耗评估方法，包括：
获取能耗评估区段的线路信息、电力机车的运行信息，以及牵引传动系统中，初始化后各能量传递设备的传递效率；
分析所述线路信息，并结合所述运行信息，确定所述电力机车运行过程的受力信息，所述受力信息包括：牵引力和制动力；
由动能定律、所述线路信息，以及所述电力机车的所述受力信息和牵引控制策略，确定所述电力机车运行过程的运行位移和实时牵引功率；
根据所述牵引力和所述制动力的大小关系，结合所述实时牵引功率分配至多个所述能量设备的设备功率及其传递效率，确定所述牵引传动系统的总体能耗评估值；
基于所述受力信息和所述运行位移，确定轮轨驱动系统能耗；所述总体能耗评估值和所述轮轨驱动系统能耗之和为所述电力机车的总能耗评估值。
可选地，所述实时运行工况包括：牵引工况、制动工况、惰行工况；根据所述牵引力和所述制动力的大小关系，结合所述实时牵引功率分配至多个所述能量设备的设备功率及其传递效率，确定所述牵引传动系统的总体能耗评估值，包括：
根据所述实时牵引力和所述实时制动力的大小关系，依次确定所述电力机车所处的运行工况，并确定在所述运行工况下所有所述能量传递设备的所述设备功率；
基于多个所述能量设备的所述设备功率，依次确定在所述牵引工况、所述制动工况及所述惰行工况下的工况能耗；所述总体能耗评估值为所有所述工况能耗之和。
可选地，所述受力信息还包括：再生制动力、空气制动力、基本运行阻力、坡道附加阻力、曲线附加阻力以及隧道附加阻力；基于所述受力信息和所述运行位移，确定轮轨驱动系统能耗，包括：
按照预设的能耗计算表达式，基于所述受力信息和所述运行位移分别计算得到所述电力机车运行过程中所述牵引力、所述空气制动力、所述再生制动力、所述基本运行阻力、所述坡道附加阻力、所述曲线附加阻力所述隧道附加阻力对应的阻力能耗；
根据多个所述阻力能耗，确定所述轮轨驱动系统能耗。
可选地，由动能定律、所述线路信息，以及所述电力机车的所述受力信息和牵引控制策略，确定所述电力机车运行过程的运行位移和实时牵引功率，包括：
由动能定律，以及所述电力机车的所述受力信息，确定所述电力机车的运行参数及所述运行位移；
基于所述运行参数，结合所述电力机车的牵引控制策略和所述线路信息，确定所述电力机车运行过程实时牵引功率。
第二方面，本发明提供了一种重载铁路电力机车能耗评估装置，包括：
获取模块，用于获取能耗评估区段的线路信息、电力机车的运行信息，以及牵引传动系统中，初始化后各能量传递设备的传递效率；
运行分析模块，用于分析所述线路信息，并结合所述运行信息，确定所述电力机车运行过程的受力信息，所述受力信息包括：牵引力和制动力；
实时牵引功率确定模块，用于由动能定律、所述线路信息，以及所述电力机车的所述受力信息和牵引控制策略，确定所述电力机车运行过程的运行位移和实时牵引功率；
总体能耗评估模块，用于根据所述牵引力和所述制动力的大小关系，结合所述实时牵引功率分配至多个所述能量设备的设备功率及其传递效率，确定所述牵引传动系统的总体能耗评估值；
轮轨驱动系统能耗确定模块，用于基于所述受力信息和所述运行位移，确定轮轨驱动系统能耗；所述总体能耗评估值和所述轮轨驱动系统能耗之和为所述电力机车的总能耗评估值。
可选地，所述实时运行工况包括：牵引工况、制动工况、惰行工况；所述总体能耗评估模块包括：
设备功率确定子模块，用于根据所述实时牵引力和所述实时制动力的大小关系，依次确定所述电力机车所处的运行工况，并确定在所述运行工况下所有所述能量传递设备的所述设备功率；
工况能耗确定子模块，用于基于多个所述能量设备的所述设备功率，依次确定在所述牵引工况、所述制动工况及所述惰行工况下的工况能耗；所述总体能耗评估值为所有所述工况能耗之和。
可选地，所述受力信息还包括：再生制动力、空气制动力、基本运行阻力、坡道附加阻力、曲线附加阻力以及隧道附加阻力；所述轮轨驱动系统能耗确定模块包括：
阻力能耗确定子模块，用于按照预设的能耗计算表达式，基于所述受力信息和所述运行位移分别计算得到所述电力机车运行过程中所述牵引力、所述空气制动力、所述再生制动力、所述基本运行阻力、所述坡道附加阻力、所述曲线附加阻力所述隧道附加阻力对应的阻力能耗；
轮轨驱动系统能耗确定子模块，用于根据多个所述阻力能耗，确定所述轮轨驱动系统能耗。
可选地，所述实时牵引功率确定模块包括：
运行参数确定子模块，用于由动能定律，以及所述电力机车的所述受力信息，确定所述电力机车的运行参数及所述运行位移；
实时牵引功率确定子模块，用于基于所述运行参数，结合所述电力机车的牵引控制策略和所述线路信息，确定所述电力机车运行过程实时牵引功率。
第三方面，本申请提供一种电子设备，包括处理器以及存储器，所述存储器存储有计算机可读取指令，当所述计算机可读取指令由所述处理器执行时，运行如上述第一方面提供的所述方法中的步骤。
第四方面，本申请提供一种存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时运行如上述第一方面提供的所述方法中的步骤。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供了一种重载铁路电力机车能耗评估方法及装置，方法包括：获取能耗评估区段的线路信息、电力机车的运行信息，以及牵引传动系统中，初始化后各能量传递设备的传递效率；分析所述线路信息，并结合所述运行信息，确定所述电力机车运行过程的受力信息，所述受力信息包括：牵引力和制动力；由动能定律、所述线路信息，以及所述电力机车的所述受力信息和牵引控制策略，确定所述电力机车运行过程的运行位移和实时牵引功率；根据所述牵引力和所述制动力的大小关系，结合所述实时牵引功率分配至多个所述能量设备的设备功率及其传递效率，确定所述牵引传动系统的总体能耗评估值；基于所述受力信息和所述运行位移，确定轮轨驱动系统能耗；所述总体能耗评估值和所述轮轨驱动系统能耗之和为所述电力机车的总能耗评估值。基于计及线路条件和行车操纵的牵引计算，实现重载铁路电力机车运行过程中整体能耗的准确评估。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明的一种重载铁路电力机车能耗评估方法实施例一的流程步骤图；
图2为本发明的一种重载铁路电力机车能耗评估方法实施例二的流程步骤图；
图3为电力机车上坡段的受力示意图；
图4为电力机车下坡段的受力示意图；
图5为恒牵引控制策略示意图；
图6为牵引计算的整体示意图；
图7为牵引工况计算流程图；
图8为惰行工况计算流程图；
图9为制动工况计算流程图；
图10为换坡试凑示意图；
图11为换坡段工况计算流程图；
图12为电力机车能量耗散示意图；
图13为电力机车牵引传动系统能量流动示意图；
图14为本发明的一种重载铁路电力机车能耗评估装置实施例的结构框图。
具体实施方式
本发明实施例提供了一种重载铁路电力机车能耗评估方法及装置，基于计及线路条件和行车操纵的牵引计算，实现重载铁路电力机车运行过程中整体能耗评估。
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一，请参阅图1，图1为本发明的一种重载铁路电力机车能耗评估方法实施例一的流程步骤图，包括：
步骤S101，获取能耗评估区段的线路信息、电力机车的运行信息，以及牵引传动系统中，初始化后各能量传递设备的传递效率；
步骤S102，分析所述线路信息，并结合所述运行信息，确定所述电力机车运行过程的受力信息，所述受力信息包括：牵引力和制动力；
步骤S103，由动能定律、所述线路信息，以及所述电力机车的所述受力信息和牵引控制策略，确定所述电力机车运行过程的运行位移和实时牵引功率；
步骤S104，根据所述牵引力和所述制动力的大小关系，结合所述实时牵引功率分配至多个所述能量设备的设备功率及其传递效率，确定所述牵引传动系统的总体能耗评估值；
步骤S105，基于所述受力信息和所述运行位移，确定轮轨驱动系统能耗；所述总体能耗评估值和所述轮轨驱动系统能耗之和为所述电力机车的总能耗评估值。
在本发明实施例所提供的一种重载铁路电力机车能耗评估方法，包括：获取能耗评估区段的线路信息、电力机车的运行信息，以及牵引传动系统中，初始化后各能量传递设备的传递效率；分析所述线路信息，并结合所述运行信息，确定所述电力机车运行过程的受力信息，所述受力信息包括：牵引力和制动力；由动能定律、所述线路信息，以及所述电力机车的所述受力信息和牵引控制策略，确定所述电力机车运行过程的运行位移和实时牵引功率；根据所述牵引力和所述制动力的大小关系，结合所述实时牵引功率分配至多个所述能量设备的设备功率及其传递效率，确定所述牵引传动系统的总体能耗评估值；基于所述受力信息和所述运行位移，确定轮轨驱动系统能耗；所述总体能耗评估值和所述轮轨驱动系统能耗之和为所述电力机车的总能耗评估值。基于计及线路条件和行车操纵的牵引计算，实现重载铁路电力机车运行过程中整体能耗的准确评估。
实施例二，请参阅图2，图2为本发明的一种重载铁路电力机车能耗评估方法实施例二的流程步骤图，包括：
步骤S201，获取能耗评估区段的线路信息、电力机车的运行信息，以及牵引传动系统中，初始化后各能量传递设备的传递效率；
在本发明实施例中，线路信息包括：线路坡段数，各坡段起止点、限速、长度和坡度急曲线坡段曲率半径等；电力机车的运行信息包括：区间起止点、运行时间、机车牵引/再生制动特性、基本阻力特性、减速度特性、牵引控制策略和长度等参数。
在具体实现中，首先初始化电力机车中，牵引传动系统各能量传递设备的传递效率，以及辅助系统的额定有功功率，牵引传动系统的能量传递设备包括牵引变压器、整流器、逆变器、牵引电机和变速箱。
步骤S202，分析所述线路信息，并结合所述运行信息，确定所述电力机车运行过程的受力信息，所述受力信息包括：牵引力和制动力；
请结合图3的电力机车上坡段的受力示意图和图4的电力机车下坡段的受力示意图，其中，ω0为单位基本运行阻力，ωi为单位坡道附加阻力，ωr为单位坡道附加阻力，ωs为单位隧道附加阻力,v为机车实时速度，B为制动力，F为牵引力。在本发明实施例中，电力机车运行过程中沿运动方向的受力包括牵引力F、运行阻力、制动力B三部分，牵引力F和制动力B不同时存在。牵引力F通过电力机车的牵引特性曲线求解；制动力B通过电力机车的减速度特性求解，且制动力B又分为再生制动力和空气制动力，其中，再生制动力通过电力机车的制动特性曲线解，空气制动力制动力与再生制动力的差值；运行阻力包括四部分，其中基本运行阻力通过电力机车的基本阻力特性求解、坡道/曲线/隧道附加阻力通过线路条件求解。在求解出上述各力后，可得出电力机车运行过程中的合力，其表达式如下所示：
B(v)＝M·a(v)-W0(v)；
Fk(v)＝B(v)-Fd(v)；
ω0＝A+B·v+C·v2；
ωi＝i；
ωs＝0.00013·Ls；
c＝f0-ω0-ωj-b；
ωj＝ωi+ωr+ωs；
其中，v为机车实时速度，单位km/h；B(v)为制动力，单位kN；M为电力机车重量，单位t；a(v)为减速度特性，单位m/s2；W0(v)为基本运行阻力，单位kN；Fk(v)为空气制动特性，单位kN；Fd(v)为再生制动特性，单位kN；ω0为单位基本运行阻力，单位N/kN；A、B、C为基本阻力系数，与电力机车型号有关；ωi为单位坡道附加阻力，单位N/kN；i为坡度千分数；ωr为单位坡道附加阻力，单位N/kN；R为曲线半径，单位m；A为计算常数，由大量实验确定，取值范围为[450,800]，我国标准轨距通常取600；ωs为单位隧道附加阻力，单位N/kN；Ls为隧道路段长度，单位m；c为单位合力，单位N/kN；f0为单位牵引力，单位N/kN；ωj为单位加算附加阻力，单位N/kN；b为单位制动力，单位N/kN；F0为牵引力，单位kN；g为重力加速度，单位N/kg。
步骤S203，由动能定律，以及所述电力机车的所述受力信息，确定所述电力机车的运行参数及所述运行位移；
在本发明实施例中，在确定电力机车运行过程的受力信息后，由动能定律，计算机车在运行过程中的运行参数(加速度及速度)和运行位移，其公式表达如下所示：
vj+1＝vj+aj·Δt；
其中，j为第j次计算实时参数，Δt为计算时间步长，单位s；γ为机车车辆的回转质量系数，取值0.06。
步骤S204，基于所述运行参数，结合所述电力机车的牵引控制策略和所述线路信息，确定所述电力机车运行过程实时牵引功率；
在本发明实施例中，根据电力机车的行车操纵方式(即牵引控制策略)和线路信息，结合步骤S203的计算表达式，实时更新机车在运行过程中的加速度、速度和运行位移。
另外，本发明实施例根据牵引力和制动力的出力情况，电力机车在运行中可分为牵引(F>0)、制动(B>0)、惰行(F＝B＝0)三种工况，以及用于表征机车在两个坡段间过度过程的换坡段工况。电力机车的整个运行过程可分解为在每个坡段的运行过程，结合牵引控制策略，不断更新机车的实时加速度、速度和运行位移。
请参阅图5，图5为恒牵引控制策略示意图，其中，纵坐标为牵引力，横坐标为速度偏差，再进一步地，恒牵引控制策略下的工况可划分为以下五种：
工况1：最大牵引工况，用于使电力机车速度快速增加，此时v-Vm≤V1，牵引力保持为FVm+V1，其中FVm+V1为v＝Vm+V1时的电力机车牵引力，当速度增大到上限阈值Vm+V1后，转为工况2；
工况2：变牵引工况，用于使电力机车速度缓慢增加，此时V1≤v-Vm≤V2，单位牵引力f0与列车实时速度v的关系为：
f0＝[(FVm+V1-RVm)×(v-Vm-V2)/(V2-V1)+RVm]/M/g，其中RVm为v＝Vm时的列车阻力和(kN)，当速度增加到上限阈值Vm+V2后，转为工况3；若出现运行阻力增加使列车速度下降，则降到下限阈值Vm+V1后又切换为工况1；
工况3：恒牵引工况，用于继续使电力机车缓慢加速至目标速度，此时V2≤v-Vm<0，单位牵引力保持为f0＝RVm/M/g，若运行阻力增大，则电力机车速度下降到下限阈值Vm+V2后，转入工况2；若运行阻力减少，电力机车速度增加到上限阈值Vm后，转入工况4；
工况4：惰行工况，用于过渡电力机车在牵引工况和制动工况之间的切换，此时0<v-Vm≤V3，牵引力与再生制动力均为0，电力机车仅受运行阻力的作用，若此时运行阻力阻碍电力机车运行，则电力机车速度下降到Vm+V2后，切换为工况3；若此时运行阻力推动电力机车运行，则电力机车速度上升到Vm+V3后，切换为工况5；
工况5：变制动工况，用于使电力机车速度缓慢下降至目标速度，此时V3<v-Vm≤V4，单位制动力b与电力机车实时速度v的关系为
b＝[BVm+V4×(v-Vm+V3-ΔV1)/(V4-V3+ΔV1)]/M/g，其中BVm+5为v＝Vm+V4时的制动力，若此时未成功制动，则当速度增加到上限阈值Vm+V4后，转为工况6；若此时制动成功，则当速度增加到下限阈值Vm+V3-ΔV1(ΔV1为速度裕量，目的是防止实际运行时电力机车在两种工况间频繁切换)后，转为工况4；
工况6：最大制动工况，用于使电力机车速度迅速下降至目标速度，此时v-Vm>V4，制动力保持为BVm+5，当速度降低到下限阈值Vm+V4后，转为工况5。
其中，Vm表示目标速度，选取方式为：定义电力机车P的平均运行速度为Vp0＝Ln/Ti+ΔV2，其中Lp为通过行车运行图获取的电力机车P总行驶路程，Tp为电力机车P总运行时间，ΔV2为考虑列车启动加速和制动减速过程所设置的速度增量，Vlim为当前坡段限制速度，当Vlim<Vp0时，取Vm＝Vlim；否则，取Vm＝Vp0。
进一步地，四种工况的具体牵引计算方式如图6的牵引计算的整体示意图所示，其中，惰行工况和换坡段工况通常出现于出站启动及中间运行的情况下，而牵引工况及制动工况一般出现在进站制动的情况下。
就牵引工况而言，电力机车主要受到牵引力、基本运行阻力和附加阻力的作用，单位合力c＝f0-ω0-ωj；计算流程如图7的牵引工况计算流程图所示，具体包括：
第1步：判断是否存在f0-b≤0，从而判断上一个工况不为牵引工况，若是，则进入第2步；若否，则进入第3步；
第2步：转入惰行工况；
第3步：通过牵引特性曲线确定当前时刻的f0，进入第4步；
第4步：由电力机车实时速度，计算当前时刻的单ω0、ωj，最终得到单位合力ci，进入第5步；
第5步：更新电力机车的加速度ai、速度vi和运行位移si，进入第6步；
第6步：判断是否存在si<∑Lp(∑Lp为截至当前运行坡段总长度)，若是，则进入第7步；若否，则进入第11步；
第7步：判断是否存在vi>Vm，若是进入第10步；若否，则进入第8步；
第8步：判断是否存在vi>Vm+V2，若是，则进入工况3，计算相应牵引力，更新循环次数，回到第4步；若否，则进入第9步；
第9步：判断是否存在vi>Vm+V1，若是，则进入工况2，计算相应牵引力，更新循环次数，回到第4步；若否，则进入工况1，计算相应牵引力，更新循环次数，回到第4步；
第10步：牵引工况结束，转入惰行工况；
第11步：该坡段牵引计算结束，转入换坡段工况。
就惰行工况而言，电力机车主要受到基本运行阻力和附加阻力的作用，单位合力c＝-ω0-ωj；计算流程如图8的惰行工况计算流程图所示，具体包括：
第1步：由电力机车实时速度计算当前时刻的ω0和ωj，最终得到单位合力ci；
第2步：更新电力机车的实时加速度ai、速度vi和运行位移si；
第3步：判断是否存在si<∑Lp，若是，则进入第4步；若否，则进入第8步；
第4步：判断是否存在vi<Vm+V3，若是，进入第5步；若否，则进入第6步；
第5步：判断是否存在vi<Vm+V1，若是，进入第7步；若否，则更新循环次数，回到第1步；
第6步：惰行工况结束，转入制动工况；
第7步：惰行工况结束，转入牵引工况；
第8步：该坡段牵引计算结束，转入换坡段工况。
就制动工况而言，电力机车主要受到基本运行阻力、附加阻力和再生制动力的作用，单位合力c＝-ω0-ωj-b；计算流程如图9的制动工况计算流程图所示，具体包括：
第1步：判断是否存在下一坡段目标速度Vm-Lp+1＝0，若是，则表示电力机车即将进站，进入第2步；若否，则进入第6步；
第2步：电力机车进站制动停车主要采用电、空联合制动的方式，制动力分为再生制动力和空气制动力两部分。由电力机车实时运行速度计算当前时刻的ω0和ωj；由制动减速度特性，获取电力机车实时减速度ai，以确定制动力Bi；根据实时运行速度在再生制动特性曲线中确定当前时刻电力机车再生制动力Fd，进而得到单位合力ci和空气制动力Fk，进入第3步；
第3步：更新电力机车的实时速度vi和运行位移si，进入第4步；
第4步：判断是否存在si<∑Lp，若是，则进入第5步；若否，则进入第14步；
第5步：判断是否存在vi>0，若是，则更新循环次数，进入第2步；若否，则进入第13步；
第6步：电力机车运行中速度超限制动主要采用再生制动的方式，此时制动力即为再生制动力。根据再生制动特性曲线确定当前时刻的再生制动力Fd，进入第7步；
第7步：由电力机车实时速度计算当前时刻的ω0和ωj，最终得到单位合力ci，进入第8步；
第8步：更新电力机车的实时加速度ai、速度vi和运行位移si，进入第9步；
第9步：判断是否存在si<∑Lp，若是，则进入第10步；若否，则进入第13步；
第10步：判断是否存在vi>Vm+V3-ΔV1，若是，则进入第11步；若否，则进入第12步；
第11步：判断是否vi>Vm+V4，若是，则进入工况6，计算相应单位制动力bi，此时仅有再生制动，单位再生制动力fd＝bi，更新循环次数，进入第7步；若否，进入工况5，计算相应单位制动力bi，此时仅有再生制动，单位再生制动力fd＝bi，更新循环次数，进入第7步；
第12步：制动工况结束，转入惰行工况；
第13步：牵引计算结束；
第14步：该坡段牵引计算结束，转入换坡段工况。
就换坡段工况而言，其主要是考虑电力机车在两个相邻坡段之间交互时，考虑列车处在每个区段的长度，分别评估运行阻力。此时整个列车的单位附加阻力分为两个部分，通过如下的换坡段工况的单位附加阻力表达式进行计算：
在换坡过程中，如果下一坡段的目标速度Vm-Lp+1小于该坡段的目标速度Vm-Lp，则电力机车应该提前减速，制动点的位置通过换坡试凑的方式求得，请参阅图10，图10为换坡试凑示意图，在具体实现中，以当前坡段的末端作为起点，下一坡段的目标速度作为初始速度，进行反向牵引计算，绘制出反向加速曲线C-H-F-I-D，其与正向牵引计算曲线A-E-F-G-B的交点F，作为制动点。
其余情况下，电力机车按照换坡段前的运行状态继续行驶，但运行阻力要用换坡段工况的单位附加阻力表达式确定，计算流程如图11的换坡段工况计算流程图所示，具体包括：
第1步：判断是否存在Lp＝LC(LC为电力机车长度)，若是，则进入第7步；若否，则进入第2步；
第2步：判断是否存在Vm-Lp+1≥Vm-Lp，若是，则进入第3步；若否，则进入第5步；
第3步：判断Lp＝LC时，事后存在f0>0，若是，则表示前一工况为牵引工况，转入牵引工况，由换坡段工况的单位附加阻力表达式计算实时加算附加阻力；若否，则进入第4步；
第4步：判断是否存在f0＝0，若是，则表示前一工况为惰行工况，转入惰行工况，由换坡段工况的单位附加阻力表达式计算实时单位加算附加阻力；若否，则表示前一工况为制动工况，转入制动工况，由坡段工况的单位附加阻力表达式计算实时单位加算附加阻力；
第5步：进行换坡试凑，找到换坡点F，考虑司机进行制动需要一定的操作时间，设置时间裕量tk，在该段时间内列车保持制动点处的速度匀速运行，进入第6步；
第6步：令Lp＝LC，转入制动工况；
第7步：该坡段牵引计算结束；
最后，根据牵引计算结果，由功率和速度、牵引力/制动力的关系，计算电力机车轮轨出的实时牵引功率P(t)，具体如下表达式所示：
P(t)＝F(t)·v(t)·1000/3.6。
步骤S205，根据所述实时牵引力和所述实时制动力的大小关系，依次确定所述电力机车所处的运行工况，并确定在所述运行工况下所有所述能量传递设备的所述设备功率；
在本发明实施例中，根据实时牵引力和实时制动力，匹配步骤S204确定牵引计算结果所涉及的运行工况，进而确定在运行工况下的所有能量传递设备的设备功率。
步骤S206，基于多个所述能量设备的所述设备功率，依次确定在所述牵引工况、所述制动工况及所述惰行工况下的工况能耗；所述总体能耗评估值为所有所述工况能耗之和；
请参阅图12，图12为电力机车能量耗散示意图，具体而言，基于牵引计算结果和牵引传动系统数据，根据能量传递计算公式和功率计算公式，分别计算电力机车牵引传动系统各设备的能耗(电能)以及轮轨驱动系统各分力的能耗(机械能)，即可完成电力机车总能耗评估，其中牵引传动系统的设备包括牵引电机、PWM逆变器及四象限整流器等，而轮轨驱动系统涉及牵引力、制动力，以及各种阻力等。
就电力机车牵引传动系统能耗评估而言，其主要是根据牵引力和制动力情况，判断电力机车运行工况：若f0-b>0，则机车处于牵引工况，进行牵引工况能耗评估；若f0-b<0，则机车处于制动工况，进行制动工况能耗评估；否则，机车处于惰行工况，进行惰行工况能耗评估；
请参阅图13，图13为电力机车牵引传动系统能量流动示意图，就电力机车牵引传动系统能耗评估中的牵引工况能耗评估而言，牵引工况下能量流动如图中的牵引工况能量流动蓝所示，牵引供电网络提供给电力机车的电功率为Pnet；牵引变压器从牵引供电网络获得电功率PT＝Pnet，并用于三部分，第一部分pT被变压器自身绕组漏抗和励磁阻抗消耗掉，第二部分paux被辅助负载(照明、空调及热水炉等设备供电)消耗掉，第三部分Pc注入到整流器中；整流器从牵引变压器二次侧获得电功率Pc，一部分被IGBT、二极管的导通损耗和开关损耗消耗掉(pc)，一部分注入到逆变器中(PI)；逆变器从整流器获得电功率PI，一部分同样被IGBT、二极管的导通损耗和开关损耗消耗掉(pI)，一部分注入到牵引电机中(PM)；牵引电机从逆变器获得电功率PM，一部分被定子损耗、转子损耗、摩擦、风阻损耗和杂散负载损耗等消耗掉(pM)，一部分注入齿轮箱PG；齿轮箱从牵引电机获得机械功率PG，一部分被非单位传动效率消耗掉(pG)，一部分驱动机车运行。牵引传动系统的能耗即为能量传递过程中，被各设备消耗掉的功率所产生的能量，计算方法如下表达式所示：
Pnet(t)＝P(t)/ηG/ηG/ηG/ηG/ηG+paux(t)；
/>
就电力机车牵引传动系统能耗评估中的制动工况能耗评估而言，制动工况下能量流动框图所示，牵引电机将机械能转化为电能，再生制动功率P沿着与牵引工况相反的方向流过牵引传动系统的各个部分，并产生相应的功率损耗。牵引传动系统各设备的能耗计算方法如下表达式所示：
Pnet(t)＝-P(t)·ηG·ηM·ηC·ηI·ηT+paux(t)；
/>
就电力机车牵引传动系统能耗评估中的惰行工况能耗评估而言，在惰行工况下，除了车载牵引变压器外，其余设备均处于不工作状态，此时能耗主要包括变压器能耗和辅助系统能耗两部分，计算方法如下表达式所示：
Pnet(t)＝paux(t)；
/>
从而，牵引传动系统总体能耗评估如下表达式所示：
Ecdxt＝Eqy+Ezd+Edx；
其中，下标T、C、I、M、G、aux、qy、zd、dx、cdxt分别为车载牵引变压器、整流器、逆变器、牵引电机、变速箱、变压器辅助绕组、牵引工况、制动工况、惰行工况以及牵引传动系统总体；上标Q、Z、D分别为牵引、制动、惰行工况；大写字母P(t)为输入各设备的实时有功功率，其中Pnet(t)通过牵引计算获得，单位W；小写字母p(t)为各设备的实时功率损耗，其中paux(t)通过基于实测数据的拟合曲线获取，单位W；E为各设备的能耗，单位J；n为运行时间；t为运行时刻；dt为计算时间步长，单位s；η为各设备的传输效率。
步骤S207，按照预设的能耗计算表达式，基于所述受力信息和所述运行位移分别计算得到所述电力机车运行过程中所述牵引力、所述空气制动力、所述再生制动力、所述基本运行阻力、所述坡道附加阻力、所述曲线附加阻力所述隧道附加阻力对应的阻力能耗；
步骤S208，根据多个所述阻力能耗，确定所述轮轨驱动系统能耗；所述总体能耗评估值和所述轮轨驱动系统能耗之和为所述电力机车的总能耗评估值。
轮轨驱动系统的能耗即为机车运行过程中各个力的做功情况，包括牵引力、再生制动力、空气制动力、基本运行阻力、坡道附加阻力、曲线附加阻力以及隧道附加阻力。
在本发明实施例中，对电力机车轮轨驱动系统能耗评估，通过牵引计算，可以获得电力机车的实时单位牵引力F0(i)、空气制动力Fk(i)、再生制动力Fd(i)、基本运行阻力W0(i)、坡段附加阻力Wi(i)、曲线附加阻力Wr(i)、隧道附加阻力Ws(i)，相应的能耗计算方法如下表达式所示：
/>
Eqdxt＝E1+E2+E3+E4+E5+E6+E7；
其中，i为第i次牵引计算，N为牵引计算总次数；f(i)、ω(i)分别为第i次牵引计算的结果，单位N/kN；ds为第i次牵引计算对应的电力机车位移，单位m；E1、E2、E3、E4、E5、E6、E7、Eqdxt分别为电力机车运行过程中牵引力、空气制动力、再生制动力、基本运行阻力、坡道附加阻力、曲线附加阻力、隧道附加阻力以及轮轨驱动系统总体对应的能耗，单位J。
综上所述，电力机车总能耗评估可表示为：
Etotal＝Ecdxt+Eqdxt。
在本发明实施例所提供的一种重载铁路电力机车能耗评估方法，包括：获取能耗评估区段的线路信息、电力机车的运行信息，以及牵引传动系统中，初始化后各能量传递设备的传递效率；分析所述线路信息，并结合所述运行信息，确定所述电力机车运行过程的受力信息，所述受力信息包括：牵引力和制动力；由动能定律、所述线路信息，以及所述电力机车的所述受力信息和牵引控制策略，确定所述电力机车运行过程的运行位移和实时牵引功率；根据所述牵引力和所述制动力的大小关系，结合所述实时牵引功率分配至多个所述能量设备的设备功率及其传递效率，确定所述牵引传动系统的总体能耗评估值；基于所述受力信息和所述运行位移，确定轮轨驱动系统能耗；所述总体能耗评估值和所述轮轨驱动系统能耗之和为所述电力机车的总能耗评估值。基于计及线路条件和行车操纵的牵引计算，实现重载铁路电力机车运行过程中整体能耗的准确评估。
实施例三，请参阅图14，图14为本发明的一种重载铁路电力机车能耗评估装置实施例的结构框图，包括：
获取模块301，用于获取能耗评估区段的线路信息、电力机车的运行信息，以及牵引传动系统中，初始化后各能量传递设备的传递效率；
运行分析模块302，用于分析所述线路信息，并结合所述运行信息，确定所述电力机车运行过程的受力信息，所述受力信息包括：牵引力和制动力；
实时牵引功率确定模块303，用于由动能定律、所述线路信息，以及所述电力机车的所述受力信息和牵引控制策略，确定所述电力机车运行过程的运行位移和实时牵引功率；
总体能耗评估模块304，用于根据所述牵引力和所述制动力的大小关系，结合所述实时牵引功率分配至多个所述能量设备的设备功率及其传递效率，确定所述牵引传动系统的总体能耗评估值；
轮轨驱动系统能耗确定模块305，用于基于所述受力信息和所述运行位移，确定轮轨驱动系统能耗；所述总体能耗评估值和所述轮轨驱动系统能耗之和为所述电力机车的总能耗评估值。
在一个可选实施例中，所述实时运行工况包括：牵引工况、制动工况、惰行工况；所述总体能耗评估模块304包括：
设备功率确定子模块，用于根据所述实时牵引力和所述实时制动力的大小关系，依次确定所述电力机车所处的运行工况，并确定在所述运行工况下所有所述能量传递设备的所述设备功率；
工况能耗确定子模块，用于基于多个所述能量设备的所述设备功率，依次确定在所述牵引工况、所述制动工况及所述惰行工况下的工况能耗；所述总体能耗评估值为所有所述工况能耗之和。
在一个可选实施例中，所述受力信息还包括：再生制动力、空气制动力、基本运行阻力、坡道附加阻力、曲线附加阻力以及隧道附加阻力；所述轮轨驱动系统能耗确定模块305包括：
阻力能耗确定子模块，用于按照预设的能耗计算表达式，基于所述受力信息和所述运行位移分别计算得到所述电力机车运行过程中所述牵引力、所述空气制动力、所述再生制动力、所述基本运行阻力、所述坡道附加阻力、所述曲线附加阻力所述隧道附加阻力对应的阻力能耗；
轮轨驱动系统能耗确定子模块，用于根据多个所述阻力能耗，确定所述轮轨驱动系统能耗。
在一个可选实施例中，所述实时牵引功率确定模块303包括：
运行参数确定子模块，用于由动能定律，以及所述电力机车的所述受力信息，确定所述电力机车的运行参数及所述运行位移；
实时牵引功率确定子模块，用于基于所述运行参数，结合所述电力机车的牵引控制策略和所述线路信息，确定所述电力机车运行过程实时牵引功率。
本发明实施例还提供了一种电子设备，包括存储器及处理器，所述存储器中储存有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如上述任一实施例所述的一种重载铁路电力机车能耗评估方法的步骤。
本发明实施例还提供了一种计算机存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上述任一实施例所述的一种重载铁路电力机车能耗评估方法的步骤。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统，装置和单元的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，本发明所揭露的方法、装置、电子设备及存储介质，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。
所述集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取可读存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个可读存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的可读存储介质包括：U盘、移动硬盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种重载铁路电力机车能耗评估方法，其特征在于，包括：
获取能耗评估区段的线路信息、电力机车的运行信息，以及牵引传动系统中，初始化后各能量传递设备的传递效率；
分析所述线路信息，并结合所述运行信息，确定所述电力机车运行过程的受力信息，所述受力信息包括：牵引力和制动力；
由动能定律、所述线路信息，以及所述电力机车的所述受力信息和牵引控制策略，确定所述电力机车运行过程的运行位移和实时牵引功率；
根据所述牵引力和所述制动力的大小关系，结合所述实时牵引功率分配至多个所述能量设备的设备功率及其传递效率，确定所述牵引传动系统的总体能耗评估值；
基于所述受力信息和所述运行位移，确定轮轨驱动系统能耗；所述总体能耗评估值和所述轮轨驱动系统能耗之和为所述电力机车的总能耗评估值。
2.根据权利要求1所述的重载铁路电力机车能耗评估方法，其特征在于，所述实时运行工况包括：牵引工况、制动工况、惰行工况；根据所述牵引力和所述制动力的大小关系，结合所述实时牵引功率分配至多个所述能量设备的设备功率及其传递效率，确定所述牵引传动系统的总体能耗评估值，包括：
根据所述实时牵引力和所述实时制动力的大小关系，依次确定所述电力机车所处的运行工况，并确定在所述运行工况下所有所述能量传递设备的所述设备功率；
基于多个所述能量设备的所述设备功率，依次确定在所述牵引工况、所述制动工况及所述惰行工况下的工况能耗；所述总体能耗评估值为所有所述工况能耗之和。
3.根据权利要求1所述的重载铁路电力机车能耗评估方法，其特征在于，所述受力信息还包括：再生制动力、空气制动力、基本运行阻力、坡道附加阻力、曲线附加阻力以及隧道附加阻力；基于所述受力信息和所述运行位移，确定轮轨驱动系统能耗，包括：
按照预设的能耗计算表达式，基于所述受力信息和所述运行位移分别计算得到所述电力机车运行过程中所述牵引力、所述空气制动力、所述再生制动力、所述基本运行阻力、所述坡道附加阻力、所述曲线附加阻力所述隧道附加阻力对应的阻力能耗；
根据多个所述阻力能耗，确定所述轮轨驱动系统能耗。
4.根据权利要求1所述的重载铁路电力机车能耗评估方法，其特征在于，由动能定律、所述线路信息，以及所述电力机车的所述受力信息和牵引控制策略，确定所述电力机车运行过程的运行位移和实时牵引功率，包括：
由动能定律，以及所述电力机车的所述受力信息，确定所述电力机车的运行参数及所述运行位移；
基于所述运行参数，结合所述电力机车的牵引控制策略和所述线路信息，确定所述电力机车运行过程实时牵引功率。
5.一种重载铁路电力机车能耗评估装置，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取能耗评估区段的线路信息、电力机车的运行信息，以及牵引传动系统中，初始化后各能量传递设备的传递效率；
运行分析模块，用于分析所述线路信息，并结合所述运行信息，确定所述电力机车运行过程的受力信息，所述受力信息包括：牵引力和制动力；
实时牵引功率确定模块，用于由动能定律、所述线路信息，以及所述电力机车的所述受力信息和牵引控制策略，确定所述电力机车运行过程的运行位移和实时牵引功率；
总体能耗评估模块，用于根据所述牵引力和所述制动力的大小关系，结合所述实时牵引功率分配至多个所述能量设备的设备功率及其传递效率，确定所述牵引传动系统的总体能耗评估值；
轮轨驱动系统能耗确定模块，用于基于所述受力信息和所述运行位移，确定轮轨驱动系统能耗；所述总体能耗评估值和所述轮轨驱动系统能耗之和为所述电力机车的总能耗评估值。
6.根据权利要求5所述的重载铁路电力机车能耗评估装置，其特征在于，所述实时运行工况包括：牵引工况、制动工况、惰行工况；所述总体能耗评估模块包括：
设备功率确定子模块，用于根据所述实时牵引力和所述实时制动力的大小关系，依次确定所述电力机车所处的运行工况，并确定在所述运行工况下所有所述能量传递设备的所述设备功率；
工况能耗确定子模块，用于基于多个所述能量设备的所述设备功率，依次确定在所述牵引工况、所述制动工况及所述惰行工况下的工况能耗；所述总体能耗评估值为所有所述工况能耗之和。
7.根据权利要求5所述的重载铁路电力机车能耗评估装置，其特征在于，所述受力信息还包括：再生制动力、空气制动力、基本运行阻力、坡道附加阻力、曲线附加阻力以及隧道附加阻力；所述轮轨驱动系统能耗确定模块包括：
阻力能耗确定子模块，用于按照预设的能耗计算表达式，基于所述受力信息和所述运行位移分别计算得到所述电力机车运行过程中所述牵引力、所述空气制动力、所述再生制动力、所述基本运行阻力、所述坡道附加阻力、所述曲线附加阻力所述隧道附加阻力对应的阻力能耗；
轮轨驱动系统能耗确定子模块，用于根据多个所述阻力能耗，确定所述轮轨驱动系统能耗。
8.根据权利要求5所述的重载铁路电力机车能耗评估装置，其特征在于，所述实时牵引功率确定模块包括：
运行参数确定子模块，用于由动能定律，以及所述电力机车的所述受力信息，确定所述电力机车的运行参数及所述运行位移；
实时牵引功率确定子模块，用于基于所述运行参数，结合所述电力机车的牵引控制策略和所述线路信息，确定所述电力机车运行过程实时牵引功率。
9.一种电子设备，其特征在于，包括处理器以及存储器，所述存储器存储有计算机可读取指令，当所述计算机可读取指令由所述处理器执行时，运行如权利要求1-4任一项所述的方法。
10.一种存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时运行如权利要求1-4任一项所述的方法。
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