基于FSK的ZPW?2000A軌道電路仿真研究

陳姝姝 田慕琴 宋建成

煤礦電氣設(shè)備與智能控制山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030024）

摘 要： 針對(duì)軌道電路故障數(shù)據(jù)難以獲得的問(wèn)題，依據(jù)均勻傳輸線(xiàn)和電路二端口網(wǎng)絡(luò)理論，在A(yíng)TP?EMTP仿真軟件中建立了ZPW?2000A軌道電路的室外軌道線(xiàn)路模型。對(duì)移頻信號(hào)在軌道電路中的時(shí)域、頻域傳輸特點(diǎn)進(jìn)行了分析，提出將功率譜熵作為軌道電路故障特征量的方法，為實(shí)現(xiàn)軌道電路的在線(xiàn)故障診斷奠定了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 軌道電路； 移頻鍵控； ATP?EMTP； 功率譜熵； 故障數(shù)據(jù)； 特征量

中圖分類(lèi)號(hào)： TN47?34； U284.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2018）20?0057?03

Abstract： Since the fault data of the track circuit is difficult to be obtained， the outdoor track line model of the ZPW?2000A track circuit was established by using the ATP?EMTP simulation software based on the theories of uniform transmission line and two?port circuit network. The time?domain and frequency?domain transmission characteristics of the frequency shift signal in the track circuit are analyzed. The method of taking the power spectrum entropy as the fault feature quantity of the track circuit is proposed， which lays a foundation for realizing online fault diagnosis of the track circuit.

Keywords： track circuit； FSK； ATP?EMTP； power spectrum entropy； fault data； feature quantity

ZPW?2000A軌道電路作為鐵路運(yùn)輸?shù)幕A(chǔ)安全設(shè)備，已被確立為今后鐵路發(fā)展的統(tǒng)一制式。然而其使用環(huán)境復(fù)雜，利用鋼軌作為導(dǎo)線(xiàn)傳輸信號(hào)，容易受外界因素的干擾，常出現(xiàn)故障，成為影響鐵路系統(tǒng)運(yùn)行安全性、可靠性的關(guān)鍵因素。現(xiàn)場(chǎng)的維護(hù)措施有：人工巡檢、信號(hào)集中監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、電務(wù)檢測(cè)車(chē)[1]。然而目前存在的問(wèn)題：一是監(jiān)測(cè)對(duì)象不全面；二是實(shí)際的軌道電路故障數(shù)據(jù)難以獲得[2]。若在實(shí)際線(xiàn)路上對(duì)軌道電路進(jìn)行測(cè)試，成本高而且參數(shù)條件不易實(shí)現(xiàn)，無(wú)法滿(mǎn)足科研工程的需求。因此近年來(lái)國(guó)內(nèi)外學(xué)者運(yùn)用仿真對(duì)軌道電路進(jìn)行研究。文獻(xiàn)[3]在Simulink中搭建了軌道電路的仿真模型，模型較為復(fù)雜。文獻(xiàn)[4?5]都在EMTP中建立了軌道電路的仿真模型：文獻(xiàn)[4]用LCC模型代替鋼軌，而LCC一般等效架空線(xiàn)路或電纜；文獻(xiàn)[5]中鋼軌所用的CP模型針對(duì)的也是電力輸電線(xiàn)路。二者均將發(fā)送端的移頻信號(hào)簡(jiǎn)化為普通正弦信號(hào)。

針對(duì)以上存在的問(wèn)題，本文提出運(yùn)用集中參數(shù)模型等效鋼軌線(xiàn)路，在A(yíng)TP?EMTP中搭建了ZPW?2000A軌道電路室外軌道線(xiàn)路的仿真模型，為軌道電路的優(yōu)化設(shè)計(jì)和故障診斷提供有力的支撐。

1 ZPW?2000A軌道電路

ZPW?2000A無(wú)絕緣軌道電路從發(fā)送端至接收端分別由發(fā)送器、發(fā)送電纜、發(fā)送端匹配變壓器、軌道線(xiàn)路、接收端匹配變壓器、接收電纜、衰耗器和接收器等組成。

ZPW?2000A軌道電路室外部分主要是軌道線(xiàn)路，包括發(fā)送端調(diào)諧區(qū)、主軌道線(xiàn)路以及接收端調(diào)諧區(qū)。室外軌道線(xiàn)路占軌道電路的大部分，出現(xiàn)故障的概率較大，因此本文主要對(duì)此進(jìn)行仿真研究。

2 軌道傳輸模型

2.1 鋼軌線(xiàn)路模型

鋼軌線(xiàn)路的參數(shù)具有沿線(xiàn)均勻分布的特性，因此可運(yùn)用均勻傳輸線(xiàn)理論對(duì)其進(jìn)行分析。鋼軌線(xiàn)路一般用分布參數(shù)模型來(lái)等效，將其劃分為很多小段，每段又可以用集總參數(shù)模型來(lái)等效。設(shè)單節(jié)鋼軌的長(zhǎng)度為r（m），則長(zhǎng)度為l（m）的鋼軌線(xiàn)路[7]可被均勻地分成n節(jié)。單節(jié)鋼軌傳輸線(xiàn)的模型如圖1所示。

圖1中：[Z0=R0=jωL0]，[Z1=Z01 000·r]，R0為單位長(zhǎng)度鋼軌電阻（單位：Ω/km），L0為單位長(zhǎng)度鋼軌電感（單位：mH/km）；[Z2=1G0·1 000r]，[G0]為單位長(zhǎng)度的道砟泄漏電導(dǎo)（單位：S/km）。由于鋼軌互感、互導(dǎo)、軌間泄露電容等參數(shù)的值非常小，對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懞苄?，因此一般忽略這些參數(shù)。

2.2 補(bǔ)償單元模型

ZPW?2000A軌道電路每隔一定距離都安裝有補(bǔ)償電容，原因是鋼軌在高頻信號(hào)下呈感性，加裝補(bǔ)償電容可使鋼軌線(xiàn)路總體趨于阻性，從而延長(zhǎng)信號(hào)的傳輸距離。補(bǔ)償電容采用等間距布置：線(xiàn)路中的補(bǔ)償電容以間距l(xiāng)c布置；靠近調(diào)諧單元處的補(bǔ)償電容以間距[lc2]布置[8]。補(bǔ)償電容模型如圖2所示。圖2中，[Zy]為鋼包銅引接線(xiàn)的阻抗；[Cb]為補(bǔ)償電容值（?F）；[lc]為補(bǔ)償電容間距（m）。

2.3 調(diào)諧區(qū)模型

調(diào)諧區(qū)又稱(chēng)電氣絕緣節(jié)，長(zhǎng)29 m，在兩端各設(shè)一調(diào)諧單元（下面稱(chēng)BA）。對(duì)較低頻率的軌道電路（1 700 Hz，2 000 Hz）端，BA1表現(xiàn)為“零阻抗”Z0，等效阻抗為35 mΩ；對(duì)較高頻率的軌道電路（2 300 Hz，2 600 Hz）端，BA2表現(xiàn)為“極阻抗”Zj，等效阻抗為2 Ω。以上兩方面共同作用，就可避免信號(hào)越區(qū)傳播。ZSVA為空芯線(xiàn)圈的等效阻抗，起平衡電位的作用[8]。調(diào)諧區(qū)的等效電路模型見(jiàn)圖3。

3 軌道線(xiàn)路仿真模型

3.1 仿真參數(shù)說(shuō)明

ATP?EMTP是電磁暫態(tài)分析軟件。該軟件可以求解集中參數(shù)的線(xiàn)性和非線(xiàn)性電阻、電感、電容電路。凡是可以用電路來(lái)模擬的系統(tǒng)均可以用此軟件來(lái)計(jì)算。它的優(yōu)點(diǎn)是規(guī)模大、功能強(qiáng)、建模方便快捷、模擬真實(shí)[9]。

為了對(duì)軌道電路進(jìn)行分析，可將其抽象成電阻、電感、電容等基本元件構(gòu)成的電路。由于只關(guān)心移頻信號(hào)在軌道上的傳輸過(guò)程，因此省略了電纜、匹配變壓器等模塊。本模型中的發(fā)送端、接收端的電壓代表實(shí)際中的送端軌面電壓、受端軌面電壓。仿真參數(shù)設(shè)置如下：發(fā)送信號(hào)幅值1.83 V，載頻1 700 Hz，低頻10.3 Hz，頻偏11 Hz；軌道電路長(zhǎng)354 m，鋼軌單位電阻1.54 Ω/km，單位電感1.26 mH/km，道砟電阻0.25 Ω/km，補(bǔ)償電容55 μF（4個(gè)）；BA1電感33.3 μH、電容124 μF，SVA電感33 μH、電阻25 mΩ，BA2電感88 μH、電容90.9 μF，254 μF。圖4為ZPW?2000A軌道線(xiàn)路的EMTP仿真模型。

3.2 仿真結(jié)果及分析

正常狀態(tài)時(shí)，運(yùn)行EMTP仿真模型可以得到的各端電壓幅值包絡(luò)如圖5所示。由圖5可知，發(fā)送端發(fā)出的移頻信號(hào)主要傳送至主軌接收端，小軌接收端只能接收到非常微弱的信號(hào)。圖5中的各端電壓幅值符合軌道電路調(diào)整表[6]。調(diào)整表是現(xiàn)場(chǎng)的軌道電路進(jìn)行參數(shù)調(diào)整的唯一合法依據(jù)，其實(shí)際配置必須與調(diào)整表規(guī)定一致。由此可知軌道電路EMTP模型的建立具有較高的準(zhǔn)確性，可作為研究軌道電路的一種依據(jù)。移頻信號(hào)在頻域呈單峰特點(diǎn)，載頻處幅值最大，載頻兩側(cè)邊頻以載頻譜線(xiàn)為軸呈對(duì)稱(chēng)分布，其中一次邊頻幅值最大。載頻與一次邊頻間的頻率間隔即為移頻信號(hào)的低頻調(diào)制頻率。各端信號(hào)頻譜如圖6所示。

由圖6可得，移頻信號(hào)載頻為1 700 Hz，低頻為10.3 Hz，說(shuō)明建立的移頻信號(hào)準(zhǔn)確無(wú)誤，也說(shuō)明正常狀態(tài)時(shí)，移頻信號(hào)經(jīng)過(guò)軌道傳輸后其幅值會(huì)減小，但頻率特征不會(huì)改變。軌道電路是一種非線(xiàn)性耦合系統(tǒng)，當(dāng)其出現(xiàn)故障時(shí)可能導(dǎo)致電路結(jié)構(gòu)和電路耦合變化，從而導(dǎo)致其中的傳輸信號(hào)：移頻信號(hào)發(fā)生變化，給故障診斷提供故障特征。功率譜熵可表征鐵路移頻信號(hào)的譜型結(jié)構(gòu)情況[10]。移頻信號(hào)能量在整個(gè)頻率范圍內(nèi)分布得越均勻，信號(hào)越復(fù)雜，譜熵越大。圖7為軌道電路不同故障時(shí)的功率譜熵分布圖。

由圖7可得：低頻調(diào)制頻率越大，譜線(xiàn)分布越集中，功率譜熵越小；軌道電路故障時(shí)的功率譜熵較正常狀態(tài)時(shí)均會(huì)變大，其中短路故障對(duì)移頻信號(hào)功率譜圖造成的波形畸變最為嚴(yán)重。因此，可以將移頻信號(hào)功率譜熵作為軌道電路故障診斷的故障特征量。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文依據(jù)均勻傳輸線(xiàn)理論建立了ZPW?2000A軌道線(xiàn)路各部分的二端口網(wǎng)絡(luò)電路模型，并在A(yíng)TP?EMTP中搭建了相應(yīng)的仿真模型，其可作為研究軌道電路的一種依據(jù)。對(duì)移頻信號(hào)在ZPW?2000A軌道電路中的時(shí)域、頻域傳輸特點(diǎn)進(jìn)行了分析。研究了軌道電路不同故障狀態(tài)時(shí)的功率譜熵分布，提出了選用移頻信號(hào)功率譜熵作為軌道電路故障特征量的方法，為軌道電路的故障診斷提供了新的思路。

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