中低速磁浮信号车地通信电磁干扰研究与实现

2022-03-03赵东亮

铁路通信信号工程技术 2022年2期

关键词：车地环线干扰信号

赵东亮

(通号城市轨道交通技术有限公司，北京 100070)

1 概述

北京市中低速磁浮交通示范线（北京S1线）的线路全长10.2 km，起点石厂站，终点苹果园站，全线设8座车站。北京S1线配属列车10列，采用中低速磁浮列车。2017年12月30日，石厂站至金安桥站7站6区间开始载客试运营。

北京S1线信号系统采用基于感应环线的移动闭塞系统（FZL200系统），系统主要由列车自动监控（ATS）、计算机联锁（CI）、列车自动防护（ATP）、列车自动运行（ATO）子系统构成。系统采用感应环线进行车地双向通信，实现了移动闭塞。

北京S1线列车采用6节编组，全部为动车，采用直线电机牵引。当列车速度在电空转换速度（7 km/h）以上时，常用制动采用电制动。当列车速度在电空转换速度以下时，常用制动采用气液制动。气液制动通过控制车辆上的闸片和地面轨道侧面接触摩擦进行制动。

中低速磁浮交通和轮轨交通的区别是，列车没有轮对，运行时车体和轨道没有接触。在北京S1线，为了乘客保护，在站台设有接地轨，车体通过接地电刷与接地轨连接直接接地。列车在区间运行时，列车通过回流电刷与供电负极轨连接，负极轨到牵引变电所通过64D接地漏电保护电路与地连接。

在北京S1线开通调试及载客试运营的过程中，出现了影响车地通信的外部干扰，引起车地通信中断，造成列车紧急停车，对乘客服务质量造成影响。

2 车地通信系统介绍

FZL200型系统采用H20型TWC系统实现车地双向通信功能。FZL200系统车地通信TWC子系统技术参数如下。

车到地通信：载频54.55 kHz；频偏：400 Hz，速率1 200 bit/s；调制方式：FSK。

地到车通信：载频35.8 kHz；频偏：400 Hz，速率1 200 bit/s；调制方式：FSK。

TWC系统设备按位置可分3部分：轨旁室内设备、轨旁室外设备和车载设备。TWC轨旁室内设备包括发送设备、切换设备、环线检测滤波设备、接收设备和防雷单元；TWC轨旁室外设备包括馈电电缆、始端/终端匹配设备和环线电缆；车载设备包括电源、发送设备、接收设备、交叉点提取设备、发送天线和接收天线。

TWC系统主要实现发码、解码、提取交叉点功能。

轨旁室内发送设备把ZC的控车命令转换为模拟信号发送到轨旁室外设备，轨旁室外设备把信号通过环线向空间发送，车载接收设备通过接收天线接收空间的信号解码后传给车载ATP。车载发送设备把车载ATP的反馈信息转换为模拟信号后，经过发送天线向空间发射，轨旁室外设备环线感应到信号后，送给轨旁室内接收设备，解码后转给ZC。

通过识别环线边界和交叉点，车载ATP可以实现位置初始化和位置校正。

3 车地通信干扰分析

电磁干扰是指电磁骚扰引起的设备、传输通道或系统性能的下降。电磁干扰由电磁骚扰源发射的电磁能量，经过耦合途径传输到敏感设备。形成电磁干扰后果必须具备3个基本要素：电磁骚扰源、耦合途径和敏感设备。

3.1 车载TWC设备干扰分析

在现场车地设备联调期间发现车载TWC接收设备在列车运营过程中出现不同程度的接收误码及通信中断的现象。

每个车端有2个TWC发送天线、2个TWC接收天线，前发送和前接收天线安装在MC1/MC2端第一转向架上，后发送和后接收天线安装在MC1/MC2端第三转向架上。

针对车载TWC接收天线受干扰情况，分别测试了以下工况。

1）地面TWC设备断电，用示波器测量列车正常运行情况下/切除头车牵引系统条件下列车静止、惰行、牵引和制动情况下的信号波形。

2）地面TWC设备上电，用示波器测量列车正常运行条件下/切除头车牵引系统列车静止、惰行、牵引和制动情况下的信号波形。

测量的波形如图1、2所示，其中黄色波形为前接收天线波形，青色波形为后接收天线波形。

图1 地面TWC设备断电时车载TWC天线波形Fig.1 On-board TWC antenna waveform when wayside TWC not working

根据试验结果得出以下结论：

1）列车在牵引/制动/惰行条件下对TWC接收天线信号均存在干扰，牵引制动时干扰信号明显大于惰行时干扰信号；

2）和前接收天线相比，后接收天线距离直线电机距离更近，后接收天线受干扰的程度明显强于前接收天线；

3）后天线接收到的干扰信号幅度高于有用信号幅度（最高可达3倍），干扰信号存在地对车通信频率35.8 kHz带内分量，影响车载TWC接收信号波形和解码功能；

4）在头车切除牵引的情况下，车辆在牵引、制动和惰行等工况下对TWC天线接收信号影响较小。

根据以上试验结果，技术人员又进行了以下试验：

1）改变后接收天线的位置（安装位置移至第4/第5转向架）不能有效的远离干扰源；

2）对被干扰对象（接收天线本身）进行屏蔽，不能有效的抑制干扰信号；

3）单独布置TWC接收天线至车载机柜的连接电缆不能有效的抑制干扰信号。

通过对上述试验的分析总结，发现车载TWC接收天线干扰信号来源于车辆牵引电机。由于车辆牵引、制动等动作的不断变换，使得电机产生不同频率的干扰信号，通过空间耦合到车载接收天线上，造成车载TWC接收天线收到频带内的干扰信号，最终导致误码及通信中断。

图2 地面TWC设备正常工作时车载TWC天线波形Fig.2 On-board TWC antenna waveform when wayside TWC working

3.2 地面TWC设备干扰分析

北京S1线载客试运营以来，通过软件优化等措施车地通信逐步下降。但是2019年6月以来，列车在区间车地通信中断引发列车降级问题高发。

发生通信中断的原因是地面TWC无法接收车载TWC发送的信号，通过在地面设备室架设示波器及录波仪对问题高发的区段地面接收信号进行录波，确定为TWC地面设备接收到异常干扰信号导致无法解出有效信号，进而引发地面与车载的通信中断问题，具体波形如图3、4所示。

图3 正常情况下地面TWC接收到信号波形Fig.3 Signal waveform received by wayside TWC under nomal condition

图4 通信中断时地面TWC接收到信号波形Fig.4 Signal waveform received by wayside TWC under EMI conditions

与地铁运营通号公司技术人员通过频谱分析，发现的干扰信号频率主要为57～58 kHz，该干扰信号频率在TWC有效信号接收频带范围（52～58 kHz）内，通过TWC环线检测滤波板固有的带通滤波难以滤除，且由于干扰信号能量是有效信号能量的4～5倍，导致地面TWC无法解析出有效信号而造成车地通信中断，波形及频谱如图5所示。

图5 通信中断时干扰信号与有效信号频谱对比Fig.5 Frequency spectrum contrast of effective and interference signals under EMI conditions

（图5中黄色线为信号输出的54.55 kHz能量，红色线为干扰信号58 kHz的能量，干扰信号完全淹没了有效信号）

为进一步分析干扰原因，委托第三方进行了电磁干扰诊断测试。经过现场测试，确定干扰源为车辆牵引变流器和辅助变流器，车辆的牵引变流器和辅助变流器在54.55 kHz频点附近有较为明显的谐波电流。干扰路径为空间辐射耦合。

4 采取的措施

为实现电磁兼容，采用的技术措施就是从分析电磁骚扰源、耦合途径和敏感设备着手，抑制骚扰源，消除或减弱骚扰的耦合，降低敏感设备对骚扰的响应。

在没有有效办法抑制骚扰源和消除耦合途径的情况下，采用在车载TWC和地面TWC增加针对性措施降低骚扰对车地通信的影响。

4.1 车载TWC设备采取的措施

根据车载TWC设备干扰分析，后接收天线受干扰的程度明显强于前接收天线。采取再增加一个后接收天线和原后接收天线级联的方法，进行干扰信号抵消，降低干扰信号，增强有效信号。

车载天线布置方案如下：保持原天线位置不变，在车头的第3转向架处（即后发送天线正后方）增加一个TWC接收天线，新增加的接收天线横向与另一个后接收天线并行，高度与其他天线相同，其安装位置示意如图6所示。

图6 车载TWC天线安装示意Fig.6 Installation diagram of on-board TWC antenna

由于TWC天线的设计原理是采用“切割磁感应线圈”的工作原理，当列车上的TWC接收天线经过环线产生磁场后，天线产生感应电流，并由TWC车载设备提取相应的有效信号。假设干扰信号从单一方向进入，通过两个并联且反向安装的TWC接收天线（正反方向）后，产生干扰信号的电流方向反向，从而抵消来自车辆两个方向的干扰信号，其工作原理如图7所示。