楊世武，陳炳均，陳?？?，崔 勇，唐乾坤

（1.北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院，北京 100044；2.中國鐵道科學(xué)研究院標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量研究所，北京 100081；3.中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

高速或普速電氣化鐵路中，由于機(jī)車負(fù)載的非線性，牽引電流成分中除了電網(wǎng)基波頻率外，還存在一系列電網(wǎng)基波頻率整數(shù)倍分量，即諧波電流.不同機(jī)車類型、機(jī)車工作狀態(tài)的變化以及在電氣化鐵路的一些特殊區(qū)段，諧波比例和電流幅度也隨之變化.特別地，當(dāng)機(jī)車經(jīng)過包含分相區(qū)的區(qū)段時(shí)，電力機(jī)車斷路器斷開和閉合（或受電弓升降弓）過程會(huì)產(chǎn)生暫態(tài)電流（即機(jī)車勵(lì)磁涌流），包含有大量直流和諧波成分，是干擾地面信號(hào)設(shè)備的重要來源[1].分相區(qū)沖擊電流可能導(dǎo)致地面軌道電路扼流變壓器磁飽和接收器電壓波動(dòng)，進(jìn)而對(duì)設(shè)備造成干擾，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使信號(hào)故障甚至設(shè)備重啟.同時(shí)，車載機(jī)車信號(hào)所讀取的地面信息中，也會(huì)由于混入工頻諧波電流直接影響到對(duì)地面信號(hào)的解碼，可能造成列車的緊急制動(dòng)[2-4].

在諧波干擾標(biāo)準(zhǔn)和文獻(xiàn)方面，歐洲鐵路基于機(jī)車與地面設(shè)備的兼容性，制定了CLC/TS50238-2標(biāo)準(zhǔn)[5]；我國關(guān)注地面信號(hào)設(shè)備的抗擾度性能，2003年，鐵道部制定TB/T3073對(duì)鐵路信號(hào)設(shè)備（軌道電路）的諧波抗擾度給出了限值要求[6]；隨著高速和重載鐵路的迅速發(fā)展，機(jī)車（包括動(dòng)車組）類型更加多樣化，2016和2017年，中鐵總分別對(duì)軌道電路和機(jī)車信號(hào)防護(hù)牽引電流干擾標(biāo)準(zhǔn)項(xiàng)目立項(xiàng)研究.在信號(hào)設(shè)備防護(hù)研究方面，?upan等[7]根據(jù) IEC 61000-3-6對(duì)電力機(jī)車在鐵路供電系統(tǒng)中產(chǎn)生的諧波電流進(jìn)行了評(píng)估；Faten等[8]通過對(duì)突尼斯某地區(qū)的鐵路供電系統(tǒng)建模研究諧波電磁干擾問題，從機(jī)車的角度給出了防護(hù)措施；Jiao等[9]在2015年提出了一種車載諧波電流測(cè)量與管理系統(tǒng)，在測(cè)量諧波電流的同時(shí)能夠評(píng)估諧波電流對(duì)軌道電路造成的影響，進(jìn)而從電磁兼容的角度提出了防護(hù)措施；王梓丞等[10]采用FDTD接口方法，分析了列車駛?cè)?出清的瞬間接收端信號(hào)存在暫態(tài)突變的問題.作者提出了通過諧波實(shí)驗(yàn)分析各次諧波比例的方法，研究信號(hào)設(shè)備的諧波限值[1].許童羽等[11-13]提出了利用FFT（fast Fourier transformation）分析電網(wǎng)諧波干擾的方法，研究采用了基于漢寧窗的高精度FFT諧波分析方法來提高分析精度；毛廣智和解學(xué)書[14]通過對(duì)無絕緣軌道電路系統(tǒng)的分析，建立了無絕緣軌道電路主要設(shè)備的數(shù)學(xué)模型，以分析軌道電路諧波干擾.需要指出，軌道電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)已通過帶通濾波器以及頻譜處理等方式對(duì)諧波干擾進(jìn)行防護(hù)；但對(duì)于優(yōu)化軌道電路參數(shù)調(diào)整策略，通過提高信號(hào)干擾比（signal-to-interference ratio，SIR）來抑制諧波干擾方面，國內(nèi)外還沒有相關(guān)文獻(xiàn)[15-18].

1 分相區(qū)牽引電流干擾特性分析

1.1 諧波分析方法

為掌握暫態(tài)牽引電流干擾特性和機(jī)理，首先應(yīng)對(duì)電流成分進(jìn)行準(zhǔn)確分析.分相區(qū)諧波電流為脈沖式的非周期信號(hào)，由于對(duì)采樣數(shù)據(jù)的時(shí)域截?cái)嘞喈?dāng)于在頻域與窗函數(shù)頻譜進(jìn)行周期卷積，會(huì)形成頻譜泄漏，因此，宜采用加窗FFT的分析方法，減小頻譜分析誤差.標(biāo)準(zhǔn)CLC/TS50238-2[5]中規(guī)定：電力機(jī)車牽引電流諧波測(cè)量中應(yīng)采用漢寧窗來進(jìn)行測(cè)量.其中漢寧窗函數(shù)為

式中：m為從 0 取到M- 1 的自然數(shù)，M= 1，2，···.

對(duì)于暫態(tài)電流的諧波處理方法，可參照上述50238標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求設(shè)計(jì)的加窗FFT處理諧波數(shù)據(jù)流程圖如圖1所示.

圖 1 加窗FFT處理諧波數(shù)據(jù)流程Fig.1 Flowchart of harmonic data processing by utilizing windowed FFT

通過數(shù)據(jù)處理，可獲得分相區(qū)不同位置時(shí)的諧波成分，進(jìn)而確定諧波分布比例和特性、諧波電流是否超出規(guī)定限值，并為抑制措施提供參考依據(jù).

1.2 分相區(qū)暫態(tài)干擾案例分析

諧波電流對(duì)軌道電路形成干擾大小由如下3 個(gè)要素決定：（1）牽引電流中諧波比例；（2）軌道區(qū)段不平衡度；（3）軌道電路對(duì)諧波頻率的視入阻抗.

選取某重載線分相區(qū)相鄰區(qū)段測(cè)試數(shù)據(jù)作為典型案例（如圖2所示），對(duì)諧波電流進(jìn)行分析.該制式為基于FSK（頻移鍵控，簡稱移頻）調(diào)制方式的UM系列軌道電路，載頻為1 700 Hz，發(fā)送電平79.2 V（等級(jí)5）.在列車通過該軌道區(qū)段時(shí)，室內(nèi)監(jiān)測(cè)設(shè)備顯示低頻（即調(diào)制信號(hào)）亂碼，且接收器多次出現(xiàn)紅光帶現(xiàn)象.現(xiàn)場(chǎng)采集記錄鋼軌電流波形，過分相整體波形和暫態(tài)波形分別如圖 2（a）、2（b）所示.可見，在通過分相區(qū)后機(jī)車真空斷路器（vacuum circuit breaker，VCB）合閘瞬間產(chǎn)生持續(xù)時(shí)間為2 s左右的暫態(tài)電流，該波形脈沖曲線形式為尖頂波，最高幅度可以達(dá)到穩(wěn)態(tài)電流的8～10倍，波形符合機(jī)車變壓器暫態(tài)電流特征.

圖 2 列車過分相區(qū)鋼軌電流波形與軌面電壓頻譜Fig.2 Waveform of rail current and spectrum of rail surface voltage when a train passes neutral zone

分相區(qū)暫態(tài)電流是一個(gè)周期性非正弦波形，采用前述諧波特性分析方法，對(duì)暫態(tài)過程鋼軌1 （距離現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備近的鋼軌）電流數(shù)據(jù)做頻譜分析，匯總其諧波分布比例，僅列出31～40次諧波幅值大小，結(jié)果如表1所示.

表1數(shù)據(jù)表明，在軌道電路信號(hào)頻帶內(nèi)，牽引電流35次諧波即1 750 Hz含量最高，其幅值為295 mA，占總電流比例0.61%.進(jìn)一步分析諧波1 750 Hz時(shí)特性，由暫態(tài)過程鋼軌1和鋼軌2（距離現(xiàn)場(chǎng)采集設(shè)備遠(yuǎn)的鋼軌）電流可求得總電流和軌道電路不平衡度，再由軌面電壓數(shù)據(jù)，易得1 750 Hz時(shí)軌道電路視入阻抗，數(shù)據(jù)見表2.

表 1 暫態(tài)諧波電流及比例Tab.1 Transient harmonic current and its proportion

表 2 諧波1 750 Hz時(shí)測(cè)試數(shù)據(jù)Tab.2 Filed test data in the case of 1 750 Hz harmonic

從表2可看出：（1）注意到歐標(biāo)50238規(guī)定帶內(nèi)各次諧波電流應(yīng)不大于0.300 A；TB/T 3073諧波1 750 Hz限值為0.249 A，顯然，諧波總電流數(shù)據(jù)明顯超出上述限值規(guī)定.（2）軌道電路在1 750 Hz時(shí)存在較大不平衡度（約為 10%）.（3）由于 1 750 Hz諧波非常接近軌道電路工作載頻1 700 Hz，故二者視入阻抗也較為接近.

最后，將暫態(tài)電流前后的軌面電壓典型數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證，其頻譜分別如圖2（c）、（d）所示.

由圖2可得暫態(tài)電流前后軌面電壓中1 750 Hz頻譜分量數(shù)據(jù).其中暫態(tài)前軌面電壓為8.3 mV（占11.3%），暫態(tài)過程中升為94.9 mV（占23.6%）.

該數(shù)據(jù)表明，在正常分路時(shí)，已存在一定的1 750 Hz諧波干擾電壓；而在暫態(tài)電流時(shí)刻，1 750 Hz及鄰近1 650 Hz等諧波大幅上升，且諧波干擾已顯著超過移頻信號(hào)幅值.顯然，機(jī)車過分相區(qū)引發(fā)的暫態(tài)電流，導(dǎo)致1 750 Hz諧波干擾更趨嚴(yán)重.

上述分析可知，若諧波干擾影響軌道電路的3個(gè)要素均具備，那么分相區(qū)軌道電路出現(xiàn)錯(cuò)誤動(dòng)作有其必然性.鑒于通過改進(jìn)分相區(qū)設(shè)置及機(jī)車工作特性減小諧波電流較為困難，一方面，需降低軌道電路傳輸通道的不平衡度；另一方面，應(yīng)通過優(yōu)化軌道電路設(shè)計(jì)提高抗諧波干擾性能，下面重點(diǎn)討論.

2 帶內(nèi)諧波干擾抑制方法

改善軌道電路防護(hù)諧波干擾性能的本質(zhì)是提高SIR，因此，將SIR作為衡量軌道電路抑制諧波干擾效果的指標(biāo).軌道電路結(jié)構(gòu)及抑制諧波干擾方案如圖3所示.N1～N15表示1 200 m軌道區(qū)段分為15個(gè)80 m小區(qū)段（包括補(bǔ)償電容）對(duì)應(yīng)等效四端網(wǎng)，N1～N15隨著機(jī)車輪對(duì)位置變化而改變；NC、NP分別表示的是10 km模擬電纜和匹配變壓器的等效四端網(wǎng)，NS為可調(diào)衰耗器的等效四端網(wǎng).

圖 3 軌道電路抑制諧波干擾示意Fig.3 Sketch of suppressing harmonic interference to track circuit

2.1 基于FPGA的FIR數(shù)字濾波器方案

濾波是抑制傳導(dǎo)性干擾的基本技術(shù).其目的是在保留有用信號(hào)的基礎(chǔ)上濾除干擾.即在圖3中衰耗器與接收器之間插入一個(gè)具有特定頻率選擇性的濾波器.

2.1.1 濾波器設(shè)計(jì)指標(biāo)和仿真方案

不失一般性，以載頻1 700 Hz為例，其調(diào)制信號(hào)最高頻率為29 Hz.由1 750 Hz頻譜分量數(shù)據(jù)，濾波器對(duì)諧波干擾的插入損耗應(yīng) ≥ 20 dB；同時(shí)，信號(hào)頻帶 1 700 ± 29 Hz（即 1 729 和 1 671 Hz）相對(duì)增益（相對(duì)于插入損耗）應(yīng) ≥ 18 dB.

考慮到諧波1 750 Hz與移頻信號(hào)頻帶非常接近，采用模擬濾波器實(shí)現(xiàn)非常困難，而數(shù)字濾波器更加適合.有限長脈沖響應(yīng)（finite impulse response，F(xiàn)IR）數(shù)字濾波器不僅有良好的線性相頻特性，且具有穩(wěn)定特性，在鐵路等行業(yè)廣泛應(yīng)用[19-20].因信號(hào)頻率與干擾頻率十分接近，要求濾波器有足夠陡峭的過渡帶，低階FIR數(shù)字濾波器將達(dá)不到需求，而高階FIR數(shù)字濾波器將導(dǎo)致數(shù)字信號(hào)處理過程（digital signal processing，DSP）較長的處理時(shí)間.綜合考慮軟件開銷、資源投入后，采用基于FPGA （fieldprogrammable gate array）的FIR數(shù)字濾波器進(jìn)行仿真，有成熟的算法和實(shí)現(xiàn)方式.

2.1.2 仿真結(jié)果及簡要分析

首先利用MATLAB中FDA （filter design & analysis）Tool生成濾波器所需參數(shù).根據(jù)設(shè)計(jì)指標(biāo)，帶通濾波器選擇凱澤窗函數(shù)設(shè)計(jì)FIR濾波器，主要參數(shù)為：設(shè)定衰減指標(biāo)20 dB （主瓣與第一旁瓣比值）；根據(jù)采樣定理，采樣頻率應(yīng)不小于2 × 1 750 Hz，故確定為5 000 Hz；考慮信號(hào)帶寬1 671～1 729 Hz，故截止頻率確定為1 665 Hz和1 735 Hz；計(jì)算可得濾波器階數(shù)為256階.可見，由于信號(hào)頻帶與諧波干擾非常接近，濾波器過渡帶非常陡峭，必須以較高階數(shù)作為代價(jià)，才能滿足設(shè)計(jì)指標(biāo).

下一步，根據(jù)FIR數(shù)字濾波器設(shè)計(jì)原理進(jìn)行仿真，然后對(duì)輸入信號(hào)和輸出結(jié)果分別做FFT，獲得二者頻譜，最后對(duì)比濾波結(jié)果.可得輸入和輸出頻譜分別如圖4所示.

數(shù)字濾波器對(duì)信號(hào)和諧波干擾的濾波效果對(duì)比如表3所示.結(jié)果表明，盡管256階FIR濾波器基本達(dá)到預(yù)期效果，但在信號(hào)頻率1 671 Hz處衰減偏大.為取得更高的SIR，必須設(shè)計(jì)更高的階數(shù)，或者改進(jìn)窗函數(shù)來完成設(shè)計(jì).

進(jìn)一步考慮方案在實(shí)際軌道電路工程應(yīng)用的可行性，存在兩個(gè)不利因素：（1）增加濾波器或修改接收器軟件，將改變軌道電路軟硬件結(jié)構(gòu)，從而對(duì)可靠性和安全性帶來潛在影響.（2）若采用高階數(shù)字濾波器，其處理延時(shí)將增加軌道電路系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間.

圖 4 輸入信號(hào)與輸出信號(hào)頻譜Fig.4 Spectra of input and output signals

表 3 數(shù)字濾波器衰減特性Tab.3 Attenuation characteristics of digital filter

2.2 軌道電路發(fā)送器和衰耗器協(xié)同優(yōu)化方案

傳統(tǒng)的軌道電路調(diào)整表主要基于軌道電路一次調(diào)整的要求進(jìn)行計(jì)算，未考慮信號(hào)干擾比因素.在1.2節(jié)所述典型案例中，注意到諧波干擾源自牽引電流，屬于電流源[21].在保證軌道電路移頻信號(hào)處于正常范圍的前提下，通過優(yōu)化發(fā)送器功率輸出（可調(diào)電平為33～176 V）與衰耗器（匝數(shù)比為116∶（1～146））衰耗系數(shù)，可提高接收器SIR.

2.2.1 軌道電路協(xié)同優(yōu)化模型

軌道電路從發(fā)送器到接收器可以等效為多個(gè)四端口網(wǎng)絡(luò)的級(jí)聯(lián)形式，利用此模型可以精確分析在不同發(fā)送電平、衰耗參數(shù)及軌道電路一次參數(shù)的條件下，軌道電路接收器電壓大小.四端網(wǎng)對(duì)應(yīng)的傳輸矩陣均為2 × 2矩陣.以四端網(wǎng)N1舉例，根據(jù)傳輸線理論，四端網(wǎng)N1輸入/輸出端口的電流/電壓可寫成式（2）的形式.

式中：U和I分別為輸入端電壓和電流；Uout和Iout分別為輸出端電壓和電流；N1ij為四端網(wǎng)N1對(duì)應(yīng)的傳輸矩陣N（x）第i行第j列對(duì)應(yīng)元素，其中，i= 1，2，j= 1，2，x為分路輪對(duì)在軌道上的位置，機(jī)車位置的改變引起傳輸矩陣不斷變化.

諧波干擾是由于牽引電流由接觸網(wǎng)經(jīng)電力機(jī)車輪對(duì)泄放至軌道中，進(jìn)而由軌道流回到變電所，簡化為干擾電流由機(jī)車輪對(duì)向軌道兩側(cè)進(jìn)行傳輸.圖3簡化后的軌道電路等效模型如圖5（a）所示.

圖5（a）中：VS為發(fā)送器輸出電平；F為從軌道電路發(fā)送端電纜到機(jī)車分路輪對(duì)前方鋼軌所組成的四端網(wǎng)，其對(duì)應(yīng)的傳輸矩陣為F（x）；Rf為機(jī)車輪對(duì)的等效分路電阻；IR為機(jī)車信號(hào)接收線圈線圈下方鋼軌信號(hào)電流；TZ為等效分路點(diǎn)經(jīng)調(diào)諧單元到接收端衰耗器前方的等效四端網(wǎng)，其對(duì)應(yīng)傳輸矩陣為TZ（x）；等效四端網(wǎng) NS對(duì)應(yīng)的可調(diào)匝數(shù)為N（1～146）；ZR為接收器阻抗；虛線框內(nèi)為發(fā)送器經(jīng)軌道電路至接收器級(jí)聯(lián)而成的四端網(wǎng)，其對(duì)應(yīng)的傳輸矩陣為T（x）；定義ZRZ（x）為分路輪對(duì)到接收端的視入阻抗.

軌道電路接收器電壓VT和發(fā)送器后視入阻抗Zin分別為

機(jī)車在軌道運(yùn)行時(shí)前方機(jī)車信號(hào)接收電流為

根據(jù)鐵路信號(hào)維護(hù)規(guī)則[22]，機(jī)車信號(hào)接收電流與機(jī)車信號(hào)電壓符合式（6）的定量關(guān)系：

軌道電路中存在的諧波干擾電流等效模型如圖 5（b）所示.圖 5（b）中：IF表示為干擾諧波電流源；Rf為分路電阻；ZZ表示分路輪對(duì)至接收端衰耗器前方的等效四端網(wǎng)，對(duì)應(yīng)的傳輸矩陣為ZZ（x）；ZR為接收器等效電阻.

圖 5 軌道電路受擾模型Fig.5 Model of track circuit with interference

諧波干擾取最不利條件，即干擾諧波電流IF最大，傳輸阻抗最小（即機(jī)車分路輪對(duì)處于接收端位置時(shí)），此時(shí)有：

聯(lián)立式（7），并令I(lǐng)2= 0，根據(jù)戴維南等效電路可求得諧波干擾電流對(duì)軌道電路接收器影響電壓：

進(jìn)而可得分路狀態(tài)條件下軌道電路受到諧波電流干擾下接收器疊加電壓為

而調(diào)整狀態(tài)時(shí)，即軌道區(qū)段無機(jī)車分路輪對(duì)，將發(fā)送器至接收器等效四端網(wǎng)為Tt，對(duì)應(yīng)的傳輸矩陣為Tt（x），調(diào)整狀態(tài)時(shí)發(fā)送器后視入阻抗為Ztin，此時(shí)接收器電壓為

2.2.2 軌道電路協(xié)同優(yōu)化流程

UM系列軌道電路正常工作時(shí)需要滿足3個(gè)條件[22]：（1）在調(diào)整狀態(tài)下，軌道電路接收器電壓（即軌出電壓）≥ 240 mV，軌道電路應(yīng)可靠工作；（2）在軌道電路最不利條件下，使用標(biāo)準(zhǔn)分路電阻0.15 Ω在軌道區(qū)段的任意點(diǎn)分路時(shí)，接收器接收電壓（軌出電壓）應(yīng) ≤ 140 mV，軌道電路應(yīng)可靠不工作；（3）在最不利分路條件下，軌道電路任意處軌面機(jī)車信號(hào)短路電流應(yīng)在載頻 1 700、2 000、2 300 Hz時(shí) ≥ 0.500 A，2 600 Hz時(shí) ≥ 0.450 A.此3個(gè)條件構(gòu)成待優(yōu)化參數(shù)的約束條件，如式（10）所示.

優(yōu)化方案目標(biāo)為尋找出同時(shí)符合上述約束條件的發(fā)送電平VS和衰耗器可調(diào)匝數(shù)N的最優(yōu)組合.

最優(yōu)組合判據(jù)是：在保證軌道電路可靠工作前提下，調(diào)整狀態(tài)接收器電壓與經(jīng)過衰耗器后在接收器上產(chǎn)生干擾電壓所決定的SIR最大值.首先，應(yīng)注意到干擾類型既可能是本區(qū)段處于分路狀態(tài)下，也可能是鄰區(qū)段干擾到本區(qū)段調(diào)整（空閑）狀態(tài)，考慮到最不利情況，故仿真過程中采用故障注入的方式將干擾以軌面諧波的方式直接加在接收器端；第二，式（10）中，3種約束條件并非完全獨(dú)立，受干擾的軌道電路所處狀態(tài)可能是調(diào)整狀態(tài)也可能是分路狀態(tài)，且不同的線路參數(shù)也會(huì)影響最終結(jié)果.因此，優(yōu)化步驟設(shè)計(jì)如下所示.

步驟1確定當(dāng)前受干擾狀態(tài)是分路狀態(tài)或調(diào)整狀態(tài).

步驟2在當(dāng)前狀態(tài)條件下，經(jīng)過3次判斷，找出符合所有約束條件的參數(shù)組合.

步驟3針對(duì)另一種受干擾狀態(tài)，重復(fù)步驟1與步驟2.

步驟4將符合兩種受干擾狀態(tài)的參數(shù)組合交集取出，篩選最優(yōu)參數(shù)組合.

具體步驟流程見圖6.由于受干擾區(qū)段不可能同時(shí)處于分路狀態(tài)和調(diào)整狀態(tài)，因此進(jìn)行約束條件判斷時(shí)流程圖采用順序結(jié)構(gòu)，且實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明約束條件3次判斷順序?qū)ψ罱K實(shí)驗(yàn)結(jié)果無任何影響.

2.2.3 軌道電路協(xié)同優(yōu)化模型仿真結(jié)果

圖 6 優(yōu)化方法流程Fig.6 Flowchart of optimization method

以1.2節(jié)所述重載區(qū)段案例為例，干擾頻率選為1 750 Hz，軌面諧波干擾電壓取為95 mV，仿真采用以下參數(shù)[23]：載頻信號(hào)1 700 Hz，軌道電路長度1 200 m，鋼軌電阻1.70 Ω/km，鋼軌電感1 413 μH/km，補(bǔ)償電容46 μF，補(bǔ)償間距為80 m，模擬電纜長度為10 km，道砟電阻率取5 Ω·km.MATLAB仿真結(jié)果如圖7所示.

圖 7 優(yōu)化后可取參數(shù)SIR示意Fig.7 SIR using optimized parameters

由圖7（a）可見，在調(diào)整狀態(tài)下，當(dāng)發(fā)送電平81 V，衰耗器116∶43時(shí)，SIR最小值為13.84 dB.當(dāng)發(fā)送電平 176 V，衰耗器 116∶44時(shí)，SIR為 19.58 dB；即不同參數(shù)組合的SIR存在6 dB差異.圖7（b）為圖7（a）的俯視圖，帶顏色區(qū)域即為可取參數(shù)組合范圍.

該故障區(qū)段調(diào)整表發(fā)送電平可選等級(jí)如表4所示.

表 4 某故障區(qū)段發(fā)送器電平等級(jí)表Tab.4 Transmission voltage levels used in a fault section

結(jié)合圖7與表4結(jié)果，在干擾電壓不變的前提下，表4中電平等級(jí)5未能滿足式（10）約束條件，將導(dǎo)致軌道電路不能可靠工作.因此后文中所選電平等級(jí)為1～4級(jí)，具體衰耗參數(shù)范圍及相應(yīng)SIR如表5所示.可見，電平等級(jí)1～4滿足條件，但對(duì)應(yīng)的SIR值相差近3 dB.

2.2.4 各狀態(tài)下優(yōu)化組合指標(biāo)及效果

分別取電平等級(jí)為1和4、相應(yīng)衰耗參數(shù)最大或最小時(shí)的4組數(shù)據(jù)，考察不同的優(yōu)化組合對(duì)軌道電路調(diào)整、分路（含機(jī)車信號(hào)）狀態(tài)的具體影響，并與電平等級(jí)為5的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比.其中，優(yōu)化后分路狀態(tài)接收器信號(hào)殘壓取最不利值，并記錄對(duì)應(yīng)的機(jī)車信號(hào)接收電壓及機(jī)車信號(hào)電流.具體數(shù)據(jù)如表6所示.

由圖7以及表6可看出，在滿足約束條件的情況下，不同的發(fā)送電平與衰耗參數(shù)組合最多將給調(diào)整狀態(tài)SIR帶來6 dB的顯著差異.

根據(jù)仿真結(jié)果，對(duì)上述重載故障區(qū)段發(fā)送和接收配置進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整，“閃紅”故障完全消除，已穩(wěn)定應(yīng)用超過1年.

表 5 不同電平等級(jí)對(duì)應(yīng)衰耗參數(shù)Tab.5 Attenuation values for different voltage levels

表 6 不同電平等級(jí)下優(yōu)化組合仿真數(shù)據(jù)Tab.6 Simulation data of optimization strategy under different voltage levels

3 結(jié) 論

首先通過對(duì)分相區(qū)牽引電流暫態(tài)電流的采集數(shù)據(jù)分析，說明了其諧波成分在具備一定條件下將對(duì)軌道電路足以形成干擾.然后以載頻1 700 Hz和諧波1 750 Hz為例，從直接抑制諧波干擾的角度，簡要討論了“基于FPGA的FIR數(shù)字濾波器方案”，指出由于信號(hào)頻帶與諧波干擾非常接近，必須以較高階數(shù)作為代價(jià)；同時(shí)，除處理延時(shí)外，增加濾波器將影響軌道電路可靠性和安全性，因此難以應(yīng)用于工程實(shí)踐.

基于諧波干擾的電流源特征，重點(diǎn)提出并闡述了“軌道電路發(fā)送器和衰耗器的協(xié)同優(yōu)化方案”.對(duì)軌道電路自身的可調(diào)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，即通過合理配置發(fā)送器的發(fā)送電壓和衰耗器衰耗級(jí)數(shù)來實(shí)現(xiàn)，二者的協(xié)同優(yōu)化應(yīng)同時(shí)滿足軌道電路調(diào)整、分路和機(jī)車信號(hào)狀態(tài)的約束條件，實(shí)現(xiàn)對(duì)諧波干擾的抑制效果，具有以下優(yōu)點(diǎn)：（1）基于對(duì)軌道電路的結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化，不需改變?cè)邢到y(tǒng)硬件和軟件.（2）協(xié)同優(yōu)化方案不存在數(shù)字濾波方案的延時(shí)問題.（3）在保證對(duì)接收器電壓符合“維規(guī)”要求的情況下，明顯提高調(diào)整狀態(tài)的信干比.（4）在對(duì)干擾諧波電壓進(jìn)行衰減的同時(shí)，保證信號(hào)電壓基本無衰減.目前，該方案已成功應(yīng)用于鐵路現(xiàn)場(chǎng)故障區(qū)段，對(duì)于軌道電路調(diào)整和諧波干擾防護(hù)顯示了應(yīng)用價(jià)值.

致謝：感謝朔黃鐵路發(fā)展有限公司王玉麟工程師對(duì)本文所做的貢獻(xiàn).