Systemy pomiaru energii elektrycznej stosowane w elektrycznych pojazdach kolejowych

GAŁA Marek 1 Systemy pomiaru energii elektrycznej stosowane w elektrycznych pojazdach kolejowych WSTĘP Potrzeba ujednolicenia złożonego systemu kolei europejskiej posiadających 5 systemów zasilania, 5 szerokości torów, 6 skrajni i ponad 20 systemów sterowania [2, 10] doprowadziła do przyjęcia Dyrektywy Rady Europy 9674B/WE z dnia 23 lipca 1996 r. w sprawie interoperacyjności transeuropejskiego systemu kolei dużych prędkości [7] oraz Dyrektywy 2001/16/WE Parlamentu Europejskiego i Rady Europy z dnia 19 marca 2001 r. w sprawie interoperacyjności transeuropejskiego systemu kolei konwencjonalnych [6]. Dyrektywy wprowadziły podział systemu kolei w europie na główne podsystemy odnoszące się do obszarów strukturalnych i eksploatacyjnych oraz dokonały określenia wymagań ogólnych i szczegółowych wraz z przyjęciem Technicznych Specyfikacji Interoperacyjności (TSI). Transeuropejski system kolei stanowią zarówno transeuropejski system kolei konwencjonalnych, jak również system dużych prędkości. Kolejnym krokiem na drodze unifikacji transeuropejskiego systemu kolei oraz zapewnienia nieograniczonego przemieszczania się pojazdów pomiędzy sieciami dużych prędkości oraz sieciami kolei konwencjonalnej stało się wprowadzenie jednej wspólnej Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2008/57/WE z dnia 17 czerwca 2008 r. w sprawie interoperacyjności systemu kolei we Wspólnocie [8], zastępującej dyrektywy [6, 7]. Pojęcie interoperacyjności określa zdolność systemu kolei do zapewnienia bezpiecznego i nieprzerwanego przejazdu pociągów spełniających wymagany stopień wydajności tych linii. Uzależniona jest ona od uwarunkowań prawnych, technicznych oraz operacyjnych, niezbędnych do spełnienia w celu osiągnięcia określonych zasadniczych wymagań. Zgodnie z dyrektywą [8] określone zostały następujące podsystemy strukturalne: infrastruktura, energia, sterowanie urządzenia przytorowe, sterowanie urządzenia pokładowe, tabor. Zarówno w podsystemie energia, jak również w podsystemie tabor, istotną rolę odgrywają układy pomiaru zużycia energii elektrycznej, które realizowane są jako przytorowa część systemu pomiaru zużycia energii elektrycznej (podsystem energia), lecz przede wszystkim powinny stanowić niezbędne pokładowe wyposażenie pojazdów trakcyjnych, pozwalające na realizację pomiaru zużycia energii elektrycznej przez poszczególne jednostki każdego z przewoźników kolejowych z zapewnieniem skutecznego przekazywania danych pomiarowych do systemu ich zdalnej akwizycji i przetwarzania. 1. POMIAR ZUŻYCIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ W ELEKTRYCZNYCH POJAZDACH KOLEJOWYCH Zgodnie z przyjętą przez Komisję Europejską decyzją 2011/291/UE z dnia 26 kwietnia 2011 r. w sprawie technicznej specyfikacji interoperacyjności odnoszącej się do podsystemu Tabor lokomotywy i tabor pasażerski w transeuropejskim systemie kolei konwencjonalnych [3], zainstalowane w pojazdach kolejowych urządzenia pomiarowe służące do rejestracji zużycia energii elektrycznej, muszą być zgodne z wymaganiami zawartymi w załączniku D tejże decyzji zawierającej odpowiednie TSI. Urządzenia te mogą być wykorzystywane do celów rozliczeniowych, a dane, jakich one dostarczają, powinny być przyjmowane do rozliczeń we wszystkich państwach członkowskich (pkt 4.2.8.2.8. [3]). Przyjęta w [3] specyfikacja koresponduje z charakterystyką systemów pomiaru zużycia energii elektrycznej określoną w normie EN 50463 Zastosowania kolejowe Pomiar energii na pokładzie pociągu, powołanej przez CENELC, której aktualna wersja składająca się z pięciu części 1 Politechnika Częstochowska, Wydział Elektryczny; 42-200 Częstochowa; ul. Armii Krajowej 17, tel.: +48 34 3250810, fax: +48 34 3250823, e-mail: m.gala@el.pcz.czest.pl 1404

została ustanowiono w 2012 r. i wprowadzona w Polsce jako norma zharmonizowana w 2013 r. Poszczególne arkusze normy PN EN PN-EN 50463 oprócz postanowień ogólnych zawartych w części 1, odnoszą się do następujących obszarów: pomiar energii, przetwarzanie danych, komunikacja oraz ocena zgodności [16]. W załączniku D decyzji [3] oraz szczegółowo w normie [16] scharakteryzowano wymagania dotyczące pokładowego systemu pomiaru energii elektrycznej EMS (ang. Energy Measuring System) pobieranej z sieci trakcyjnej OCL (ang. Overhead Contact Line) lub zwracanej do sieci trakcyjnej w procesie hamowania przez jednostki trakcyjne, zasilane z zewnętrznego systemu zasilania trakcji elektrycznej, jaki powinien być instalowany w elektrycznych pojazdach kolejowych. System EMS powinien realizować następujące funkcje: pomiar energii EMF (ang. Energy Measurement Function), w tym pomiar napięcia i prądu oraz obliczanie danych dotyczących energii; obróbkę danych pomiarowych przez system DHS (ang. Data Handling System), agregujący dane z EMF z danymi dotyczącymi czasu i położenia geograficznego oraz wyznaczający i rejestrujący szereg danych pomiarowych zawierających rzeczywiste wartości, przygotowane do przesłania za pośrednictwem systemu komunikacji; pokładową funkcję lokalizacji (ang. Onboard Location Function), podającą położenie geograficzne danej jednostki trakcyjnej. Na rysunku 1 przedstawione zostały poszczególne elementy pokładowego systemu pomiaru energii elektrycznej EMS, stanowiącego wyposażenie pojazdu trakcyjnego. System akwizycji danych pomiarowych (DCS) Źródło czasu lokalnego (TFDI) Źródło lokalizacji pojazdu (LFDI) Funkcja pomiaru prądu (CMF) Funkcja pomiaru napięcia (VMF) Funkcja obliczania energii (EMF) Funkcja obliczania energii (EMF) EN 50463-2 (Pomiar energii) System przetwarzania danych (DHS) System pomiaru energii (EMS) EN 50463-1 (Postanowienia ogólne) EN 50463-5 (Ocena zgodności) Pokład pojazdu trakcyjnego System przetwarzania danych (DHS) EN 50463-2 (Pomiar energii) Rys. 1. Elementy pokładowego systemu pomiaru energii elektrycznej EMS [oprac. wł. na podstawie 16] Wymagane jest, by pokładowy system pomiaru energii elektrycznej EMS mierzył energię dostarczaną przez wszystkie systemy trakcji elektrycznej, dla których skonstruowano dany pojazd kolejowy oraz powinien być podłączony w taki sposób, iż cała energia (trakcyjna i pomocnicza) dostarczana do pociągu z OCL i odzyskana była rejestrowana. W przypadku systemu pomiaru energii prądu przemiennego wymagane jest również rejestrowanie energii elektrycznej biernej. Całkowity błąd pomiaru określony w warunkach referencyjnych w przypadku energii czynnej prądu przemiennego nie może przekraczać 1,5%, natomiast w przypadku energii czynnej prądu stałego nie może być większy od 2%. Elementy systemu EMF podlegają zgodnej z prawem kontroli metrologicznej, przy czym dokładność każdego elementu jest badana w warunkach referencyjnych zdefiniowanych w załączniku D decyzji [3], a konfiguracja każdego elementu systemu EMF powinna zostać udokumentowana w ramach kontroli metrologicznej. 1405

System obróbki danych pomiarowych DHS powinien przechowywać dane gotowe do przeniesienia w porządku chronologicznym, stosownie do upływu każdego pięciominutowego okresu czasu referencyjnego przynajmniej z ostatnich 60 dni nieprzerwanej pracy z uwzględnieniem energii zużytej oraz odzyskanej czynnej i biernej (w przypadku systemów AC), łącznie z czasem referencyjnym i danymi dotyczącymi lokalizacji pojazdu oraz jego unikatowego numeru, w tym europejskiego numer pojazdu. Powinna być zachowana możliwość kontroli dzięki funkcji obsługi zapytań składanych przez upoważnionych pracowników znajdujących się w pociągu oraz istniejącym alternatywnym metodom odzyskiwania danych pomiarowych z pamięci systemu obróbki danych. Dane pomiarowe przechowywane w pamięci powinny być zachowane nawet wówczas, gdy system pomiaru energii jest odłączony od swojego zasilania. Funkcja lokalizacji pojazdu powinna zapewniać określenie położenia pojazdu wyrażone jako szerokość i długość geograficzna z dokładnością w terenie otwartym nie gorszą niż 250 m, a dane te powinny podlegać synchronizacji z pokładowym systemem EMF. Jeżeli do celów rozliczeń w danym państwie członkowskim nie jest konieczna funkcja lokalizacji, dopuszczalne jest nieinstalowanie składników związanych z tą funkcją. Jednak w każdym przypadku taki system musi być zaprojektowany z uwzględnieniem ewentualnego korzystania w przyszłości z funkcji lokalizacji pojazdu [3]. Dane z systemu obróbki danych pomiarowych DHS przesyłane są do systemu akwizycji danych pomiarowych DCS (ang. Data Collection System) odpowiedzialnego m.in. za gromadzenie danych pomiarowych wraz informacją o lokalizacji pojazdów i przechowywanie ich w bazie danych, agregację i prezentację danych oraz tworzenie na ich podstawie żądanych raportów i analiz oraz udostępnienie wymaganego zbioru danych upoważnionym uczestnikom rynku energii np. w związku z realizacją zadań niezbędnych ze względu na liberalizację rynku energii elektrycznej oraz zasadą TPA (ang. Third Part Access), pozwalającą przewoźnikom kolejowym na dokonywanie zakupów energii elektrycznej od wybranych przez siebie przedsiębiorstw energetycznych. 2. SYSTEM AKWIZYCJI DANYCH POMIAROWYCH Dane pochodzące z pokładowych systemów pomiaru energii EMS wraz z przypisaną im informacją o lokalizacji pojazdów dzięki systemowi komunikacji trafiają do systemu akwizycji danych pomiarowych DCS (ang. Data Collection System). Ujednolicenie formatu danych pomiarowych generowanych przez systemy EMS zapewnia prawidłowe funkcjonowanie systemu akwizycji tych danych, którego przeznaczeniem jest nie tylko wsparcie operatora systemu dystrybucyjnego OSD w realizacji zadań związanych z rozliczaniem pobranej przez poszczególne pojazdy energii elektrycznej i wyznaczaniem wysokości należnych opłat związanych np. z ewentualnym przekraczaniem mocy umownej, lecz również zapewnienie szerokiego wachlarza narzędzi adresowanych do samych przewoźników i podmiotów zarządzających pojazdami trakcyjnymi. Umożliwia to przewoźnikom dokonywanie rozliczeń na podstawie faktycznie pobranych ilości energii elektrycznej, optymalizację kosztów związanych z użytkowaniem energii elektrycznej, racjonalne zamawianie mocy i energii dla pojazdów trakcyjnych, wybór optymalnej taryfy, promowanie wśród maszynistów ekonomicznej jazdy (ang. eco driving), ewidencję i zarządzanie pojazdami oraz śledzenie ich tras przejazdów, prędkości i ilości energii elektrycznej zużytej na poszczególnych odcinkach i wiele innych. Przykładem systemu akwizycji danych pomiarowych na potrzeby rozliczeń energii elektrycznej pobieranej przez pojazdy trakcyjne jest system Hermes opracowany przez Internet Technologies and Solutions z Warszawy. System ten umożliwia pozyskiwanie danych pomiarowych ze wszystkich systemów EMS użytkowanych w Polsce i oprócz operatora trakcyjnej sieci dystrybucyjnej przedsiębiorstwo PKP Energetyka S.A., użytkowany może być również przez przewoźników kolejowych. Składa się on z siedmiu głównych modułów i umożliwia: pozyskiwanie danych pomiarowych i ich gromadzenie w bazie danych, agregowanie danych w różnych formatach, 1406

prezentację ilości mocy i energii elektrycznej, tworzenie raportów umożliwiających optymalizację zużywanej mocy i energii elektrycznej, prezentację zdarzeń zarejestrowanych przez systemy EMS pojazdów, prezentację zużycia energii elektrycznej na trasie pokonanej przez pojazd trakcyjny wraz z odwzorowaniem jej na mapie [12]. 3. WYMAGANIA PKP ENERGETYKA S.A. DLA URZĄDZEŃ DO POMIARU ENERGII ELEKTRYCZNEJ PRĄDU STAŁEGO Zapewnienie jednolitej funkcjonalności układów pomiarowo-rozliczeniowych energii elektrycznej prądu stałego wdrażanych i użytkowanych w Polsce przez przewoźników kolejowych zostało osiągnięte dzięki opracowaniu szczegółowych wymagań przez krajowego operatora sieci dystrybucyjnej przedsiębiorstwo PKP Energetyka S.A. Aktualne wymagania dla urządzeń do pomiaru energii elektrycznej prądu stałego w pojazdach trakcyjnych zasilanych z sieci PKP Energetyka S.A. zostały określone w załączniku nr 2 do Instrukcji Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej Warunki korzystania, prowadzenia ruchu, eksploatacji i planowania rozwoju sieci, obowiązującej od dnia 1 lutego 2015 r. Niezależnie od wymagań określonych w [3], [13, 14] określają szereg szczegółowych cech funkcjonalnych i technicznych odnoszących się do systemów pomiaru energii EMS znajdujących się w pojazdach trakcyjnych i stanowią uaktualnienie wcześniej obowiązujących wymagań z dnia 22 czerwca 2012 [20] w zakresie zgodności z normą [16]. System pomiaru energii EMS powinien udostępniać co najmniej następujące dane wejściowe [14]: kod identyfikacyjny systemu EMS, 12-cyfrowy kod EVN (ang. European Vehicle Number) służący do identyfikacji pojazdu trakcyjnego, czas i datę z uwzględnieniem UTC+1 i UTC+2 wg Central European Time, stany rejestrów systemu pomiaru energii EMS, wartość energii w bieżącym oraz poprzednich okresach rozliczeniowych, wartość mocy w bieżącym oraz poprzednich okresach rozliczeniowych, lokalizację miejsca odbioru energii CPID (ang. Consumption Point ID), aktualny firmware, wyniki autodiagnostyki polegającej na sprawdzaniu stanu torów pomiarowych oraz łączności pokładowej jednostki centralnej z pozostałymi elementami licznika, wykonywanej przy każdym rozpoczęciu pracy systemu EMS oraz na sygnał żądania wysłany zdalnie lub bezpośrednio z panelu kontrolnego; w przypadku błędów jej wynik powinien zostać zdalnie przekazany do systemu akwizycji danych pomiarowych DCS operatora OSD. informacje o zakłóceniach i awariach (profile zdarzeń). Wymagane jest również zapewnienie odczytu wartości zużytej energii według stanów liczydeł w odpowiedniej strefie czasowej z rozdzielczością do 1 kwh, prezentowane dane powinny być zgodne z kodami EDIS/OBIS, natomiast czas zamykania rekordów danych pomiarowych powinien wynosić 5 minut. Wewnętrzna pamięć systemu EMS powinna umożliwiać przechowywanie danych rozliczeniowych (tj. stanów rejestrów energii elektrycznej pobranej i oddanej, wartości 10 maksymalnych mocy, które wystąpiły w okresie rozliczeniowym) z co najmniej dwunastu ostatnich okresów rozliczeniowych. Natomiast zagregowane w okresie 5 minut wszystkie dane wyjściowe powinny być przechowywane w pamięci systemu EMS przez co najmniej 63 dni [14]. Do systemu EMS powinny zostać doprowadzone następujące sygnały wejściowe zgodnie ze specyfiką systemu EMS przedstawioną na rysunku 1: sygnał napięcia sieci trakcyjnej dla funkcji pomiaru napięcia VMF (ang. Voltage Measurement Function), sygnał całkowitego prądu płynącego w obwodzie zasilającym odbiorniki pojazdu dla funkcji pomiaru prądu CMF (ang. Current Measurement Function), sygnał synchronizacji czasu dla funkcji TFDI systemu DHS (ang. Time Function to DHS Interface), 1407

sygnał lokalizacji pojazdu LFDI systemu DHS (ang. Location Function to DHS Interface). Pomiar napięcia sieci trakcyjnej o napięciu znamionowym wynoszącym w Polsce 3000 V DC dla funkcji pomiaru napięcia VMF realizowany jest za pośrednictwem odpowiednich przetworników pomiarowych (np. dzielników napięcia), których standardowy sygnał wyjściowy zawiera się w granicach od 5 V do 10 V. Natomiast pomiar prądu dla funkcji pomiaru prądu CMF realizowany jest na podstawie standardowego sygnału zawierającego się w granicach 0 10 V, będącego sygnałem wyjściowym z przetwornika prądu (np. bocznika pomiarowego). System EMS musi prawidłowo funkcjonować w zakresie napięć od 2000 V do 3900 V oraz dla prądów zawierających się w przedziale od 10% do 120% wartości prądu nominalnego, dla których maksymalny błąd całego systemu pomiaru energii EMF wraz z uwzględnieniem błędu zastosowanych przetworników napięcia i prądu nie może przekroczyć 2%, natomiast maksymalny błąd systemu EMS nie może przekroczyć 1% [14]. Określanie w sposób ciągły bieżącej lokalizacji pojazdu jest niezbędne w przypadku konieczności rozliczenia oraz bilansowania energii elektrycznej pobranej przez pojazd poruszający się w obszarach zasilanych przez różnych operatorów OSD. Dane pomiarowe przesyłane do systemu akwizycji danych pomiarowych DCS powinny mieć format XML zgodny z normą PN EN 50463-4:2013. Możliwe jest również stosowanie innych formatów równoważnych np. DAT, CSV. System EMS powinien zapewniać zdalną transmisje danych z wykorzystaniem następujących dwóch metod: system akwizycji danych pomiarowych DCS operatora OSD nawiązuje połączenie z systemem EMS wyposażonym w modem komunikacyjny GSM, a następnie prowadzi transmisję i odczyt danych pomiarowych, urządzenie teletransmisyjne systemu przetwarzania danych DHS komunikuje się on-line z EMF, dokonuje akwizycji danych pomiarowych, a po ich agregacji przesyła uzyskane pliki z danymi na określony serwer FTP (ang. File Transfer Protocol) operatora OSD, z którego są pobierane przez serwer systemu akwizycji danych pomiarowych DCS [14]. System EMS powinien umożliwiać prawidłowe funkcjonowanie przy zasilaniu prądem stałym lub zmiennym o częstotliwości od 47 do 63 Hz, natomiast zalecane wartości napięcia zasilającego wynoszą: 24 V DC, 48 V DC, 110 V DC, 220 V DC i 230 V AC. W przypadku braku napięcia zasilającego system EMS powinien umożliwiać przekazywanie danych pomiarowych dzięki zastosowaniu dodatkowego zewnętrznego źródła zasilania zapewniającego podtrzymanie napięcia przez co najmniej 15 minut [14]. Wyświetlacz systemu EMS powinien umożliwiać sekwencyjną lub jednoczesną prezentację nie tylko stanów rejestrów energii oraz mocy maksymalnej z rozdzielczościami odpowiednio 1 kwh i 1 kw, lecz również bieżącą datę i godzinę, kody identyfikacyjne systemu EMS, przewoźnika oraz pojazdu (12-cyfrowy kod EVN), jak również wynik autodiagnostyki i ewentualne stwierdzone awarie i zakłócenia [14]. Przetworniki pomiarowe oraz elementy systemu EMS odpowiedzialne za funkcję pomiaru i wyliczania energii powinny umożliwiać plombowanie. Ponadto system EMS musi spełniać odpowiednie wymagania mechaniczne, cechować się wymaganą odpornością na: zmianę temperatury i wilgotności, ogień, wnikanie ciał obcych oraz przeciążenie wynikające z przekroczenia dopuszczalnego prądowego zakresu pracy. Ponieważ w Polsce nie zostały wprowadzone przepisy regulujące zasady kontroli metrologicznej liczników prądu stałego, dlatego też jedynym sposobem określania dokładności funkcjonowania liczników tego rodzaju jest wzorcowanie przeprowadzane zgodnie z procedurami metrologicznymi opracowanych przez laboratoria pomiarowe wybranych Okręgowych Urzędów Miar [10, 15, 17]. Zgodnie z wprowadzonymi przez PKP Energetyka S.A. wymaganiami dla urządzeń do pomiaru energii elektrycznej prądu stałego użytkowanymi w pojazdach trakcyjnych w Polsce, wymagane jest dokonanie pomiarów dla punktów pomiarowych zestawionych w [14], przy czym sprawdzenie powinno zostać przeprowadzone nie rzadziej niż co 3 lata przez laboratorium posiadające akredytację wydaną przez Polskie Centrum Akredytacji. Sprawdzenie zgodności metrologicznej poświadczane jest właściwym świadectwem wzorcowania. 1408

4. WYBRANE URZĄDZENIA DO POMIARU ENERGII ELEKTRYCZNEJ PRĄDU STAŁEGO STOSOWANE W POJAZDACH TRAKCYJNYCH Większość przewoźników kolejowych w Polsce wdraża lub stosuje już w swoich pojazdach trakcyjnych systemy pomiaru energii elektrycznej EMS. W Polsce użytkowanych jest bez mała 5000 pojazdów trakcyjnych, z których około 1/4 została wyposażona w systemy EMS ze zdalną transmisją danych pomiarowych. Najczęściej stosowane są rozwiązania techniczne dwóch krajowych producentów: ELESTER-PKP Sp. z o.o. oferującej urządzenia typu LE 3000plus oraz firmy SESTO, która posiada w swojej ofercie urządzenia typu EM3000 [1, 5, 9, 10, 18]. Oba rozwiązania techniczne spełniają obowiązujące wymagania zawarte w Decyzji Komisji Europejskiej 2011/291/UE z dnia 26 kwietnia 2011 r. w sprawie technicznej specyfikacji interoperacyjności odnoszącej się do podsystemu Tabor lokomotywy i tabor pasażerski w transeuropejskim systemie kolei konwencjonalnych [3], wymagania normy [16] oraz w wymaganiach PKP Energetyka S.A. dla urządzeń do pomiaru energii elektrycznej prądu stałego [13, 14]. Przykładem systemu pomiaru energii elektrycznej EMS, w strukturze którego zawiera się licznik energii elektrycznej prądu stałego wraz z układem przetworników pomiarowych, obwodami połączeniowymi oraz pomocniczymi, mierzący zarówno energię pobieraną z sieci, jak również oddawaną do sieci, jest urządzenie pomiarowe typu EM3000. Składa się ono z dwóch zasadniczych części połączonych ze sobą światłowodem: wysokonapięciowej oraz komunikacyjnej fotografia 1. Schemat podłączonych elementów systemu EMS na pokładzie pojazdu trakcyjnego przedstawiony został na rysunku 2. Sygnał napięciowy wprost proporcjonalny do sygnału całkowitego prądu niezbędny dla prawidłowej realizacji funkcji pomiaru prądu CMF pochodzi z bocznika pomiarowego zamontowanego na izolatorach, na płycie montażowej z osłoną umożliwiającą jej plombowanie lub w odpowiedniej obudowie przystosowanej do plombowania. Dane pomiarowe prezentowane są na wyświetlaczu części komunikacyjnej (niskonapięciowej), która jest galwanicznie odseparowana od potencjału sieci trakcyjnej dzięki połączeniu światłowodowemu z częścią pomiarową (wysokonapięciową). Część komunikacyjna wyposażona jest w interfejsy RS232/485 pozwalające na lokalny odczyt danych pomiarowych z systemu. Do transmisji zdalnej danych pomiarowych rejestrowanych w plikach formatu CSV, wykorzystywany jest modem GPRS zainstalowany również w obudowie części niskonapięciowej. Komunikacja realizowana jest zgodnie z wymaganiami normy IEC62056-21 w trybie C z możliwością pracy również w trybie zdalnego programowania, zapewniającego nie tylko odczyt wartości dowolnego rejestru, lecz również modyfikację rejestrów konfiguracyjnych i aktualizację firmware u części komunikacyjnej systemu EMS. System EMS posiada wbudowany odbiornik GPS umożliwiający lokalizację pojazdu oraz synchronizację czasu. Napięcie zasilania w wersji standardowej zawiera się w granicach U z = 50 176 V DC. Klasa dokładności systemu pomiarowego (licznik + bocznik) wynosi 1,1. [5]. a) b) Fot. 1. Część: a) wysokonapięciowa (pomiarowa) oraz b) niskonapięciowa (komunikacyjna) licznika EM3000 [5] Na rysunku 2 przedstawiony został schematycznie sposób podłączenia elementów systemu EMS znajdujących się na pokładzie pojazdu trakcyjnego. 1409

3 kv P1 O1 O2 P2 IP OZ OG WS Bocznik pomiarowy kl. 0,5 Część pomiarowa WN Połączenie światłowodowe Anteny GSM/GPS Część komunikacyjna nn Interfejsy komunikacyjne Odbiory znajdujące się na pokładzie pojazdu F1 F2 Rys. 2. Ogólny schemat podłączenia elementów systemu EMS znajdujących się na pokładzie pojazdu trakcyjnego: P1, P2 pantografy wraz z odłącznikami O1, O2; IP izolator przepustowy obwodu głównego; OZ odgromnik zaworowy; OG odłącznik główny, WS wyłącznik szybki; F1 bezpiecznik części pomiarowej WN, F2 wyłącznik instalacyjny [oprac. wł. na podstawie [5, 18]] Uz 5. ROZLICZENIA ZA ENERGIĘ ELEKTRYCZNĄ POBIERANĄ PRZEZ POJAZDY TRAKCYJNE Zasady rozliczeń za dostarczaną energię elektryczną do pojazdów trakcyjnych zasilanych z sieci PKP Energetyka S.A. określa aktualna taryfa tego przedsiębiorstwa energetycznego. Pojazdy wyposażone w pokładowe systemy EMS mogą być rozliczane zgodnie z jedną z następujących taryf: jednostrefową Bt21L lub trójstrefową Bt23L, choć faktycznie stawki opłat dystrybucyjnych w obu taryfach (za wyjątkiem opłaty abonamentowej) są jednakowe [19]. Jednak większość pojazdów trakcyjnych użytkowanych w naszym kraju nie została jeszcze wyposażona w odpowiednie systemy EMS. W takich przypadkach ilość pobieranej przez nie energii elektrycznej określana jest na podstawie wskaźników jednostkowego zużycia energii elektrycznej i rozliczana w oparciu o pracę przewozową w taryfie Bt21. Z doświadczeń European Railway Energy Settlement System ERESS, w skład którego wchodzą przedstawiciele m.in. Danii, Szwecji Belgii, Norwegii i Finlandii wynika, iż wdrożenie sytemu rozliczeń energii elektrycznej w oparciu o dane pomiarowe rejestrowane przez systemy pomiaru energii elektrycznej w pojazdach trakcyjnych prowadzi do kilkunastoprocentowej redukcji kosztów użytkowania energii elektrycznej przez pojazdy trakcyjne [4]. Również krajowi przewoźnicy wdrażają, użytkują lub podejmują działania analityczne, których celem jest określenie skutków ekonomicznych zmiany sposobu rozliczeń ze statystycznej, wykorzystującej wskaźniki charakteryzujące pracę przewozową na rozliczanie oparte na rzeczywistych ilościach energii elektrycznej rejestrowanych przez systemy EMS. W tabeli 1 przedstawione zostało zestawienie tabelaryczne, stanowiące porównanie ilości energii elektrycznej określonych na podstawie wskaźników zużycia energii elektrycznej charakteryzujących rodzaj pracy przewozowej oraz wskazań układów pomiarowych zainstalowanych w lokomotywach użytkowanych przez PKP Cargo S.A. dla wybranych tras, kierunków jazdy oraz masy brutto pociągów. 1410

Tab. 1. Porównanie ilości energii elektrycznej określonych na podstawie wskaźników zużycia energii elektrycznej charakteryzujących rodzaj pracy przewozowej oraz wskazań układów pomiarowych zainstalowanych w pojazdach lokomotywach użytkowanych przez PKP Cargo S.A. [oprac. wł. na podstawie [11]] Trasa przejazdu pociągu Długość trasy [km] Masa brutto pociągu [tony] Praca [btkm]* Jednostkowy wskaźnik zużycia energii elektrycznej [kwh/10 3 btk m] Szacunkowa ilość energii elektrycznej [kwh] Zmierzona ilość energii elektrycznej [kwh] Błąd względny oszacowania ilości energii [%] Trasa A-B 56 248 13888 9,4 130,55 522-75,0 Trasa C-A 53 1520 80560 12,9 1039,22 1028 1,1 Trasa A-C 53 1972 104516 12,9 1348,26 743 81,5 Trasa C-A 53 1642 87026 12,9 1122,64 854 31,5 Trasa A-C 53 1882 99746 9,4 937,61 1108-15,4 Trasa D-E 134 522 69948 9,4 657,51 1624-59,5 Trasa E-D 134 1364 182776 9,4 1718,09 1287 33,5 Trasa C-G 33 513 16929 11,3 191,30 244-21,6 * btkm bruttotonokilometry Z danych przedstawionych w tabeli 1 wynika, iż sama instalacji systemów EMS i rezygnacja z dotychczasowych rozliczeń na podstawie pracy przewozowej nie zagwarantuje automatycznej redukcji kosztów związanych z użytkowaniem energii elektrycznej na cele trakcyjne. Bowiem na ostateczny efekt ekonomiczny składa się wiele czynników, do których należą m.in.: profil trasy, rodzaj składu, lecz przede wszystkim styl jazdy maszynisty. Przeszkolenie maszynistów oraz wprowadzenie odpowiednich mechanizmów motywacyjnych mających na celu promowanie ekonomicznej jazdy jest jednym z głównych czynników umożliwiających ograniczenie ilości energii pobieranej przez pojazdy trakcyjne. Instalacja systemów EMS w pojazdach jest również niezbędnym krokiem na drodze skorzystania z możliwości, jakie daje odbiorcom liberalizacja rynku energii elektrycznej i możliwość zmiany sprzedawcy energii elektrycznej, a nawet skorzystanie z oferty dotychczasowego przedsiębiorstwa energetycznego, lecz według cen ustalonych w postępowaniu przetargowym, w którym mogli złożyć swoje oferty również inni sprzedawcy energii. Jak wynika z doświadczeń Kolei Mazowieckich, po zainstalowaniu w 2010 r. układów pomiarowych w 231 pojazdach i zmianie sposobu rozliczania energii elektrycznej, już w 2011 r. przewoźnikowi udało się zmniejszyć opłaty za energie trakcyjną o ponad 14 mln zł [1]. WNIOSKI Instalacja systemów pomiaru energii elektrycznej EMS w pojazdach trakcyjnych stanowi skuteczną metodę redukcji opłat związanych z pobieraną energią elektryczną na cele trakcyjne. Jest również niezbędnym elementem pozwalającym przewoźnikom kolejowym na skorzystanie z mechanizmów zliberalizowanego rynku energii elektrycznej, umożliwiających zmianę dotychczasowego sprzedawcy energii, a także rozliczanie energii oddawanej do sieci podczas pracy rekuperacyjnej w trakcie hamowania pojazdu. Opracowane przez PKP Energetyka S.A. wymagania dla urządzeń do pomiaru energii elektrycznej prądu stałego są zgodne z jednolitymi technicznymi wymaganiami wprowadzonymi we wszystkich krajach Unii Europejskiej oraz wymaganiami normy europejskiej EN 50463 Zastosowania kolejowe Pomiar energii na pokładzie pociągu i pozwalają na dokonywanie rozliczeń pomiędzy operatorem infrastruktury trakcyjnej a przewoźnikami kolejowymi na podstawie rzeczywistych ilości energii elektrycznej pobieranej przez pojazdy trakcyjne oraz ich faktycznego zapotrzebowania na moc. Streszczenie W artykule scharakteryzowano pokładowe systemy pomiaru energii elektrycznej stosowane w elektrycznych pojazdach kolejowych spełniające wymagania interoperacyjności systemu kolei w krajach 1411

Unii Europejskiej oraz normy EN 50463:2012. Przedstawiono budowę systemów akwizycji danych pomiarowych niezbędnych do rozliczeń energii elektrycznej pobieranej przez pojazdy trakcyjne. Omówiono aktualne wymagania dla urządzeń do pomiaru energii elektrycznej prądu stałego opracowane przez PKP Energetyka oraz przykładowe rozwiązania techniczne stosowane w pojazdach trakcyjnych użytkowanych w Polsce. Słowa kluczowe: systemy pomiaru energii elektrycznej, elektryczne pojazdy kolejowych, interoperacyjność taboru kolejowego Energy measuring systems applied in electric traction vehicles Abstract The article describes onboard energy measuring systems applied in electric traction vehicles meeting the requirements of the rail system interoperability in the EU countries and of the EN 50463:2012 standard. The structure of the measurement data acquisition systems necessary to calculate electric energy consumed by traction vehicles has been presented. Furthermore, the article describes current requirements for the equipment for measuring direct current energy developed by PKP Energetyka as well as exemplary technical solutions applied in the traction vehicles used in Poland. Keywords: energy measuring systems, electric traction vehicles, interoperability of the rail system BIBLIOGRAFIA 1. Brzozowski A.: Kontrakty pod napięciem. Kurier Kolejowy, nr 14, 13.07.2014 r., s. 14-16 2. Cichy R., Tomaszewski F.: Wymagania Wspólnoty Europejskiej w zakresie interoperacyjności taboru kolejowego. Mechanika. Czasopismo Techniczne, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, 7-M/2012, s. 63-70 3. Decyzja Komisji Europejskiej 2011/291/UE z dnia 26 kwietnia 2011 r. w sprawie technicznej specyfikacji interoperacyjności odnoszącej się do podsystemu Tabor lokomotywy i tabor pasażerski w transeuropejskim systemie kolei konwencjonalnych 4. Dischington S.: European Railway Energy Settlement System (ERESS) Building common European solutions. UIC Energy Efficiency Conference 2009, p. 1-17 5. Dokumentacja techniczno-ruchowa. Licznik energii elektrycznej prądu stałego EM3000. SESTO Sp. z o.o., Łódź, luty 2013, s. 1-27 6. Dyrektywa 2001/16/WE Parlamentu Europejskiego i Rady Europy z dnia 19 marca 2001 r. w sprawie interoperacyjności transeuropejskiego systemu kolei konwencjonalnych 7. Dyrektywa Rady Europy 9674B/WE z dnia 23 lipca 1996 r. w sprawie interoperacyjności transeuropejskiego systemy kolei dużych prędkości 8. Dyrektywy Parlamentu Europejskiego i Rady 2008/57/WE z dnia 17 czerwca 2008 r. w sprawie interoperacyjności systemu kolei we Wspólnocie 9. Energia pod kontrolą. Kurier Kolejowy, 17/3264, 25 sierpnia 2013 10. Gała M. Układy pomiarowo-rozliczeniowe energii elektrycznej w taborze transeuropejskiego systemu kolei dużych prędkości oraz kolei konwencjonalnych. Śląskie Wiadomości Elektryczne, nr 6 (117) z 2014 r., s. 23-27 11. Gawłowski K.: Doświadczenia PKP CARGO S.A. w zakresie prób eksploatacyjnych liczników energii elektrycznej w lokomotywach. Transport i Komunikacja, 3/2009, s. 32-33 12. Hermes system pozyskiwania i przetwarzania danych pomiarowych z liczników energii elektrycznej prądu stałego. Internet Technologies and Solutions, http://www.itas.pl/hermes.phtml 13. Instrukcja Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej. Warunki korzystania, prowadzenia ruchu, eksploatacji i planowania rozwoju sieci. PKP Energetyka S.A. Warszawa, tekst obowiązujący od dnia 1 lutego 2015 r. 14. Karta aktualizacji nr 1/2015 Instrukcji Ruchu i Eksploatacji Sieci Dystrybucyjnej PKP Energetyka S.A., Warszawa, 05.02.2015 r., s. 1-17 15. Kaźmierski M.: Metody sprawdzania liczników energii elektrycznej prądu przemiennego i stałego. V Kongres Metrologii 2010, Łódź, 6-8 września 2010, s. 1-3 1412

16. Norma PN-EN 50463-1:2013 Zastosowania kolejowe Pomiar energii na pokładzie pociągu. Część 1 Część 5 17. Otomański P., Zazula P.: Stanowisko pomiarowe do oceny właściwości metrologicznych liczników energii elektrycznych prądu stałego. Pomiary Automatyka Kontrola, Vol. 58, 9/2012, s. 764-765 18. System pomiarowy energii prądu stałego. Licznik LE 3000plus. System Falko. ELESTER-PKP Sp. z o.o., Łódź, 2014 19. Taryfa dla energii elektrycznej. PKP Energetyka S.A. Warszawa, 2014, s. 1-70 oraz Zmiana taryfy dla energii elektrycznej. PKP Energetyka S.A.2014 zatwierdzona decyzją Prezesa URE z dnia 17.12.2014 r., s. 3 20. Wymagania PKP Energetyka S.A. dla urządzeń do pomiaru energii elektrycznej prądu stałego Załącznik do Decyzji Nr 40./ET Członka Zarządu PKP Energetyka S.A. Dyrektora Technicznego z dnia 22 czerwca 2012 r., s. 1-12 1413