WO2014002717A1 - 鉄道システム - Google Patents

Abstract

　鉄道システムは、変電所及び蓄電装置の少なくとも一方を有する複数の電力供給源(101-103)と、電力供給源から電力を受けて走行する車両(105)と、路線における電力供給源(101-103)の位置に応じて、電力供給源から供給する電力及び蓄電装置への充電量を管理する電力管理システム(108)とで構成される。電力管理システム(108)は、車両(105)から車両位置、車両速度と、車両(105)が走行状態(力行中、惰行中、制動中）を受け取ることによって、車両(105)が供給を受ける蓄電装置を決定するとともに、車両速度と走行状態から、決定された蓄電装置からの電力供給の要否を判断し、電力供給源(101-103)にその判断結果を伝達する。これにより、路線に沿って設置された蓄電装置を最大限有効活用して、力行時の架線電圧を柔軟に上昇させることができ、力行時間を低減し、惰行走行時間を拡大して、省エネ効果を高める。

Description

鉄道システム

　電力供給体からの電力供給を受けて動作する鉄道システムに関する。

　架線から電力供給を受けて走行する鉄道車両（以下、単に「車両」という。）において、その供給元である変電所がダウンした場合や、同一変電区間に車両が大幅に増加した場合には、車両の架線電圧が大幅に低下してしまい、走行性能の大幅な低下をきたすことがある。
　一方、鉄道では、ダイヤがあることから、走行性能の部分的な悪化によって走行が遅くなった場合、ダイヤを遵守しようと加速するため、よりエネルギーを消費し、さらに架線電圧の低下を招くという悪循環に陥るおそれがある。

　これを解決する技術として、下記特許文献１には、変電所の送り出し電圧を押し上げることで、架線電圧を高めることが、そして、下記特許文献２には、運転ダイヤと車両位置に基づいて、複数の変電所及び地上の蓄電装置が供給する電力を最適化することが示されている。

特開平７－３０４３５３号公報 特開２００８－２４２０６号公報

　しかしながら、特許文献１に示された技術では、保守員が車両の走行状態やダイヤを常時確認し、その都度、変電所の送り出し電圧を予測して調整しなければならず、保守負担が非常に高い。
　さらに、効果的な加速性能を得ようとすると、変電所から送り出される電圧を大幅に上昇せざるを得ず、このため、架線から電力供給系、車両駆動装置を含め、最大の送り出し電圧に耐えられる素子を使わなければならず、コストアップを招いてしまう。
　さらに、予測が外れた場合には、最適な供給とならず、最悪の場合には、回生制動中の他の車両が、上昇した架線電圧により回生制動を失効させ、十分に電力を回生できないおそれがある。

　また、特許文献２では、運転ダイヤを用いた予測電力を基に最適な電力送出を行うとしているが、遅れなどが発生した場合には、車両は運転ダイヤに準じた走行を行うことができず、最適な電力送出を実現することは困難である。
　さらに、運転パターンは運転士によって必ずしも一定ではないことから、そもそも正確な予測ができないという問題がある。

　そこで、本発明の目的は、上記問題を鑑み、路線に沿って設置された蓄電装置を最大限有効活用することにより、ダイヤを考慮しつつ、力行時の架線電圧を柔軟に上昇させることで、力行時間を低減し、惰行走行時間を拡大することにより、省エネ効果を高めることにある。

　本発明は上記目的を達成するため、本発明による、鉄道システムにおいては、次のような技術的手段を講じた。すなわち、
（１）変電所及び蓄電装置の少なくとも一方を有する複数の電力供給源と、前記電力供給源から電力を受けて走行する車両と、前記車両が走行する路線における前記電力供給源の位置に応じて、当該電力供給源から供給する電力及び前記蓄電装置への充電量を管理する電力管理システムで構成される鉄道システムにおいて、前記電力管理システムは、前記車両から車両位置、車両速度と、該車両が力行中か、惰行中か、あるいは制動中であるかの走行状態を受け取ることによって、前記車両が供給を受ける前記電力供給源に含まれる蓄電装置を決定するとともに、前記車両速度と前記走行状態から、決定された前記蓄電装置からの電力供給の要否を判断し、当該蓄電装置を備えた前記電力供給源にその判断結果を伝達するようにした。

（２）上記の鉄道システムにおいて、前記車両から前記電力管理システムに供給される情報に、当該車両に供給される架線電圧を含み、前記電力管理システムは、この架線電圧を、あらかじめ定められた架線電圧閾値と比較することで、前記電力供給源に含まれる蓄電装置から電力の供給をするかどうかを判断する機能を有するようにした。

（３）上記の鉄道システムにおいて、前記電力管理システムは、路線の制限速度を記憶するデータベースを備え、前記車両位置に基づいて制限速度を求め、制限速度と車両速度の関係、及び、制限速度の変化の関係から、前記電力供給源に含まれる蓄電装置から電力の供給をするかどうかを判断する機能を有するようにした。

（４）上記の鉄道システムにおいて、前記電力管理システムは、前記車両に対して電力供給を行う電力供給源の蓄電装置に対して、当該電力供給源と前記車両の間に、蓄電装置を備えず変電所のみからなる電力供給源が含まれる場合には、前記蓄電装置からの電力供給を禁止するように制御するようにした。

　一般に、変電所とは異なり、路線に沿って各所に設置された蓄電装置には、余剰電力を随時蓄えバッファ機能を有するとともに、必要時に直ちに電力を供給することができるので、車両位置、車両速度、走行状態に応じて、これら蓄電装置のうち、最適なものを選択した上で、電力を放電させることで、架線電圧を押し上げる効果を得られ、力行時の架線電圧を高く保つことで、ダイヤを遵守しつつ、力行時間を低減し、惰行走行時間を拡大することにより、省エネを図ることが可能となる。

図１は、実施例１のシステム構成図である。 図２は、実施例１の蓄電装置判断システムにおける処理フローである。 図３は、実施例１の電力アシスト判定システムにおける処理フローである。 図４は、実施例１における電力アシスト決定システムの処理フローである。 図５は、実施例１による加速性能を示す図である。 図６は、本発明の対象例である。 図７は、本発明を実現した場合の結果である。 図８は、本発明の第２の実施例を実現するためのシステム構成図の一例である。 図９は、本発明の第２の実施例を実現するための電力アシスト判定システムの処理フローである。 図１０は、本発明の第３の実施例を実現するためのシステム構成図の一例である。 図１１は、本発明の第３の実施例を実現するための電力アシスト判定システムの処理フローである。

　以下、図面を用いて本発明の実施例を説明する。

［実施例１］
　図１は本発明を実現するための鉄道システム構成図の一例である。
　この例では、路線に沿って複数設置された電力供給源としての蓄電装置１０１、変電所１０２、及び蓄電装置と変電所の双方を備えた電力供給設備１０３と、これらの電力供給源から架線１０４を経由して電力を受けて走行する車両１０５と、各電力供給設備１０１～１０３を管理する電力管理システム１０８から構成されている。
　この構成の鉄道システムにおいて、電力管理システム１０８は、蓄電装置判断システム１１２、電力アシスト判定システム１１３、電力アシスト決定システム１１６から構成されている。

　蓄電装置判断システム１１２は、車両１０５から車両位置及び車両速度及び車両が力行しているか、惰行中であるか、あるいは制動中かの車両状態を示す車両情報１０９を入手し、電力供給源である蓄電装置１０１、変電所１０２、電力供給設備１０３の位置を管理するデータベース１１０から得られる電力供給源位置情報１１１とから、架線に対してどの蓄電装置を有する設備から電力アシストを行うかを決定する。

　電力アシスト判定システム１１３は、車両情報１０９から車両１０５に電力アシストを行うべきかの判断を行うもので、蓄電装置判断システム１１２からの第１の判断結果１１４と、電力アシスト判定システム１１３からの第２の判断結果１１５を基に、車両１０５にどの電力供給源から電力アシストを行うべきかを判断する。
　電力アシスト決定システム１１６の判断結果１１７を、蓄電装置１０１あるいは蓄電装置を備えた電力供給設備１０３に送信することにより、蓄電装置からの電力供給が行われる。

　図２は、蓄電装置判断システム１１２の具体的な処理フローを示している。
　ステップ２０１では、現在の車両位置に基づいて、車両から近い順に、蓄電装置を備えた電力供給源をソートし、最も近い位置から順に１、２・・・ｎとして、ステップ２０２に進む。
　なお、車両と蓄電装置との距離があまりに離れていると、長い架線を経由することによる電力損失が大きくなり、また、その間に、他の車両が回生制動を行っている可能性も高くなるので、探索する蓄電装置を備えた電力供給源には、距離的制限を設けている。

　ステップ２０２では、Ｋ（探索ＩＤ）＝１として、ステップ２０３に進む。
　ステップ２０３では、電力供給源（Ｋ）のＳＯＣ（蓄電状態）が電力供給可能な状態か否かを判定し、電力供給可能であればステップ２０４に、電力供給が不可能であればステップ２０５に進む。
　ステップ２０４では、電力供給源（Ｋ）に出力指令を送る。以上で終了となる。
　ステップ２０５では、電力供給源の探索ＩＤであるＫを（Ｋ＋１）として、ステップ２０６に進む。

　また、ステップ２０６では、電力供給源の探索ＩＤであるＫ＞電力供給源の上限（ｎ）が成立するかを判断し、Ｋが電力供給源の上限を超えていれば、電力供給可能な蓄電装置が存在しないものとして、処理を終了とし、Ｋが電力供給源の上限を超えていなければ、ステップ２０３に戻り、電力供給可能な蓄電装置の探索を継続する。
　以上の処理により、蓄電装置判断システム１１２により、車両に最も近く、かつ、電力供給可能な蓄電装置に関する第１の判断結果１１４を算出できる。

　図３は、電力アシスト判定システム１１３の具体的な処理フローを示している。
　ステップ３０１では、車両状態が力行中か否かを判断し、力行中であればステップ３０２に進み、力行中でなければステップ３０４に進む。
　ステップ３０２では、車両状態情報に含まれる車両速度が、V/f 終端速度を超えているか否かを判定し、超えている場合はステップ３０３に進み出力要求を行う。
　一方、車両速度がV/f 終端速度以下であればステップ３０４に進み、出力不要求を行い、処理を終了する。
　なお、V/f 終端速度とは、蓄電装置により電力アシストを行う前の状態の架線電圧により、加速度を一定に維持し得る終端速度を意味する。

　図４は、電力アシスト決定システム１１６の具体的な処理フローを示している。
　ステップ４０１では、決められた電力供給源と車両の間に、蓄電装置を備えていない変電所だけの電力供給源の有無を判断し、変電所のみの電力供給源がなければステップ４０２に、変電所のみの電力供給源があればステップ４０３に進む。
　ステップ４０２では、該当する電力供給源の蓄電装置に放電するように指令を出し、処理を終了し、ステップ４０３では、電力供給源の蓄電装置から放電を行わないようにするため指令は送らない。以上で終了となる。

　以上の処理により、車両が力行かつ、V/f 終端速度を超えている場合、地上蓄電装置から電力を放電することで、架線電圧を押し上げることができる。
　例えば、図５に示すように、基準電圧における車両速度をα、加速後の車両速度をβとし、架線電圧を基準電圧×β／αに押し上げたとすると、車両の加速性能がモードａからモードａ’に向上する。
　鉄道はダイヤが決まっているので、加速性能を上げることで、惰行時間の拡大につながるため、省エネを図ることができる。図６及び図７を用いて、本制御を適用した場合の時々刻々の状態を示す。

　図６は、簡単な例として駅間の路線上に、それぞれ蓄電装置を有する２つの電力供給源１及び２と変電所のみで構成された電力供給源３がある場合を想定する。
　また、図７は、図６の路線上を、１列車が走行するものとして、本実施例による制御を適用した場合の時々刻々の状態を示している。
　上から順に［時間－速度］、［時間－V/f 速度判定］、［時間－力行判定］、［時間－電力供給源との距離］、［時間－電力供給源１指令］、［時間－電力供給源２指令］、［時間－電力供給源１のＳＯＣ］、［時間－電力供給源２のＳＯＣ］、［時間－車両架線電圧］の関係を表している。なお、実線は、［時間－速度］の関係において、本実施例による制御を使用したものを実線、使用しないものを破線で示しているが、ダイヤ変更が発生しないよう、両者の時間積分値は一定とする。

　これらのグラフに対して時間で領域分割して説明する。
　時間領域Ａは、車両が駅から出発し力行し、速度がV/f 終端速度以下の領域である場合を示している。この場合、図３の処理フローに従うと、蓄電装置への電力供給要求はなく、車両は制御不使用と同様の動作をする。

　次に車両速度がV/f 終端速度を超えると時間領域Ｂに移る。
　時間領域Ｂでは、車両速度がV/f 終端速度を超えているので、図２の処理フローに従うと、車両位置から蓄電装置のみの電力供給源１の方が、蓄電装置と変電所の双方を備えた電力供給源２よりも近く、また、電力供給源１の蓄電装置のＳＯＣも十分にあること、図４の処理フローに従うと、電力供給源１が変電所だけの電力供給源３よりも近いことから電力供給源１に指令を出すことになる。

　また、図３の処理フローに従うと、力行中でかつ車両速度がV/f 終端速度を超えているので、電力供給源への要求をすることになる。
　このため、電力供給源１に放電指令が行われ、車両の架線電圧が上昇し、力行性能が上昇し加速が改善される。ただし、これに伴い電力供給源１のＳＯＣが減っていく。

　次に、車両が惰行に入ると時間領域Ｃに移る。
　この場合、図３の処理フローに従うと、電力供給源への要求はない。このため、電力供給源１及び電力供給源２のＳＯＣの変動はない。次に、車両が再力行に入ると時間領域Ｄに移る。

　時間領域Ｄでは、車両が再力行しており、速度がV/f 終端速度を超えた場合を示している。この場合、図３の処理フローに従うと、電力供給源への要求をすることになる。
　また、図２の処理フローに従うと、車両位置から電力供給源２の方が電力供給源１よりも近く、ＳＯＣも十分にあることから電力供給源２に放電指令が行われるが、電力供給源３の方が電力供給源２よりも近いため、図４の処理から電力供給源からの放電が行われないようになる。これにより力行性能は、制御なしと同様となる。次に、電力供給源２の方が電力供給源３よりも小さくなると時間領域Ｅに移る。

　時間領域Ｅでは、車両が再力行しており、速度がV/f 終端速度を超えた場合を示している。この場合、図３の処理フローに従うと、電力供給源への要求をすることになる。また、図２の処理フローに従うと、車両位置から電力供給源２の方が電力供給源１よりも近く、ＳＯＣも十分にあること、図４の処理フローに従うと、電力供給源２が変電所だけの電力供給源３よりも近いことから電力供給源２に放電指令が行われ、電力供給源２のＳＯＣが減っていく。また、車両の架線電圧が上がる。これにより力行性能が上昇し加速が良くなる。次に、車両が惰行に入ると時間領域Ｆに移る。

　時間領域Ｆでは、車両が惰行している。この場合、図３の処理フローに従うと、電力供給源への要求はない。このため、電力供給源１及び電力供給源２のＳＯＣの変動はない。次に、車両が制動に入ると時間領域Ｇに移る。

　時間領域Ｇ、Ｈでは、車両が制動している。この場合は、電力供給源を制御してそれぞれに充電するようにする。

　以上の処理により、地上蓄電装置から電力を放電することで、架線電圧を押し上げる効果を得られ、力行時の架線電圧を高く保つことで、ダイヤを遵守しつつ、力行時間を低減し、惰行走行時間を拡大することにより、省エネを図ることが可能となる。

［実施例２］
　次に、実施例２のシステム構成を、図８に示す。実施例１と異なる点は、車両情報８０１に、その車両に供給される架線電圧を含め、電力アシスト判定システム８０２がこの架線電圧に応じて判定を変更することである。
　電力アシスト判定システム８０２の処理を図９に示す。
　ステップ３０１では、車両状態は力行駆動かを判断し、Ｙｅｓであればステップ３０２に進む。Ｎｏであればステップ３０４に進む。
　ステップ３０２では、車両状態情報に含まれる速度がV/f を超えているかどうかを判定し、Ｙｅｓならステップ９０１に進む。Ｎｏであればステップ３０４に進む。
　ステップ９０１では、架線電圧が架線電圧閾値αよりも小さいかどうかを判断する。Ｙｅｓならステップ３０３に進む。Ｎｏであればステップ３０４に進む。
　ステップ３０３では出力要求を出す。また、ステップ３０４では出力不要求を出す。以上で終了となる。

　なお、ステップ９０１における架線電圧閾値αは任意の値であり、要は、蓄電装置からの放電による効果が十分に得られない場合や、回生制動中の他の列車が付近にいる場合に回生による制動力を低減しないように設定されるもので、例えば基準電圧や車両の軽負荷開始電圧を使用してもよい。また、路線全体で一定ではなく、例えばダイヤの疎密度に応じて時間や電力供給設備毎に、αを変更しても良い。
　本制御を実施することで、架線電圧の平準化を図れることになる。また、蓄電装置の動きも平準化するため、容量を抑えることもできる。

［実施例３］
　次に、実施例３のシステム構成を図１０に示す。実施例１と異なる点は、車両情報１００１が車両速度、車両位置を含み、電力アシスト判定システム１００２が、自動列車運転装置を備えた車両１００３を前提にすることである。
　電力アシスト判定システム１００２の処理を図１１に示す。
　ステップ１１０１では、車両位置から制限速度を求める。次にステップ１１０２に進む。
　ステップ１１０２では、ステップ１１０１で求めた制限速度が車両速度よりも高いかどうかを判断し、Ｙｅｓであればステップ１１０３に進む。Ｎｏであればステップ１１０４に進む。

　そして、ステップ１１０３では、車両速度がV/f を超えているかどうかを判定し、超えている場合はステップ１１０５に、車両速度がV/f 以下の場合は、ステップ１１０６に進む。
　ステップ１１０４では、ステップ１１０１で求めた制限速度が前回のものよりも大きいかどうかを判断し、大きければ、車両が力行に転じると予測し、ステップ１１０３に進む。ステップ１１０１で求めた制限速度が前回以下であればステップ１１０６に進む。
　ステップ１１０５では出力要求を送出しステップ１１０６では出力不要求を送出し、処理が終了となる。

　なお、いずれの実施例においても車両速度がV/f 速度を超えているかどうかの判定（図３のステップ３０２）は、車上側で行い、地上側に対しては超えたかどうかの結果のみを送付してステップ３０２の判断を行う方式であっても良い。さらに、V/f 速度ではなく、一般的に、車両のV/f 終端速度は路線最高速度の１／３以下になるよう設計されているため、路線最高速度の１／３として判定を行ってもよい。

　また、いずれの実施例においても、車両に最も近い蓄電装置と車両の間に変電所がある場合には、変電所のみから供給する場合と比べて、車両架線電圧には変化がないことから供給しない。但し、車両に最も近い蓄電装置が変電所内にある場合には、該変電所は、車両に最も近い蓄電装置と車両の間にある変電所ではないとする。従って、以下の式が成立する場合には供給しない。
　|車両に最も近い変電所－車両に最も近い蓄電装置位置|/|車両位置-車両に最も近い蓄電装置位置|＜１　：（車両に最も近い変電所≠車両に最も近い蓄電装置位置）

１０１：蓄電装置、１０２：変電所、１０３：電力供給設備、１０４：架線、１０５：車両、１０６：電力量、１０７：充電量、１０８：電力管理システム、１０９：車両情報、１１０：データベース、１１１：位置情報、１１２：蓄電装置判断システム、１１３：電力アシスト判定システム、１１４：第１の判断結果、１１５：第２の判断結果、１１６：電力アシスト決定システム、１１７：判断結果、８０１：車両情報、８０２：電力アシスト判定システム、１００１：車両速度、車両位置で構成される車両情報、１００２：電力アシスト判定システム、１００３：自動列車運転装置つきの車両

Claims (5)

1. 　変電所及び蓄電装置の少なくとも一方を有する複数の電力供給源と、前記電力供給源から電力を受けて走行する車両と、前記車両が走行する路線における前記電力供給源の位置に応じて、当該電力供給源から供給する電力及び前記蓄電装置への充電量を管理する電力管理システムで構成される鉄道システムにおいて、
   　前記電力管理システムは、前記車両から車両位置、車両速度と、該車両が力行中か、惰行中か、あるいは制動中であるかの走行状態を受け取ることによって、前記車両が供給を受ける前記電力供給源に含まれる蓄電装置を決定するとともに、前記車両速度と前記走行状態から、決定された前記蓄電装置からの電力供給の要否を判断し、当該蓄電装置を備えた前記電力供給源にその判断結果を伝達することを特徴とする鉄道システム。
2. 　請求項１の鉄道システムにおいて、
   　前記車両から前記電力管理システムに供給される情報に、当該車両に供給される架線電圧を含み、前記電力管理システムは、この架線電圧を、あらかじめ定められた架線電圧閾値と比較することで、前記電力供給源に含まれる蓄電装置から電力の供給をするかどうかを判断する機能を有することを特徴とする鉄道システム。
3. 　請求項１の鉄道システムにおいて、
   　前記電力管理システムは、路線の制限速度を記憶するデータベースを備え、前記車両位置に基づいて制限速度を求め、制限速度と車両速度の関係、及び、制限速度の変化の関係から、前記電力供給源に含まれる蓄電装置から電力の供給をするかどうかを判断する機能を有することを特徴とする鉄道システム。
4. 　請求項１の鉄道システムにおいて、
   　前記電力管理システムは、車両速度が駅間最高速度の１／３を超えた場合に当該車両に対して、前記電力供給源に含まれる蓄電装置から電力の供給をするかどうかを判断する機能を有することを特徴とする鉄道システム。
5. 　請求項１から４のいずれか一項に記載された鉄道システムにおいて、
   　前記電力管理システムは、前記車両に対して電力供給を行う電力供給源の蓄電装置に対して、当該電力供給源と前記車両の間に、蓄電装置を備えず変電所のみからなる電力供給源が含まれる場合には、前記蓄電装置からの電力供給を禁止するように制御することを特徴とする鉄道システム。

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