基于Simulink的ZPW?2000軌道電路仿真分析

王梓丞　張亞東　郭進　孫寧先　羅蓉

摘 要： 軌道電路是我國鐵路列車運行控制系統的關鍵設備之一，在此基于Simulink建立了ZPW?2000軌道電路仿真模型，并實現了軌道信號的調制與解調。在模型基礎上，分析了室外環境及故障對軌道電路性能的影響。結果表明，道床電阻值降低至0.7 Ω/km時，軌道電路“紅光帶”故障發生；3個及其以上補償電容斷線時，軌道電路將產生錯誤的占用信息；電氣絕緣節破損會造成機車信號設備受到干擾，破損嚴重時列車會收到相鄰區段的錯誤控制信息。仿真結果與現場測試數據的比較，驗證了該模型的準確性，通過該文方法，可為鐵路現場的維護及調試工作提供技術支持。

關鍵詞： Simulink； ZPW?2000軌道電路； 信號調制解調； 電氣絕緣節

中圖分類號： TN108+.7?34； TN710；U284.2 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2017）06?0079?05

Abstract： The track circuit is one of the key devices of China′s railway train operation control system. On the basis of Simulink， the simulation model of the ZPW?2000 track circuit was established， and the modulation and demodulation of the track signal were realized. The impact of outdoor environment and fault on the track circuit performance is analyzed on the basis of this model. The results show that the ″red light strip″ fault of the track circuit occurs when the track bed resistance is lower than 0.7 Ω/km； when more than three compensation capacitors disconnect from the rail， the track circuit generates the wrong occupancy information； the cab signal equipment may be disturbed if the electrical insulation joint is broken， and the train may receive the false control information of the adjacent segment if the breakage is severe. The site test data is compared with the simulation result to verify the accuracy of the model. The method can provide the technical support for railway on?site maintenance and debugging.

Keywords： Simulink； ZPW?2000 track circuit； signal modulation and demodulation； electrical insulation joint

軌道電路是以鋼軌作為導體，用于自動、連續檢測線路是否被列車占用的電路，另外，由軌道電路發送的軌道信號還通過電磁感應方式為列車車載信號設備提供行車許可[1]。作為鐵路信號自動控制與遠程控制系統的重要組成部分，軌道電路性能的優劣直接影響著行車安全和運輸效率。

我國高速鐵路普遍采用的ZPW?2000系列無絕緣軌道電路在軌道上加裝補償電容以延長軌道電路的傳輸距離，在調諧區安裝電氣絕緣節實現相鄰軌道電路間的電氣隔離。相比傳統軌道電路，無絕緣軌道電路不用安裝扼流變壓器，且無需鋸軌，但其結構變得更加復雜，并易受到環境的影響，因此，有必要建立無絕緣軌道電路的仿真模型，并分析軌道電路在各種工況下的工作性能。Simulink是高度可視化的建模仿真工具，Simulink將系統分解成在物理和功能上相對獨立的子系統，而各子系統模塊采用分層結構，使建模的自由度及效率大大提高[2]。考慮到ZPW?2000結構的復雜性，本文基于Simulink建立軌道電路的仿真模型。

1 ZPW?2000軌道電路仿真模型

1.1 ZPW?2000基本結構及工作原理

ZPW?2000軌道電路由發送器、電纜模擬網絡、SPT電纜、匹配單元、調諧區小軌道電路以及鋼軌線路組成，其中，發送器產生高精度移頻信號；電纜模擬網絡補償SPT電纜使電纜總長度達到約10 km，以便于工程應用；SPT電纜連接室內與室外設備，傳輸軌道信號；調諧區中的電氣絕緣節實現相鄰軌道電路間的電氣分隔；匹配單元實現鋼軌與電纜的匹配連接；鋼軌線路由鋼軌和補償電容構成，實現軌道信號的室外傳輸[3]。發送器產生的軌道信號，經電纜設備和調諧區，沿鋼軌向接收器傳送，當軌道被列車占用后，大部分軌道信號經機車第一輪對回流，此時，接收端電壓低于閾值，繼電器落下表示區段占用，同時，機車信號設備利用接收線圈以電磁感應的方式接收軌道電路信號，通過對感應電壓信號進一步解調和譯碼，最終提取出該信號中所包含的控車命令。軌道電路的整體結構如圖1所示，圖1中，l表示補償電容的安裝間距，C表示補償電容容值，Zca表示電氣絕緣節設備與鋼軌的連接阻抗。

1.2 ZPW?2000的Simulink模型

根據ZPW?2000軌道電路的整體結構及功能劃分，將軌道電路分為11個模塊進行Simulink建模，并將各個模塊封裝到Simulink中的Subsystem子系統中，此外，在各模塊的輸出端設置電壓測量單元、均方根計算單元、數值及波形顯示單元以實現對輸出端電壓有效值的測量和顯示，ZPW?2000的Simulink模型如圖2所示。

（1） 模擬網絡及真實電纜

ZPW?2000電纜模擬網絡有0.5 km，1 km，2 km，4 km四種規格，分別模擬相應長度的SPT真實電纜，根據工程需求組合安裝。模擬網絡由電阻、電感及電容等集中參數元件構成，軌道信號經模擬網絡后的衰耗與經過相應長度的SPT真實電纜的衰耗相同。在Simulink仿真軟件中，用Series RLC Branch元件搭建模擬網絡模型；SPT電纜的傳輸特性可由單位長度電阻（Ω/km）、電感（L/km）、電容（C/km）及漏導（S/km）表示，因此，在模型中SPT電纜用基于RLCG模型的Distributed Parameters Line元件模擬。

（2） 匹配單元

匹配單元由匹配變壓器、電感線圈及電解電容組成，其Simulink模型如圖3所示。其中，電容C1和C2分別串聯接入到鋼軌側電路中，主要起到隔離直流、導通交流的作用，防止鋼軌上的直流信號通過匹配單元流向軌道電路室內設備，電感主要起到限流的作用。

（3） 鋼軌線路

由于鋼軌線路被補償電容分割，因此鋼軌線路可視為若干個補償單元級聯構成，單個補償單元由補償電容以及2個[l2]長度的鋼軌組成，如圖4所示，其中Ri與Li對應[l2]長度鋼軌的等效電阻與電感，Rd表示l長度道床的等效電阻，C為補償電容，Zra為補償電容與鋼軌的連接阻抗。

（4） 電氣絕緣節

無絕緣軌道電路電氣絕緣節形成諧振回路對不同信號頻率呈現不同阻抗，實現相鄰軌道的電氣隔離，其由兩個調諧單元BU、一個空心線圈SVAC及29 m長的鋼軌組成，如圖5所示。對于較低頻率（1 700 Hz，2 000 Hz）軌道信號，設置La，Ca兩元件構成的Fa型調諧單元，對于較高頻率（2 300 Hz，2 600 Hz）軌道信號，設置Lb，Cb1，Cb2三元件構成的Fb型調諧單元；空心線圈SVAC由電感元件Ls模擬，Zca為連接阻抗；Small_Rail_Half為14.5 m的鋼軌線路模型，建模過程與鋼軌線路模型相同。

2 軌道信號的調制解調及仿真實現

2.1 FSK信號的調制及仿真

ZPW?2000系列軌道電路主要采用移頻鍵控（FSK）調制信號作為其軌道信號。確定信號載頻后，軌道信號就是一個以載波頻率（f0）為中心加減頻偏（Δf）而形成的正弦信號[4]。基于頻率鍵控法的FSK信號調制原理如圖6所示，其采用數字矩形脈沖控制電子開關，使電子開關在兩個獨立的振蕩器之間切換，從而在輸出端得到不同頻率的已調信號。

基于FSK信號的調制原理，建立模型如圖7所示，此模型在軌道電路模型中的發送器子系統中實現。圖7中，采用受控源將FSK信號轉換為電壓源作為軌道電路輸入。

2.2 FSK信號的解調及仿真

FSK信號的解調方法主要包括相干解調和非相干解調2種。其中，包絡檢波法（非相干解調）不需要穩定的本地相干載波信號，易于工程實現[5]，其原理框圖如圖8所示，用2個窄帶濾波器分別濾出頻率為f1及f2的脈沖，經包絡檢測后取出包絡并送到抽樣判別器中進行比較，從而得出解調信號。

基于上述原理，建立Simulink模型如圖9所示，此模型在軌道電路模型中的接收器子系統中實現。圖9中，接收端等效阻抗由實驗室測試得到，零階保持模塊和量化編碼器共同實現抽樣判決的功能。

3 實例分析

3.1 仿真計算與驗證

ZPW?2000軌道電路根據上下行線路共設有8種載頻，相鄰區段設置不同頻率，以及18種低頻，分別對應18種列車控制信息。為了驗證仿真模型的正確性，本文基于Simulink模型對軌道電路進行了仿真，并選取了2014年11月北京電務段管內的某段軌道電路作為比較對象，其相關參數如表1所示。軌道電路室外設備的基本電氣參數參見文獻[6?7]，室內設備電氣參數由供貨商提供，連接阻抗等在實驗室測試得到。現場測試數據與計算結果對比見表2。由表2可見，仿真結果與現場測試數據的最大相對誤差在接收端軌面電壓處，數值為7.3%，表明本文所建立的軌道電路仿真模型具有較高的精確度。

軌道電路接收端軌道信號的解調結果如圖10所示，圖10中，f（t）為軌道信號調制波形；y1（t），y2（t）為軌道信號經帶通濾波器濾波后的波形；d（t）為解調波形。仿真結果表明，該模型很好地實現了軌道信號解調功能。

3.2 道床電阻對軌道電路性能的影響

ZPW?2000軌道電路根據接收端電壓判斷區段是否有車占用，然而，在室外降雨量較大或潮濕時，常常使軌道電路產生大量的漏泄電流，導致軌道電路在無車占用時接收端電壓低于閾值，造成軌道電路“紅光帶”故障[8]。本文基于軌道電路的Simulink模型，通過改變l長度道床的等效電阻的方法實現室外環境對接收端電壓影響的分析。取接收變比18，接收端電壓閾值240 mV，因此，軌入電壓需要高于0.24×[N118]，N1為接收端變壓器初級線圈匝數。仿真結果如圖11所示，可見隨著道床電阻的減小，信號在傳輸過程中的漏泄增大，接收端電壓的有效值逐步降低，當道床電阻值低于0.7 Ω/km時，“紅光帶”故障發生。

3.3 故障對軌道電路性能的影響

（1） 補償電容斷線。補償電容在延長軌道電路的傳輸距離上起到了重要作用，然而，由于雷電災害、浪涌電壓、集膚效應等原因，補償電容時常損壞[9]，對軌道電路性能帶來影響。基于軌道電路的Simulink模型，通過改變補償電容容值的方法實現對軌道電路補償電容斷線情形的仿真分析，仿真結果如圖12所示。從圖12中可以看出，補償電容斷線使得接收端電壓下降，但是單個補償電容斷線并不影響軌道電路的工作狀態，三個及其以上補償電容斷線時，軌道電路產生錯誤的占用信息。

（2） 電氣絕緣節破損。電氣絕緣節破損會使相鄰軌道區段的信號進入本軌道區段，實際使用過程中因列車運行產生的振動沖擊、現場搗固維護作業及復雜的應用環境等因素均可導致電氣絕緣節設備發生破損。電氣絕緣節破損會導致與鋼軌的連接阻抗增大，在模型中可直接通過增大Zca值進行模擬[10]。建立模型如圖13所示，分析相鄰軌道電路（發送1，接收1）對機車信號的干擾，圖13中Rf為列車等效分路電阻，取機車感應電流閾值為500 mA，軌道電路的基本參數與前述相同。

考慮最不利條件，列車在軌道區段（發送2，接收2）接收端處分路（干擾最大），在此條件下改變Zca值對上述模型進行仿真，當分路電流大于閾值，車載信號設備收到軌道信號。仿真結果如圖14所示，可見電氣絕緣節破損導致相鄰軌道電路對機車信號設備的干擾逐步增大，當電氣絕緣節連接阻抗達到正常時的1.6倍時，列車將會收到相鄰區段的錯誤控制信息。

4 結 論

本文基于Simulink軟件建立了ZPW?2000無絕緣軌道電路的層次化模型，并實現了軌道信號的調制與解調。仿真結果與現場測試數據相比，最大相對誤差數值為7.3%，表明該模型具有較高的精確度。此外，在模型的基礎上，分析了道床電阻、補償電容斷線、電氣絕緣節破損等特殊工況對軌道電路性能的影響。結果表明，道床電阻減小將導致接收端電壓有效值降低，當道床電阻值低于0.7 Ω/km時，“紅光帶”故障發生；補償電容斷線同樣會使接收端電壓下降，但是單個補償電容斷線并不影響軌道電路的工作狀態，三個及其以上補償電容斷線時，軌道電路將產生錯誤的占用信息；電氣絕緣節破損會造成機車信號設備受到干擾，當電氣絕緣節連接阻抗達到正常時的1.6倍時列車將會收到相鄰區段的錯誤信息。

圖14 電氣絕緣節破損對軌道電路性能的影響

參考文獻

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