基于Simulink的ZPW?2000轨道电路仿真分析

王梓丞　张亚东　郭进　孙宁先　罗蓉

摘 要： 轨道电路是我国铁路列车运行控制系统的关键设备之一，在此基于Simulink建立了ZPW?2000轨道电路仿真模型，并实现了轨道信号的调制与解调。在模型基础上，分析了室外环境及故障对轨道电路性能的影响。结果表明，道床电阻值降低至0.7 Ω/km时，轨道电路“红光带”故障发生；3个及其以上补偿电容断线时，轨道电路将产生错误的占用信息；电气绝缘节破损会造成机车信号设备受到干扰，破损严重时列车会收到相邻区段的错误控制信息。仿真结果与现场测试数据的比较，验证了该模型的准确性，通过该文方法，可为铁路现场的维护及调试工作提供技术支持。

关键词： Simulink； ZPW?2000轨道电路； 信号调制解调； 电气绝缘节

中图分类号： TN108+.7?34； TN710；U284.2 文献标识码： A 文章编号： 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

轨道电路是以钢轨作为导体，用于自动、连续检测线路是否被列车占用的电路，另外，由轨道电路发送的轨道信号还通过电磁感应方式为列车车载信号设备提供行车许可[1]。作为铁路信号自动控制与远程控制系统的重要组成部分，轨道电路性能的优劣直接影响着行车安全和运输效率。

我国高速铁路普遍采用的ZPW?2000系列无绝缘轨道电路在轨道上加装补偿电容以延长轨道电路的传输距离，在调谐区安装电气绝缘节实现相邻轨道电路间的电气隔离。相比传统轨道电路，无绝缘轨道电路不用安装扼流变压器，且无需锯轨，但其结构变得更加复杂，并易受到环境的影响，因此，有必要建立无绝缘轨道电路的仿真模型，并分析轨道电路在各种工况下的工作性能。Simulink是高度可视化的建模仿真工具，Simulink将系统分解成在物理和功能上相对独立的子系统，而各子系统模块采用分层结构，使建模的自由度及效率大大提高[2]。考虑到ZPW?2000结构的复杂性，本文基于Simulink建立轨道电路的仿真模型。

1 ZPW?2000轨道电路仿真模型

1.1 ZPW?2000基本结构及工作原理

ZPW?2000轨道电路由发送器、电缆模拟网络、SPT电缆、匹配单元、调谐区小轨道电路以及钢轨线路组成，其中，发送器产生高精度移频信号；电缆模拟网络补偿SPT电缆使电缆总长度达到约10 km，以便于工程应用；SPT电缆连接室内与室外设备，传输轨道信号；调谐区中的电气绝缘节实现相邻轨道电路间的电气分隔；匹配单元实现钢轨与电缆的匹配连接；钢轨线路由钢轨和补偿电容构成，实现轨道信号的室外传输[3]。发送器产生的轨道信号，经电缆设备和调谐区，沿钢轨向接收器传送，当轨道被列车占用后，大部分轨道信号经机车第一轮对回流，此时，接收端电压低于阈值，继电器落下表示区段占用，同时，机车信号设备利用接收线圈以电磁感应的方式接收轨道电路信号，通过对感应电压信号进一步解调和译码，最终提取出该信号中所包含的控车命令。轨道电路的整体结构如图1所示，图1中，l表示补偿电容的安装间距，C表示补偿电容容值，Zca表示电气绝缘节设备与钢轨的连接阻抗。

1.2 ZPW?2000的Simulink模型

根据ZPW?2000轨道电路的整体结构及功能划分，将轨道电路分为11个模块进行Simulink建模，并将各个模块封装到Simulink中的Subsystem子系统中，此外，在各模块的输出端设置电压测量单元、均方根计算单元、数值及波形显示单元以实现对输出端电压有效值的测量和显示，ZPW?2000的Simulink模型如图2所示。

（1） 模拟网络及真实电缆

ZPW?2000电缆模拟网络有0.5 km，1 km，2 km，4 km四种规格，分别模拟相应长度的SPT真实电缆，根据工程需求组合安装。模拟网络由电阻、电感及电容等集中参数元件构成，轨道信号经模拟网络后的衰耗与经过相应长度的SPT真实电缆的衰耗相同。在Simulink仿真软件中，用Series RLC Branch元件搭建模拟网络模型；SPT电缆的传输特性可由单位长度电阻（Ω/km）、电感（L/km）、电容（C/km）及漏导（S/km）表示，因此，在模型中SPT电缆用基于RLCG模型的Distributed Parameters Line元件模拟。

（2） 匹配单元

匹配单元由匹配变压器、电感线圈及电解电容组成，其Simulink模型如图3所示。其中，电容C1和C2分别串联接入到钢轨侧电路中，主要起到隔离直流、导通交流的作用，防止钢轨上的直流信号通过匹配单元流向轨道电路室内设备，电感主要起到限流的作用。

（3） 钢轨线路

由于钢轨线路被补偿电容分割，因此钢轨线路可视为若干个补偿单元级联构成，单个补偿单元由补偿电容以及2个[l2]长度的钢轨组成，如图4所示，其中Ri与Li对应[l2]长度钢轨的等效电阻与电感，Rd表示l长度道床的等效电阻，C为补偿电容，Zra为补偿电容与钢轨的连接阻抗。

（4） 电气绝缘节

无绝缘轨道电路电气绝缘节形成谐振回路对不同信号频率呈现不同阻抗，实现相邻轨道的电气隔离，其由两个调谐单元BU、一个空心线圈SVAC及29 m长的钢轨组成，如图5所示。对于较低频率（1 700 Hz，2 000 Hz）轨道信号，设置La，Ca两元件构成的Fa型调谐单元，对于较高频率（2 300 Hz，2 600 Hz）轨道信号，设置Lb，Cb1，Cb2三元件构成的Fb型调谐单元；空心线圈SVAC由电感元件Ls模擬，Zca为连接阻抗；Small_Rail_Half为14.5 m的钢轨线路模型，建模过程与钢轨线路模型相同。

2 轨道信号的调制解调及仿真实现

2.1 FSK信号的调制及仿真

ZPW?2000系列轨道电路主要采用移频键控（FSK）调制信号作为其轨道信号。确定信号载频后，轨道信号就是一个以载波频率（f0）为中心加减频偏（Δf）而形成的正弦信号[4]。基于频率键控法的FSK信号调制原理如图6所示，其采用数字矩形脉冲控制电子开关，使电子开关在两个独立的振荡器之间切换，从而在输出端得到不同频率的已调信号。

基于FSK信号的调制原理，建立模型如图7所示，此模型在轨道电路模型中的发送器子系统中实现。图7中，采用受控源将FSK信号转换为电压源作为轨道电路输入。

2.2 FSK信号的解调及仿真

FSK信号的解调方法主要包括相干解调和非相干解调2种。其中，包络检波法（非相干解调）不需要稳定的本地相干载波信号，易于工程实现[5]，其原理框图如图8所示，用2个窄带滤波器分别滤出频率为f1及f2的脉冲，经包络检测后取出包络并送到抽样判别器中进行比较，从而得出解调信号。

基于上述原理，建立Simulink模型如图9所示，此模型在轨道电路模型中的接收器子系统中实现。图9中，接收端等效阻抗由实验室测试得到，零阶保持模块和量化编码器共同实现抽样判决的功能。

3 实例分析

3.1 仿真计算与验证

ZPW?2000轨道电路根据上下行线路共设有8种载频，相邻区段设置不同频率，以及18种低频，分别对应18种列车控制信息。为了验证仿真模型的正确性，本文基于Simulink模型对轨道电路进行了仿真，并选取了2014年11月北京电务段管内的某段轨道电路作为比较对象，其相关参数如表1所示。轨道电路室外设备的基本电气参数参见文献[6?7]，室内设备电气参数由供货商提供，连接阻抗等在实验室测试得到。现场测试数据与计算结果对比见表2。由表2可见，仿真结果与现场测试数据的最大相对误差在接收端轨面电压处，数值为7.3%，表明本文所建立的轨道电路仿真模型具有较高的精确度。

轨道电路接收端轨道信号的解调结果如图10所示，图10中，f（t）为轨道信号调制波形；y1（t），y2（t）为轨道信号经带通滤波器滤波后的波形；d（t）为解调波形。仿真结果表明，该模型很好地实现了轨道信号解调功能。

3.2 道床电阻对轨道电路性能的影响

ZPW?2000轨道电路根据接收端电压判断区段是否有车占用，然而，在室外降雨量较大或潮湿时，常常使轨道电路产生大量的漏泄电流，导致轨道电路在无车占用时接收端电压低于阈值，造成轨道电路“红光带”故障[8]。本文基于轨道电路的Simulink模型，通过改变l长度道床的等效电阻的方法实现室外环境对接收端电压影响的分析。取接收变比18，接收端电压阈值240 mV，因此，轨入电压需要高于0.24×[N118]，N1为接收端变压器初级线圈匝数。仿真结果如图11所示，可见随着道床电阻的减小，信号在传输过程中的漏泄增大，接收端电压的有效值逐步降低，当道床电阻值低于0.7 Ω/km时，“红光带”故障发生。

3.3 故障对轨道电路性能的影响

（1） 补偿电容断线。补偿电容在延长轨道电路的传输距离上起到了重要作用，然而，由于雷电灾害、浪涌电压、集肤效应等原因，补偿电容时常损坏[9]，对轨道电路性能带来影响。基于轨道电路的Simulink模型，通过改变补偿电容容值的方法实现对轨道电路补偿电容断线情形的仿真分析，仿真结果如图12所示。从图12中可以看出，补偿电容断线使得接收端电压下降，但是单个补偿电容断线并不影响轨道电路的工作状态，三个及其以上补偿电容断线时，轨道电路产生错误的占用信息。

（2） 电气绝缘节破损。电气绝缘节破损会使相邻轨道区段的信号进入本轨道区段，实际使用过程中因列车运行产生的振动冲击、现场捣固维护作业及复杂的应用环境等因素均可导致电气绝缘节设备发生破损。电气绝缘节破损会导致与钢轨的连接阻抗增大，在模型中可直接通过增大Zca值进行模拟[10]。建立模型如图13所示，分析相邻轨道电路（发送1，接收1）对机车信号的干扰，图13中Rf为列车等效分路电阻，取机车感应电流阈值为500 mA，轨道电路的基本参数与前述相同。

考虑最不利条件，列车在轨道区段（发送2，接收2）接收端处分路（干扰最大），在此条件下改变Zca值对上述模型进行仿真，当分路电流大于阈值，车载信号设备收到轨道信号。仿真结果如图14所示，可见电气绝缘节破损导致相邻轨道电路对机车信号设备的干扰逐步增大，当电气绝缘节连接阻抗达到正常时的1.6倍时，列车将会收到相邻区段的错误控制信息。

4 结 论

本文基于Simulink软件建立了ZPW?2000无绝缘轨道电路的层次化模型，并实现了轨道信号的调制与解调。仿真结果与现场测试数据相比，最大相对误差数值为7.3%，表明该模型具有较高的精确度。此外，在模型的基础上，分析了道床电阻、补偿电容断线、电气绝缘节破损等特殊工况对轨道电路性能的影响。结果表明，道床电阻减小将导致接收端电压有效值降低，当道床电阻值低于0.7 Ω/km时，“红光带”故障发生；补偿电容断线同样会使接收端电压下降，但是单个补偿电容断线并不影响轨道电路的工作状态，三个及其以上补偿电容断线时，轨道电路将产生错误的占用信息；电气绝缘节破损会造成机车信号设备受到干扰，当电气绝缘节连接阻抗达到正常时的1.6倍时列车将会收到相邻区段的错误信息。

图14 电气绝缘节破损对轨道电路性能的影响

参考文献

[1] 郭進.铁路信号基础设备[M].北京：中国铁道出版社，2010.

[2] 夏飞，黄金泉，周文祥.基于Matlab/Simulink的航空发动机建模与仿真研究[J].航空动力学报，2007，22（12）：2134?2138.

[3] 孙上鹏.无绝缘轨道电路故障诊断方法研究[D].北京：北京交通大学，2014.

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[5] 董昱.区间信号与列车运行控制系统[M].北京：中国铁道出版社，2008：38?43.

[6] 赵怀东，王改素.ZPW?2000A型自动闭塞设备安装与维护[M].北京：中国铁道出版社，2005：234?235.

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[8] 常运娇.轨道电路自动调压系统的研究[D].兰州：兰州交通大学，2012.

[9] 郑福林.补偿电容损坏的若干问题研究[J].铁道通信信号，2009，45（12）：31?32.

[10] 孙上鹏，赵会兵，全宏宇，等.基于定性趋势分析的无绝缘轨道电路电气绝缘节设备故障诊断方法[J].中国铁道科学，2014，35（1）：105?113.