标题 | 基于FSK的ZPW?2000A轨道电路仿真研究 |
范文 | 陈姝姝 田慕琴 宋建成 煤矿电气设备与智能控制山西省重点实验室, 山西 太原 030024) 摘 要: 针对轨道电路故障数据难以获得的问题,依据均匀传输线和电路二端口网络理论,在ATP?EMTP仿真软件中建立了ZPW?2000A轨道电路的室外轨道线路模型。对移频信号在轨道电路中的时域、频域传输特点进行了分析,提出将功率谱熵作为轨道电路故障特征量的方法,为实现轨道电路的在线故障诊断奠定了基础。 关键词: 轨道电路; 移频键控; ATP?EMTP; 功率谱熵; 故障数据; 特征量 中图分类号: TN47?34; U284.2 文献标识码: A 文章编号: 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轨道电路作为铁路运输的基础安全设备,已被确立为今后铁路发展的统一制式。然而其使用环境复杂,利用钢轨作为导线传输信号,容易受外界因素的干扰,常出现故障,成为影响铁路系统运行安全性、可靠性的关键因素。现场的维护措施有:人工巡检、信号集中监测系统、电务检测车[1]。然而目前存在的问题:一是监测对象不全面;二是实际的轨道电路故障数据难以获得[2]。若在实际线路上对轨道电路进行测试,成本高而且参数条件不易实现,无法满足科研工程的需求。因此近年来国内外学者运用仿真对轨道电路进行研究。文献[3]在Simulink中搭建了轨道电路的仿真模型,模型较为复杂。文献[4?5]都在EMTP中建立了轨道电路的仿真模型:文献[4]用LCC模型代替鋼轨,而LCC一般等效架空线路或电缆;文献[5]中钢轨所用的CP模型针对的也是电力输电线路。二者均将发送端的移频信号简化为普通正弦信号。 针对以上存在的问题,本文提出运用集中参数模型等效钢轨线路,在ATP?EMTP中搭建了ZPW?2000A轨道电路室外轨道线路的仿真模型,为轨道电路的优化设计和故障诊断提供有力的支撑。1 ZPW?2000A轨道电路 ZPW?2000A无绝缘轨道电路从发送端至接收端分别由发送器、发送电缆、发送端匹配变压器、轨道线路、接收端匹配变压器、接收电缆、衰耗器和接收器等组成。 ZPW?2000A轨道电路室外部分主要是轨道线路,包括发送端调谐区、主轨道线路以及接收端调谐区。室外轨道线路占轨道电路的大部分,出现故障的概率较大,因此本文主要对此进行仿真研究。2 轨道传输模型 2.1 钢轨线路模型 钢轨线路的参数具有沿线均匀分布的特性,因此可运用均匀传输线理论对其进行分析。钢轨线路一般用分布参数模型来等效,将其划分为很多小段,每段又可以用集总参数模型来等效。设单节钢轨的长度为r(m),则长度为l(m)的钢轨线路[7]可被均匀地分成n节。单节钢轨传输线的模型如图1所示。 图1中:[Z0=R0=jωL0],[Z1=Z01 000·r],R0为单位长度钢轨电阻(单位:Ω/km),L0为单位长度钢轨电感(单位:mH/km);[Z2=1G0·1 000r],[G0]为单位长度的道砟泄漏电导(单位:S/km)。由于钢轨互感、互导、轨间泄露电容等参数的值非常小,对信号传输的影响很小,因此一般忽略这些参数。 2.2 补偿单元模型 ZPW?2000A轨道电路每隔一定距离都安装有补偿电容,原因是钢轨在高频信号下呈感性,加装补偿电容可使钢轨线路总体趋于阻性,从而延长信号的传输距离。补偿电容采用等间距布置:线路中的补偿电容以间距lc布置;靠近调谐单元处的补偿电容以间距[lc2]布置[8]。补偿电容模型如图2所示。图2中,[Zy]为钢包铜引接线的阻抗;[Cb]为补偿电容值(?F);[lc]为补偿电容间距(m)。 2.3 调谐区模型 调谐区又称电气绝缘节,长29 m,在两端各设一调谐单元(下面称BA)。对较低频率的轨道电路(1 700 Hz,2 000 Hz)端,BA1表现为“零阻抗”Z0,等效阻抗为35 mΩ;对较高频率的轨道电路(2 300 Hz,2 600 Hz)端,BA2表现为“极阻抗”Zj,等效阻抗为2 Ω。以上两方面共同作用,就可避免信号越区传播。ZSVA为空芯线圈的等效阻抗,起平衡电位的作用[8]。调谐区的等效电路模型见图3。 3 轨道线路仿真模型 3.1 仿真参数说明 ATP?EMTP是电磁暂态分析软件。该软件可以求解集中参数的线性和非线性电阻、电感、电容电路。凡是可以用电路来模拟的系统均可以用此软件来计算。它的优点是规模大、功能强、建模方便快捷、模拟真实[9]。 为了对轨道电路进行分析,可将其抽象成电阻、电感、电容等基本元件构成的电路。由于只关心移频信号在轨道上的传输过程,因此省略了电缆、匹配变压器等模块。本模型中的发送端、接收端的电压代表实际中的送端轨面电压、受端轨面电压。仿真参数设置如下:发送信号幅值1.83 V,载频1 700 Hz,低频10.3 Hz,频偏11 Hz;轨道电路长354 m,钢轨单位电阻1.54 Ω/km,单位电感1.26 mH/km,道砟电阻0.25 Ω/km,补偿电容55 μF(4个);BA1电感33.3 μH、电容124 μF,SVA电感33 μH、电阻25 mΩ,BA2电感88 μH、电容90.9 μF,254 μF。图4为ZPW?2000A轨道线路的EMTP仿真模型。 3.2 仿真结果及分析 正常状态时,运行EMTP仿真模型可以得到的各端电压幅值包络如图5所示。由图5可知,发送端发出的移频信号主要传送至主轨接收端,小轨接收端只能接收到非常微弱的信号。图5中的各端电压幅值符合轨道电路调整表[6]。调整表是现场的轨道电路进行参数调整的唯一合法依据,其实际配置必须与调整表规定一致。由此可知轨道电路EMTP模型的建立具有较高的准确性,可作为研究轨道电路的一种依据。移频信号在频域呈单峰特点,载频处幅值最大,载频两侧边频以载频谱线为轴呈对称分布,其中一次边频幅值最大。载频与一次边频间的频率间隔即为移频信号的低频调制频率。各端信号频谱如图6所示。 由图6可得,移频信号载频为1 700 Hz,低频为10.3 Hz,说明建立的移频信号准确无误,也说明正常状态时,移频信号经过轨道传输后其幅值会减小,但频率特征不会改变。轨道电路是一种非线性耦合系统,当其出现故障时可能导致电路结构和电路耦合变化,从而导致其中的传输信号:移频信号发生变化,给故障诊断提供故障特征。功率谱熵可表征铁路移频信号的谱型结构情况[10]。移频信号能量在整个频率范围内分布得越均匀,信号越复杂,谱熵越大。图7为轨道电路不同故障时的功率谱熵分布图。 由图7可得:低频调制频率越大,谱线分布越集中,功率谱熵越小;轨道电路故障时的功率谱熵较正常状态时均会变大,其中短路故障对移频信号功率谱图造成的波形畸变最为严重。因此,可以将移频信号功率谱熵作为轨道电路故障诊断的故障特征量。4 结 语 本文依据均匀传输线理论建立了ZPW?2000A轨道线路各部分的二端口网络电路模型,并在ATP?EMTP中搭建了相应的仿真模型,其可作为研究轨道电路的一種依据。对移频信号在ZPW?2000A轨道电路中的时域、频域传输特点进行了分析。研究了轨道电路不同故障状态时的功率谱熵分布,提出了选用移频信号功率谱熵作为轨道电路故障特征量的方法,为轨道电路的故障诊断提供了新的思路。 参考文献 [1] MILLAR A H, LINDSAY A. 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