高铁牵引电流瞬态干扰对铁路信号的影响分析

田建兆，杨世武，崔 勇，陈海康

（1.北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044；2.中国铁道科学研究院，北京 100081）

高铁牵引电流瞬态干扰对铁路信号的影响分析

田建兆1，杨世武1，崔 勇1，陈海康2

（1.北京交通大学 电子信息工程学院，北京 100044；2.中国铁道科学研究院，北京 100081）

高速铁路（简称：高铁）信号系统工作在复杂的电磁环境中，在干扰特性分析和数据处理时，需要对多种模拟和数字信号建立通用平台来完成。本文以LabVIEW软件作为开发平台，构建了集数据采集、数据格式转换、信号处理为一体的数据处理平台。平台可采集磁带记录仪等模拟信号源，并可导入记录仪存储的数据，从而形成通用处理平台。在此基础上，分析了高铁牵引电流瞬态特性对信号的影响，基于小波变换实现了对海量数据中瞬态干扰奇异点的检测。最后，采用现场实际记录波形进行了处理，验证了平台功能和算法的有效性。信号处理部分还可完成对源信号的时域实时测量、波形显示、滤波、频谱分析等功能。

虚拟仪器；LabVIEW；数据采集；高速铁路；瞬态信号；小波变换

铁路信号系统是运输的基础设施和控制中枢，随着我国高速铁路的发展，复杂电磁干扰条件下信号系统的性能评估和故障分析对于保障铁路安全和效率具有重要价值。从电磁兼容的角度，只有掌握干扰源及其耦合途径、信号设备受干扰机理，才能提出有效的解决方案 。传统的方法是分析地面轨道电路及车载机车信号等铁路信号设备故障，一般先利用数字记录仪现场记录波形,再通过人工方式翻看查找感兴趣的信号，对其进行分析。这种方法的缺点：（1）对各信号源和各通道数据的相关性分析非常不便；（2）捕获感兴趣信号（如瞬态突变信号）较为困难，且分析手段相对缺乏。因此构建通用数据处理平台，既能实时采集信号并且对信号进行检测与处理，又可对记录仪中的数据进行处理分析，对制定合理对策及指导信号设备的使用和维护意义重大。

本文选择虚拟仪器作为数据处理平台，利用其软件功能，实现对多种格式的模拟和数字信号在通用平台下的处理，完成对高速铁路（简称：高铁）牵引电流瞬态干扰进行定位及信号相关性分析。

1 虚拟数据处理平台的结构

本文以LabVIEW作为开发平台，配合数据采集卡作为硬件实现该数据处理平台的设计。该系统可实现模拟信号的采集、读入记录仪数据，完成对信号的分析与处理，其功能结构框图如图1所示。

图1 虚拟数据处理平台功能结构框图

1.1 硬件组成

基于虚拟仪器数据处理平台，硬件部分由电流传感器、数据采集卡和计算机PC等几部分组成。采集卡单通道最大采样率为250 kS/s，A/D转换器精度为16 bit。对于轨道电路信号，UM71、ZPW2000A载频最大为2 600 Hz，低频最小为10.3 Hz。数据采集卡完全满足被测对象采用率及采样精度要求。

1.2 信号源及数据多通道实现

本平台的数据源模块包括数据采集卡采集的模拟信号以及信号记录仪存储的数字信号。

数据采集模块是主要完成数据采集的控制，包括对通道、信号连接方式、采样率、采样点数及采集方式的设置和控制。利用LabVIEW中DAQmx数据采集工具包，无需编写代码就可方便得实现多个通道信号连续采集[2]。当源数据为记录仪现场采集到的信号数据时，由于LabVIEW不能直接处理记录仪REC格式数据，先将其由REC格式转换为LabVIEW可处理的数据格式，如TXT或者XLS格式，并载入虚拟数据处理平台，再转换成波形数据进而继续分析处理。对于信号记录仪中多通道同时采集的数据，需要对Read From SpreadSheet File.VI进行数据格式以及分隔符进行对应设置，再通过索引数组可把各个通道的数据提取出来进行分析，程序框图如图2所示。

1.3 信号处理模块

LabVIEW作为虚拟仪器领域最具代表性的图形化编程软件，它为用户提供了功能强大的信号处理工具包，用户根据需求可以直接调用相应模块，从而省去大量软件开发时间。在本平台信号处理模块设计中，利用LabVIEW信号处理工具包中的时域分析、频域分析及波形显示、波形存储等功能模块实现对钢轨中牵引回流及轨道电路信号的处理。

图2 读取TXT格式数据程序框图

2 小波分析对脉冲奇异点的检测

高速铁路运行将导致牵引电流明显增加，由于接触网和受电弓离线及机车工作状态切换，形成脉冲电流，给通信信号系统带来干扰甚至错误动作。在牵引电流和信号的记录中，此类瞬态干扰往往表现为高阶奇异性。

信号的突变点，即奇异点，往往包含信号比较重要的信息，其检测和定位在许多实际问题中都有重要的意义。傅里叶变换通常无法完成这一功能，而基于小波变换的方法具有良好的时频局部化能力，能够检测信号的突变点以及高阶奇异点，使得它成为信号奇异性检测的有力工具。

2.1 小波变换模极大值原理检测奇异点

当小波函数被看作某一平滑函数的一阶导数时，信号小波变换模的局部极值点对应于信号的突变点；当小波函数被看作某一平滑函数的二阶导数时，信号小波变换模的过零点也对应于信号的突变点。采用检测小波变换系数模的过零点和局部极值点的方法可以检测信号的突变点。

2.2 分解尺度及小波基的选择原则

突变点的位置有时是由小波变换的过零点反映的，有时是由其极值点反映的。通常是根据极值点进行检测，因为过零点容易受噪声干扰，而且有时过零点反映的不是突变点。在检测边沿宜采用反对称小波，检测尖峰脉冲宜采用对称小波。为了使检测有效，小波应是某一平滑函数的一、二阶导数。其次，分析尺度必须适当，以便使小波变换后的突变点基本上能反映待分析信号的突变点，只有在适当尺度下各突变点引起的小波变换才能避免交叠干扰。因此，在处理时需要把多尺度结合起来综合观察。

2.3 高铁牵引电流瞬态干扰的来源及特征

当电力机车通过分相区、升弓、降弓操作，接触网有冰凌而造成弓网接触不良、变电所过流保护开关瞬间开闭，以及列车工况的切换都会形成脉冲电流。此类脉冲电流带来的瞬态干扰具有时间短、能量高的特点，通过传导性耦合进入弱电信号系统，可能会引起信号系统故障 。在牵引电流和信号的记录中，此类瞬态干扰往往表现为高阶奇异性。

对高阶奇异性的瞬态干扰进行小波分析，选择的小波基应具有足够的消失矩阶数，同时小波基波形尽量与瞬态干扰波形一致；具有对称性的小波基对尖峰脉冲的检测效果更好，瞬态干扰主要是脉冲输入，因而采用的小波基最好要具有对称性。

db系列小波、Coif 系列小波是最接近冲击波形的小波基函数，近似对称 。对瞬态干扰的分析，小波基适宜从db系和Coif系选择，一般db3～db6、Coif2～Coif5[5～6]。在高铁牵引电流瞬态干扰分析中，需要把多尺度结合起来综合观察。

3 软件设计

本平台程序基于LabVIEW2013开发，主要包括3个模块：数据采集模块、数据处理模块、人机界面。为便于程序修改，每个模块有不同的子VI组成，同时每个模块又设计成可被调用的子VI。然后将各个功能模块均置于While循环内，通过前面板控制，使数据载入平台并进行处理。

在信号处理方面，LabVIEW提供了很多强大的信号分析工具包，本文利用其高级信号处理工具（ASPT），选取小波基函数进行编程设计。系统程序流程图如图3所示，基于LabVIEW设计的数据处理平台前面板如图4所示，该平台可对现场记录的原始波形进行小波分析、传统FFT分析以及谐波分析。在程序设计中，考虑由于数据量过大会导致处理时间过长，而且过长的波形会导致频谱分析误差加大，因此添加了截取任一段数据的功能。用户可以对感兴趣信号点进行小范围截取，从而获得该信号点精确的数据分析。

图3 程序流程图

图4 通用数据处理平台前面板

4 实测数据分析

4.1 车载机车信号记录数据分析

本组数据为重载铁路机车信号左线圈记录的数据，钢轨既是牵引电流的通道又是信号电流的通道，通过单侧线圈可以同时感应到牵引回流和信号电流。截取其中10 s测试时间分析，如图5所示。

在图5中，看不出电流的变化以及牵引电流瞬态特性。对图5数据进行5层小波分解，小波基为Coif5，其中A-D5部分如图6所示，根据小波模极大值原理，存在2处信号奇异点。对瞬态过程细节截取如图7所示。利用本平台对瞬态电流时刻提取钢轨中包含的移频信号，经滤波及FFT变换，中心载频频谱如图8所示，对比正常状态下的信号频谱如图9所示，可知瞬态电流带来明显的信号带内干扰，无法准确确定中心载频相邻的调制信号（边频），若瞬态干扰持续时间过长，根据移频信号解调原理，可能造成低频解调的失败，带来安全隐患。

图5 信号记录仪波形（车载机车信号记录数据）

图6 5层小波分解

图7 第3处瞬态电流（车载机车信号记录数据）

图8 瞬变电流处信号频谱（车载机车信号记录数据）

图9 2300-2信号中心载频及边频

4.2 牵引回流记录数据分析

本组数据为某高铁站内牵引电流回流记录数据，记录条件是有动车进站，载频2600-2型（2 598.7 Hz）。截取其中20 s原始测试数据，如图10所示。

图10 信号记录仪波形（牵引回流记录数据）

利用该平台把记录仪中通道1总电流的数据进行处理后，既可以分析任意时刻基波电流的大小，又可以分析各次谐波电流，同时还可以分析总电流中包含的信号载频及低频。

图11为截取20 s测试数据的动车组出站时总电流变化趋势。看出总电流在短时间内急剧变化，动车出站过程中具有牵引电流瞬态特性，过大冲击电流对与钢轨连接的轨道电路等设备工作产生严重影响。

图11 总电流变化趋势

对通道1数据进行3层小波分解，小波基为Coif5，其中D3部分如图12所示，根据小波模极大值原理，存在3处信号奇异点。分别对3处信号点进行截取并细节分析，发现这3处都为瞬态电流。其中，第1处，总电流在0.05 s内由24.6 A增大到54.5 A，第2处总电流在0.05 s内由49.8 A增大到76.6 A，第3处总电流在0.05 s内由79.35 A增大到148.86 A。对第3处瞬态过程细节截取如图13所示。利用本平台对第3处瞬态电流时刻提取钢轨中包含的移频信号，经滤波及FFT变换，中心载频频谱如图14所示，对比正常状态下的信号频谱如图15所示，可知瞬态电流带来明显的信号带内干扰，无法准确确定中心载频相邻的调制信号（边频），根据移频信号解调原理，持续时间过长或严重时可能造成低频解调的失败，带来安全隐患。

图12 3层小波分解D3部分

图13 第3处瞬态电流 （牵引回流记录数据）

图14 瞬变电流处信号频谱 （牵引回流记录数据）

图15 2600-2信号中心载频及边频

5 结束语

针对传统的铁路信号分析方法的不足，提出采用基于虚拟仪器的数据采集与分析系统作为通用数据平台进行信号处理的方案。整个数据采集与分析平台分为硬件和软件两个部分进行设计，实现多个通道模拟信号的实时采集并分析处理，又可对记录仪中的各个通道数据进行处理分析。重点利用小波变换实现了对牵引电流瞬态干扰及特殊信号的检测；介绍小波分析信号奇异点的原理，小波函数以及分解尺度的选取原则；介绍电气化铁路瞬态干扰的来源及特点，并给出了小波函数及分解尺度选取的建议。经验证，在现场机车信号大量测试数据中，利用小波分析可以准确找到信号畸变点；在对牵引回流数据分析中，既能对工频电流进行分析，又可把钢轨牵引电流中包含的信号电流进行提取并分析。

[1]杨世武.铁路信号抗干扰技术[M].北京：北京交通大学出版社，2012：53-64.

[2]龙华为，顾永刚.LabVIEW8.2.1与DAQ数据采集[M].北京：清华大学出版社，2008：152-156.

[3]杨世武.高铁和重载条件下电气化铁道干扰对室外信号影响研究[D].北京：北京交通大学，2014.

[4]胡昌华，李国华，刘 涛，周志杰.基于MATLAB6.x的统分析与设计-小波分析[M].西安：西安电子科技大学出版社，2004，9.

[5]何正友， 钱清泉.电力系统暂态信号分析中小波基的选择原则[J].电力系统自动化，2003，27（10）.

[6]赵林海，徐 迅，穆建成.信号奇异性检测在机车信号记录器数据分析处理中的应用[J].铁道学报，2005，27（5）124-128.

责任编辑 徐侃春

Infuence analysis of traction current transient interference of high-speed railway on railway signal

TIAN Jianzhao1,YANG Shiwu1,CUI Yong1,CHEN Haikang2
( 1.School of Electronic and Information Engineering,Beijing Tiaotong University,Beijing 100044,China;2.China Academy of Railway Sciences,Beijing 100081,China)

The Signal System of high speed railway operates in the complicated electromagnetic environment.During the interference characteristics analysis and data processing,a universal platform for various analog and digital signals should be established.An integrated data processing platform based on LabVIEW software was developed,consisting of data acquisition,data format conversion and signal processing.The platform could collect the signal of the analog source,and import the stored data of the recorder,acting as a universal processing platform.On this basis,the impact of the transient characteristics of high speed railway traction current on the signal was analyzed,and the detection of singularity of transient interference based on wavelet transformation was accomplished.Finally,by processing of the actual waveform recorded at the railway site,the validity of the platform function and algorithm were verifed. The signal processing part could implement the functions of real-time measurement in time domain,waveform display,fltering and spectrum analysis.

virtual instrument;LabVIEW;date acquisition;high speed railway;transient signal;wavelet transformation

U228.2：TP39

A

1005-8451（2016）04-0001-05

2015-09-28

国家自然科学基金资助项目（61227002）；中国铁路总公司科技研究开发计划（2014X008-1）。

田建兆，在读硕士研究生；杨世武，副教授。