基于Simulink的ZPW-2000型多段軌道電路仿真設(shè)計

郝 賓，余 躍，王運(yùn)明

(大連交通大學(xué)電氣信息工程學(xué)院，大連 116028)

引言

ZPW-2000型無絕緣軌道電路是鐵路信號系統(tǒng)的重要設(shè)備之一，具有列車占用情況檢測、完整性檢查和向列車傳輸行車信息等功能，廣泛應(yīng)用于鐵路工程中。ZPW-2000軌道電路具有結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)，惡劣環(huán)境運(yùn)行易發(fā)生故障并影響行車安全和運(yùn)輸效率[1]。軌道電路仿真設(shè)計是故障分析的重要手段，可為列車可靠運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

近年來，部分學(xué)者開展了ZPW-2000軌道電路的建模與仿真研究。董昱[2]提出基于粗糙集和模糊認(rèn)知圖的ZPW-2000軌道電路故障診斷方法；孫上鵬[3]根據(jù)均勻傳輸線理論建立無絕緣軌道電路機(jī)車信號感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)計算模型，分析電氣絕緣節(jié)和補(bǔ)償電容故障、道砟電阻及列車運(yùn)行速度等對機(jī)車信號感應(yīng)電壓幅值包絡(luò)線的影響規(guī)律；王梓 丞[4]基于Simulink建立ZPW-2000軌道電路單區(qū)段仿真模型，分析分路狀態(tài)工作性能；張友鵬[5]分析了主軌道鋼軌斷裂對單獨(dú)區(qū)段上分路電阻的影響；WEI D[6]對區(qū)段補(bǔ)償電容故障造成的影響進(jìn)行了測試分析；HU L Q，馬濤等[7-8]基于灰度理論給出一種針對單區(qū)段主軌道電路故障的預(yù)測方法。上述研究局限于單段軌道電路和部分設(shè)備，對鄰區(qū)段研究尚不充分。

通過分析ZPW-2000型軌道電路的組成和工作原理，采用Simulink仿真工具，給出各模塊的設(shè)計方案，詳細(xì)設(shè)計ZPW-2000型多段軌道電路仿真模型。仿真分析軌道電路處于調(diào)整狀態(tài)、分路狀態(tài)及調(diào)諧單元故障時對移頻信號的影響。

1 ZPW-2000軌道電路結(jié)構(gòu)和基本原理

ZPW-2000軌道電路分為室外、室內(nèi)兩大部分。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1ZPW-2000移頻軌道電路結(jié)構(gòu)

ZPW-2000軌道電路采用移頻信號傳輸?shù)皖l控制信息。載頻上行：2 000，2 600 Hz交替排列和下行1 700，2 300 Hz交替排列，頻偏為Δf=11 Hz，低頻fc在10.3～29 Hz按1.1 Hz遞增共分18種。中心載頻分布如圖2所示。

圖2 中心載頻分布示意

2 基于Simulink的軌道電路仿真模型

參照ZPW-2000 軌道電路工作原理和數(shù)學(xué)模型[9]及電路模型[10-11]，參考FSK移頻信號的調(diào)制解調(diào)原理[12]及其優(yōu)化改進(jìn)方法[13-14]，借助Simulink仿真工具，采用模塊化設(shè)計思想，首先設(shè)計各設(shè)備的電路仿真模型，再集成單段軌道電路仿真模型，最后擴(kuò)展以2 300，1 700，2 300 Hz為中心載頻的連續(xù)3個區(qū)段的軌道電路仿真模型。

2.1 室外設(shè)備仿真模塊設(shè)計

(1)主軌道單元仿真模塊

調(diào)諧區(qū)距臨近第1個補(bǔ)償電容為75 m，其余補(bǔ)償電容等間距設(shè)置，間距為Δ=(L-150)/(N-1)，其中，L為圖1中主軌道電路長度；N為補(bǔ)償電容數(shù)量。每個區(qū)段主軌道全長按L=750 m設(shè)計，補(bǔ)償電容N=11個。主軌道Simulink仿真單元模塊如圖 3(a)所示。

(2)調(diào)諧區(qū)仿真模塊

調(diào)諧區(qū)由BA1和BA2兩個調(diào)諧單元及空心線圈跨接在鋼軌上構(gòu)成，調(diào)諧區(qū)長29 m。調(diào)諧單元用于本區(qū)段調(diào)諧單元與相鄰區(qū)段載頻構(gòu)成串聯(lián)諧振或并聯(lián)諧振，實(shí)現(xiàn)電氣絕緣。調(diào)諧區(qū)的Simulink設(shè)計如圖3(b)所示。

(3)匹配變壓器

變壓器1線圈經(jīng)調(diào)諧單元端子接至鋼軌，2線圈接SPT電纜供出端，變比選240∶20。鋼軌側(cè)電路按相反極性串接兩個電解電容，起隔直交連作用，防止直流成分造成變壓器磁路飽和。接SPT電纜一側(cè)串接兩個電感，平衡與SPT電纜連接的容性，匹配變壓器的Simulink設(shè)計如圖3(c)所示。

圖3 室外設(shè)備仿真模塊

2.2 室內(nèi)設(shè)備仿真模塊設(shè)計

(1)發(fā)送器模塊

按照FSK調(diào)制原理，選用兩個Sine Wave DSP模塊，分別設(shè)置固定頻率：下偏頻fa1和上偏頻fa2；選用Pulse Generator方波發(fā)生器，設(shè)置頻率為fc2(或fc2或fc3)，產(chǎn)生低頻信號，設(shè)置占空比為50%；再使用乘法器、反相器和加法器合成FSK信號，控制受控AC電壓信號源，設(shè)置信號幅值Va=34.2 V。根據(jù)FSK信號調(diào)制原理設(shè)計的Simulink移頻發(fā)送器如圖4(a)所示。Port+和Port-兩端口間將發(fā)送低頻為fc2=16.9 Hz，頻偏為Δf=11 Hz的移頻信號。

(2)帶防雷電纜模擬網(wǎng)模塊

根據(jù)文獻(xiàn)[15]所述雷擊路徑，參考文獻(xiàn)[16]所述幾點(diǎn)防雷措施，帶防雷電纜模擬網(wǎng)絡(luò)應(yīng)由帶鐵心低轉(zhuǎn)移系數(shù)的同心變壓器做隔離，工作頻率設(shè)置與本區(qū)段中心載頻相同，副邊并接對稱式限壓防護(hù)接地，當(dāng)電路中混入雷電沖激時將被擊穿，將雷電能量迅速導(dǎo)入大地，對后續(xù)電路起到保護(hù)作用，帶鐵心電感組，補(bǔ)償SPT電纜，后續(xù)并接限壓器，進(jìn)一步保護(hù)發(fā)送器或接收器，帶防雷電纜模擬網(wǎng)Simulink設(shè)計如圖4(b)所示。

(3)接收器模塊

按照FSK信號解調(diào)原理，設(shè)計2個一階切比雪夫帶通濾波器，分別用于提取上下2個邊帶，選取2個Quantizing Encoder抽樣編碼器對提取出的邊帶進(jìn)行抽樣編碼，實(shí)現(xiàn)包絡(luò)檢波。按照頻偏Δf=11 Hz確定的時間進(jìn)行定時抽樣判決，還原低頻信號。按照FSK信號解調(diào)原理的Simulink設(shè)計如圖4(c)所示。Conn1和Conn2端口接收移頻輸入，1端口輸出解調(diào)的低頻信號。

圖4 室內(nèi)設(shè)備仿真模塊

2.3 3個區(qū)段軌道電路模型

按照圖1所示ZPW-2000型移頻軌道電路結(jié)構(gòu)將上述設(shè)計的Simulink模塊組合成單區(qū)段軌道電路。主軌道由11個軌道單元級聯(lián)得到，并在主要信號測試點(diǎn)添加Scope示波器模塊。參考文獻(xiàn)[17-18]對每一段單區(qū)段軌道電路主要電氣特性參數(shù)進(jìn)行仿真調(diào)試，達(dá)到最佳效果。之后參照圖2中心載頻分布的下行方向部分的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，擴(kuò)展得到連續(xù)三段軌道電路，如圖5所示。從左到右依次為3、2、1區(qū)段的中心載頻、低頻頻率分布，如表1所示。

表1 各區(qū)段參數(shù)分布

圖5 三段軌道電路仿真

3 仿真分析

3.1 調(diào)整狀態(tài)仿真分析

(1)調(diào)諧區(qū)電氣絕緣性能仿真分析

在調(diào)諧區(qū)設(shè)備故障時，無絕緣軌道電路將失去電氣絕緣功能，造成鄰區(qū)段干擾，致使機(jī)車信號設(shè)備不能正常識別軌道電路信號[19-20]。

僅2區(qū)段發(fā)送移頻信號，其他區(qū)段不發(fā)送信號時，調(diào)諧區(qū)兩側(cè)軌面信號如圖6所示。

圖6 僅2區(qū)段發(fā)送信號時調(diào)諧區(qū)兩側(cè)軌面電壓對比

對比分析可見，調(diào)諧區(qū)本區(qū)段發(fā)送端一側(cè)軌面信號正常，而鄰區(qū)段接收端一側(cè)信號大幅度衰耗，接近于零。仿真表明調(diào)諧單元電感電容值匹配恰當(dāng)，構(gòu)成諧振效果顯著，對鄰區(qū)段信號大幅衰減，有效實(shí)現(xiàn)了電氣絕緣性能。

(2)各區(qū)段信號傳輸過程仿真分析

3個軌道電路區(qū)段分別發(fā)送攜帶13.6，16.9 Hz和26.8 Hz低頻信息的移頻信號時，每個區(qū)段各環(huán)節(jié)信號傳輸情況如圖7所示。

圖7 3個區(qū)段各環(huán)節(jié)移頻信號傳輸情況

分析仿真結(jié)果可知，發(fā)送端軌面信號到接收端軌面信號略有輕微的頻率選擇性衰落和很小的全頻帶正常衰減，而低頻信息并沒有失真，確保信息完整正確傳輸及最終解調(diào)。說明主軌道等效網(wǎng)絡(luò)仿真模型對移頻信號的傳遞性能較好，實(shí)現(xiàn)攜帶不同低頻信息的移頻信號的穩(wěn)定、可靠、全路徑傳輸。

就各區(qū)段接收還原出的低頻信息而言，除非常接近0時刻存在系統(tǒng)啟動過程不穩(wěn)定振蕩造成的瞬時誤碼外，其后波形整齊，沒有誤碼。經(jīng)過測量，實(shí)際接收解調(diào)得到的3個區(qū)段低頻信號頻率依次為13.628，16.865 Hz和26.762 Hz，與發(fā)送端僅存在極小誤差，表明調(diào)諧區(qū)電氣絕緣性能良好，3個區(qū)段信號互不干擾、無失真?zhèn)鞑ズ驼_解碼還原，軌道區(qū)段傳輸特性良好。

3.2 動態(tài)分路狀態(tài)仿真分析

以輪對由3區(qū)段某處勻速經(jīng)過2區(qū)段到達(dá)1區(qū)段的過程為例進(jìn)行仿真，依據(jù)ZPW-2000軌道電路的多輪對動態(tài)分路模型[21]，并考慮到文獻(xiàn)[22]所述易造成分路不良的幾種實(shí)際情況，采用連續(xù)兩個為一組的定時開關(guān)器模擬輪對組，如圖8(a)所示，得到的仿真結(jié)果如圖8(b)所示。

圖8 模擬行車輪對定位仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知，3個區(qū)段接收端還原的低頻信號依次出現(xiàn)了空碼。這是由于模擬輪對依次經(jīng)過了3個區(qū)段，使得被分路區(qū)段接收端不能接收到移頻信號，故出現(xiàn)相應(yīng)空碼，表征列車占用相關(guān)區(qū)段，符合實(shí)際情況。

3.3 調(diào)諧單元故障仿真分析

調(diào)諧單元是軌道電路在現(xiàn)場運(yùn)行時最易發(fā)生故障的室外設(shè)備，發(fā)生的典型故障包括引接線脫落、電容失效和斷軌等。通過模擬調(diào)諧單元上述3個故障，觀察相關(guān)區(qū)段信號的變化特征，分析調(diào)諧單元故障對相關(guān)區(qū)段的影響。

(1)調(diào)諧單元引接線脫落

斷開1區(qū)段接收端調(diào)諧單元與鋼軌間的連線用于模擬引接線脫落，如圖9(a)所示，仿真結(jié)果如圖 9(b)、圖9(c)所示。

圖9 調(diào)諧單元引接線脫落仿真結(jié)果

由圖9可見，1區(qū)段接收端不能接受到本區(qū)段移頻信號，且由于不能對2區(qū)段1 700 Hz中心載頻構(gòu)成諧振，接收端軌面串入2區(qū)段的信號對相鄰的2區(qū)段無明顯影響。實(shí)際中若發(fā)現(xiàn)類似波形，可初步判斷是相應(yīng)調(diào)諧單元引接線脫落故障。

(2)調(diào)諧單元電容失效

斷開1區(qū)段接收端調(diào)諧單元電容連線，模擬電容失效，如圖10(a)所示，仿真結(jié)果如圖10(b)、圖10(c)所示。

圖10 調(diào)諧單元電容失效仿真結(jié)果

由圖10可見，調(diào)諧單元電容失效使得本區(qū)段信號明顯失真，解調(diào)后出現(xiàn)誤碼，鄰區(qū)段移頻信號在發(fā)送端被大幅度損耗，其接收端不能有效接收和解調(diào)。現(xiàn)場實(shí)際中可據(jù)類似波形推斷調(diào)諧單元電容失效。

(3)調(diào)諧區(qū)斷軌

調(diào)諧區(qū)的兩調(diào)諧單元之間鋼軌出現(xiàn)有害裂紋，如圖11(a)所示，產(chǎn)生影響如圖11(b)、圖11(c)所示。

圖11 兩調(diào)諧單元之間斷軌仿真結(jié)果

分析可見，發(fā)生上述斷軌情形時，由于不能對本區(qū)段信號構(gòu)成“極阻抗”，故本區(qū)段信號在接收端有明顯失真和頻率選擇性衰減，解調(diào)時上下邊帶不對稱，所還原的低頻信息脈寬變窄，失去含義。現(xiàn)場若兩調(diào)諧單元之間斷軌，移頻信號波形失真明顯，解調(diào)出現(xiàn)連續(xù)誤碼，對行車安全構(gòu)成很大危害，應(yīng)當(dāng)避免調(diào)諧區(qū)鋼軌的有害裂紋。

4 結(jié)語

通過分析ZPW-2000軌道電路原理，采用Simulink仿真工具搭建了ZPW-2000型多段軌道電路仿真模型。仿真分析了軌道電路處于調(diào)整狀態(tài)和動態(tài)分路狀態(tài)下連續(xù)3個區(qū)段移頻信號的調(diào)制、發(fā)送、接收和解調(diào)的信號變化特征，模擬了調(diào)諧單元發(fā)生引接線脫落、電容失效和斷軌等典型現(xiàn)場故障時，調(diào)諧區(qū)兩側(cè)區(qū)段移頻信號變化過程。通過信號異常變化可推斷故障類型和位置，可為軌道電路的設(shè)計開發(fā)、現(xiàn)場調(diào)試維護(hù)提供參考。