电气化列车RS-485总线应用可靠性研究*

沈　迪， 刘光辉， 李冀昆， 朱　峰

(1　中车长春轨道客车股份有限公司， 吉林长春 130062；2　西南交通大学电气工程学院， 四川成都 610031)



电气化列车RS-485总线应用可靠性研究*

沈迪1， 刘光辉2， 李冀昆2， 朱峰2

(1中车长春轨道客车股份有限公司， 吉林长春 130062；2西南交通大学电气工程学院， 四川成都 610031)

电气化列车控制监视系统(TCMS)具有传输距离远、节点多、电磁环境恶劣等特点，RS-485总线是TCMS重要组成部分，保证其可靠、有效的工作对列车安全、平稳运行意义重大。结合现场实测以及Ansoft Maxwell 14软件仿真，对电气化列车RS-485总线网络传输可靠性进行研究，分析了离线电弧放电对RS-485总线干扰的原因。结果表明：离线电弧激发强磁场使车体电位不等，导致其共模干扰电压提高，从而使信息传输掉包。

RS-485； TCMS； 电气化列车； 离线电弧； 共模干扰

电气化列车的智能化 、自动化已是大势所趋，RS-485总线以其成本低廉、控制方便、设计简单、支持多节点远距离通信和高接收灵敏度以及连线简单等优点在电气化列车控制领域得到了广泛应用[1-3]。随着电气化列车车体内外电磁环境日趋恶劣，列车的安全运营面临越来越多的外部挑战[4-6]。某型电力机车在运行的过程中发生一起典型的电磁干扰现象—RS-485总线传输信息掉包。目前，国内外文献对RS-485总线可靠性研究比较多，文献[1-2]分析了影响RS-485总线信息可靠性传输的因素，文献[3]对智能电网中IP通过RS-485总线控制主从网络信息安全传输研究。关于电气化列车这一特殊工业环境RS-485总线信息传输可靠性研究较少，为保证列车安全运行有必要对其电磁兼容性进行研究。

从RS-485总线工作原理入手，指出RS-485具有一定的抗干扰能力。经过现场实测得到离线电弧的幅频特性，由于车体转移阻抗的存在，弓网电弧放电激发的高频电磁场会使车体电位不等。应用Ansoft Maxwell 14软件仿真得到车体电流密度的分布，验证了车体电位不等，从而对RS-485总线信息传输产生干扰。该研究可以为电气化列车弱电系统电磁兼容提供借鉴。

1　RS-485总线工作原理

RS-485是一种电气接口规范，采用平衡发送差分接收，因此具有一定的共模抑制能力并且接收灵敏度高(能检测低达200 mV电压)。如图1，RS-485是半双工工作模式，DE使能端控制收发。收、发端通过平衡双绞线将A—A与B—B对应相连。当在接收端VA-VB≥+200 mV的电平时，输出正逻辑电平1；VA-VB≤-200 mV时，输出负逻辑电平0；|VA-VB|<200 mV时，输出不确定。

由于RS-485工作原理可知，只需检测VA、VB之间的电压差判断逻辑，但容易忽略收发器之间的共模电压不能超过-7～+12 V，一旦超过接收就不能正常工作。如图1所示，R/T01、R/T02存在独立的接地系统，两者之间存在电位差VGND。电子工业协会(EIA)RS-485标准规定R/T01作为驱动器时VOS≤3 V，接收器R/T02输入端的共模电压VCM=VOS+VGND。当车体电位不相等时，VGND的幅值可能高达几十伏。如此，VCM就会超出RS-485总线要求共模电压的范围，出现信息掉包。

2　测试实施

2.1仪器选择及参数设置

由于离线电弧的随机性，测试采用频谱仪+接收天线模式对离线电弧进行多次测量，得到离线电弧主要频谱特性，测试仪器性能参数如表1所示。接收机采用频谱扫描模式，检波方式为峰值检波。

表1　测试仪器性能参数

2.2测试地点选取及布局

接触线不平顺、接触网振动、受电弓振动等多方面因素均能产生弓网离线电弧，但产生电弧均为概率事件[7-9]。为保证每次列车通过均产生电弧，选取电分相处进行测试[10]。本次测试地点选择在成达铁路沿线的天堂村电分相处。

依据GB/T 24338-2009《轨道交通 电磁兼容》，采用10 m法进行测量。测试布局如图2所示，选择环天线距离轨道中心水平距离10 m处架设天线，其中心距离轨道平面垂直距离为2 m。

图2　测试布局图

3　测试结果分析与车体仿真

3.1典型测试结果

经过对成达沿线天堂村电分相处进行多次测量，得到电弧的频谱特性，其典型测试结果如图3、图4所示。

图3　测试空间场强背景图

图4　测试空间场强

由图3、图4可知，当弓网产生电弧时会向外辐射很强的磁场，磁场强度的最大幅值为58.87 dBμA/m，频率主要分布在20～30 MHz，27 MHz左右为广播电视信号。由Maxwell方程组可知变化的磁场产生电场，所以强磁场会在列车车体表面感应出电流。

3.2车体仿真

弓网电弧放电可近似为一段长度dl远小于波长的直线电流元Idl，即电偶极子[11]。基于Ansoft Maxwell 14软件，对单节车厢，在激励为1 m长、幅度为1 A、频率为20 MHz的电流源照射下，铝壳车体表面的感应电流及周围磁场进行了建模仿真，仿真结果如图5所示，最大幅值达4.35 A/m2。

图5　车体表面电流密度分布

离线电弧主要频率为20 MHz，车体可以看作一个大的屏蔽导体。由式(1)可知波长大于1 m，车体就存在转移阻抗，其计算可表示为式(2)。

(1)

式中c表示光在真空中的传播速度;f表示信号频率。

(2)

由同轴电缆转移阻抗可知，当电弧频率在20 MHz时，车体转移阻抗约为0.1 Ω/m[12]。如图1所示，设R/T01、R/T02之间的距离为10 m，车体高度为4.1 m，宽度为3.1 m，列车截面周长l为14.2 m。车体材料电导率γ=2.32×107s/m，磁导率为μ0[4]，则在20 MHz频率下车体肌肤深度d为：

(3)

1 A激励源下，车体表面最大的感应电流I1为：

4.35×0.023×10-3×14.2=1.41mA

(4)

列车运行过程中受电弓从接触网取流，接触网的电压高达27.5 kV，弓网电弧放电的感应电流的幅值高达上万安培，且在车体表面形成的电流密度与感应电流成正比。由式(2)～式(4)可知R/T01、R/T02之间产生的地电压VGND为：

1.41×10-3×104×0.1×10=14.1V

(5)

式中I为流过转移阻抗的电流；L为R/T01、R/T02之间的距离。

由式(5)可知，VGND高达14.1 V，则VCM超过RS-485总线允许共模电压，会使信息掉包。

4　结　论

通过实测以及仿真的方式分析了电气化列车RS-485总线传输受干扰的情况，得出以下结论。

(1)弓网电弧放电会激发很强的电磁辐射，实测得出磁场强度最大幅值为58.87 dBμA/m，且频率主要分布在20 MHz左右。

(2)根据仿真可知电弧放电可以在车体上产生很大的电流密度，高达4.35 A/m2。

(3)由于转移阻抗的存在，VCM高达14.1 V，超过RS-485总线允许共模电压，导致信息传输过程中掉包。

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Research on Reliability of RS-485 Bus Communication of Electrical Vehicle

SHENDi1，LIUGuanghui2，LIJikun2，ZHUFeng2

(1CRRC Changchun Railway Vehicles Co.,Ltd., Changchun 130062 Jilin，China； 2School of Electrical Engineering, Southwest Jiaotong University， Chengdu 610031 Sichuan，China)

Train Control and Monitor System (TCMS) have many advantages, such as long transmission, much nodes, anti-harsh electromagnetic environment etc. The RS-485 bus is an important part of the TCMS and it is great significance to ensure its reliability and effectiveness. According to the magnetic field measurement and simulation by software An soft Maxwell 14, the RS-485 bus on transmission reliability、information offline produced by arc discharge was researched and analyzed. The results show that unbalance vehicle body voltage influenced by arc discharge is the main cause for information offline.

RS-485； TCMS； electrical vehicle； offline catenary arc； Common interface

1008-7842 (2016) 04-0048-03

男，工程师(

2016-01-11)

U228.2

Adoi:10.3969/j.issn.1008-7842.2016.04.11

*国家自然基金重点项目(U1434203)