一种智能化铁路高速列车电磁兼容预测系统

技术领域

本发明涉及轨道交通电磁兼容领域，为一种智能化铁路高速列车电磁兼容预测系统。

背景技术

铁路高速列车的电磁兼容性是指高速列车内部设备、分系统、系统在共同的电磁环境中能够互不干扰的进行正常工作的状态；也就是说，当高速列车的电磁兼容性满足要求时，其内部任何设备、分系统、系统都应该不受干扰并且不干扰其他设备的正常工作；高速列车在初始设计时，考虑到电磁兼容问题，将牵引变压器、牵引变流器、牵引电机、高压设备箱、逆变电源、制动控制装置、空气压缩机、蓄电池箱等主要大功率高压设备布置在车下，将网络通信、列车控制以及直流、低压交流设备布置在车上，但由于高速列车空间有限，导致设备密度极大，高低压设备间供电线缆及信号控制线缆连接错综复杂，加之系统结构复杂及设备运行方式多样导致高速列车内部电磁骚扰源的形成机理及特性多种多样，电磁骚扰耦合机理异常复杂，设备或系统在某种特定条件下是受扰设备的同时也有可能成为其他设备或系统的电磁干扰源；这些使得高速列车的电磁兼容问题难以分析，电磁干扰难以控制；简单对高速列车某一设备或器件的电磁兼容性进行分析，并不能全面、有效的对高速列车的电磁兼容性进行分析；而对于高速列车这一大尺寸的复杂系统而言，使用传统的电磁场数值分析方法进行分析又面临计算量过大，计算时间过长，计算结果难以收敛的问题；因此，从降低高速列车电磁兼容性分析的复杂程度，减少建模仿真计算时间，提高预测准确度的层面出发，全面、系统考虑高速列车电磁骚扰源、电磁骚扰传输途径及敏感设备的特征，寻找一种新型建模预测方法，实现对高速列车系统级的电磁兼容预测分析十分必要。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种解决或部分解决上述问题的智能化铁路高速列车电磁兼容预测系统。

为达到上述技术方案的效果，本发明的技术方案为：一种智能化铁路高速列车电磁兼容预测系统，包含以下内容：

所述电磁兼预测系统包含单一对象预测子系统，模块预测子系统以及组预测子系统；

所述单一对象预测子系统负责预测单一电磁兼容研究对象，包括引变压器、牵引变流器、牵引电机、高压设备箱、逆变电源、制动控制装置、空气压缩机、蓄电池箱、网络通信、列车控制以及直流、低压交流设备、供电线缆及信号控制线缆的单一的电磁干扰源为对象，通过判定其初始参数设定、工作环境及工作方式与工作实际参数及工作产生的效应的关系确定第一对象产生电磁干扰能力及抗电磁性能；初始工作参数和实际工作效应参数之间关系的数学描述为：

其中I表示单一对象初始的参数设定，工作环境布置及工作方式前提条件的集合，I＝{i

所述模块预测子系统负责预测组合型电磁兼容研究模块，将同类或不同类、同量或不同量的单一对象组合在一起形成组合型电磁兼容研究模块，包括牵引模块、控制模块、供电模块、通信模块；分析各个模块内同类同量、同类不同量、不同类同量或不同类不同量的单一对象之间电磁兼容的相互影响，模块环境下对象之间相互的电磁干扰能力及对象的电磁抗干扰性能；各个模块所包含对象之间相互作用关系的数学描述为：

其中i＝1，2，3…n表示一个模块内所拥有的n个单一对象，a表示单一对象的电磁兼容性能参数，a越大，电磁兼容性越强，a

其中v

所述组预测子系统预测多个电磁兼容模块的电磁兼容研究组，将不同的模块按照其工作原理，相互作用性，在列车内的分布，关联性研究需求及约束条件组合在一起形成一个组，预测组内两个及更多不同模块间相互的电磁干扰性，以及模块在组内抗其他模块干扰的能力；模块之间电磁兼容预测的数学描述为：

其中U，K分别表示不同模块组成的电磁兼容研究组，u和g均为各自组的兼容系数，W为两个组的权值系数矩阵，K为扰动因素，包括不确定的环境因素和人为因素，Ω为组内不稳定因子，E为对U组所受扰动的度量，λ为权值系数，x、y分别为干扰动量和抗干扰动量，E(U，K)表示通过该函数预测出的两个组相互作用下的电磁兼容性参数，E(U，K)越大，表示K组比U组的电磁兼容能力越强；

单一对象预测子系统，模块预测子系统以及组预测子系统共同作用，预测整个系统的电磁兼容性；所有组之间的相互的电磁干扰和抗干扰能力代表了整个系统内部的电磁兼容性，通过分析各个组在正常工作范围内所产生的电磁兼容问题预测出系统电磁兼容性能，包括干扰性和抗干扰性；系统外部的电磁兼容由外部系统在特定环境下产生，设定对比系统在正常电磁兼容标准内，由此来预测本系统的电磁兼容能力，即对外部系统的电磁干扰性和抗外部电磁干扰的性能；

本发明的有益成果为有效的降低了高速列车电磁兼容性分析的复杂程度，减少建模仿真计算时间，提高了预测准确度，全面、系统的考虑了高速列车电磁骚扰源、电磁骚扰传输途径及敏感设备的特征，实现了对高速列车系统级的电磁兼容预测分析。

附图说明：

图1为本发明的系统组成模块示意图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行详细的说明。应当说明的是，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，能实现同样功能的产品属于等同替换和改进，均包含在本发明的保护范围之内。具体方法如下：

实施例1：高速列车达到一定速度，主断路器的断开闭合会导致出现大量高电压传导脉冲骚扰，其随着供电线传输到设备电源端口，由于列车内部空间限制，供电线与信号线并行走线，线间串扰严重，线间串扰作为高速列车电磁骚扰的一个主要耦合途径，是高速列车电磁兼容预测分析时所必须研究的部分；传输线上的电磁波以横电磁波模式传播，即电场与磁场均没有沿传输线方向的分量，传输线间隔足够宽，传输线周围的电荷和电流分布本质上是均匀的，线间不存在交叉耦合的情况，即忽略受扰线上感应电流所产生的场对干扰线的影响；高速列车内密集布置着电力电缆、控制电缆、数据通讯电缆等不同种类、不同功率等级的电缆，相同类型的的线缆并行捆扎在一起，导致线间交叉耦合情况不可忽略；

大量信号线缆与供电线缆并行敷设长达十几米，列车过分相时产生的高频脉冲骚扰会通过供电线进行传输，并以串扰的形式对于其并行的信号线上的有用信号造成影响；随着频率增高，信号线与供电线间的电磁波不再仅以TEM模式进行传播，高次模出现；供电线上的高压脉冲骚扰可能通过线间串扰的方式耦合到信号线上，信号线和供电线分别为预测的不同对象，所有的供电线、信号线组合在一起形成系统的预测模块；Profibus总线使用菊花链结构连接设备实现数据通讯，其为双总线冗余结构，总线在布线时靠近车体侧壁，220V交流供电线与其紧贴平行走线，取车体作为多线传输系统的参考地；由于供电线和信号线布置在列车内部，并紧靠车体走线，在分析两线之间的串扰情况时还需要考虑车体壁的影响，因此将车体壁对象纳入预测模块，其作为预测研究的一部分；多供电线与Profibus总线组成的多线传输系统的端口的电磁受干扰情况的预测分析通过对此模块划分为网格并设置边界条件，设置好端口并提取出端口的网络传输函数进行预测；

随着列车速度提高，通过电分相区频率增大引入自动过分相，采用此种方式进行的主断路器切段、闭合操作使牵引供电电路结构发生变化，车内牵引系统产生的传导脉冲骚扰随供电线进行传输，并通过线间串扰对与该线缆平行走线的信号线内有用信号产生电磁干扰；通过测量确定接地线共模电流骚扰特性；

列车分相时高压输电线上传输的强脉冲骚扰通过线间串扰的方式对传感器信号线的有用信号的干扰通过分析信号耦合的电磁骚扰预测，对多线传输系统进行网格化分、边界条件好虚拟节点的设置构建出传输函数；结合线缆端口的实际连接状态，通过改变端口参数对列车正常运行状态及过分相时Profibus总线端口耦合到的骚扰电压进行预测分析，证明了列车在过分相时出现的通信中断是线间的电磁干扰所致，进一步证明了所述系统预测电磁兼容的有效性。

实施例2:高速列车集多种高压大功率设备、弱电信号控制设备、网络通信设备等电子电气设备于一体，其内部电磁干扰源众多，形成机理和干扰特性多种多样，；在特定情况下，某个特定的干扰源会成为另一系统或设备(干扰源)的受扰设备，而某个特定的受扰设备本身也可能是另一系统或设备(受扰设备)的干扰源；

高速列车的车载设备布置时通常将牵引变压器、变流器、牵引电机及大功率设备放置在车底，信号控制、网络通信等低压弱电设备放在车内以避免高压大功率设备对低压信号控制设备的电磁干扰；车底的高压大功率设备各个模块之间组合形成一个组，车内的低压信号控制设备为一个组，系统对已经确定电磁兼容性的两个组之间的电磁干扰和抗干扰性能进行预测；

其中U,K分别车底的高压大功率设备各个模块之间组合形成的一个组和车内的低压信号控制设备组合形成的一个组，u和g均为各自组的兼容系数，W为两个组的权值系数矩阵，K为扰动因素，Ω为组内不稳定因子，E为对U组所受扰动的度量，λ为权值系数，E(U，K)表示通过该函数预测出的两个组相互作用下的电磁兼容能力；

设备采集的信息通过信号线经由车底传送至相应处理单元进行信息处理，线槽内小的空间使两个组线间的串扰耦合特性发生变化，根据线缆走线的位置用分快的方法对车底线间串扰情况进行分析预测；调试不同的函数，设置边界条件，构建各个网络的传输函数，建立车底线间串扰耦合的多端口网络模型，进而对线槽内部线缆走线位置进行预测分析，指出线槽顶盖的设计应避免车底电流辐射发射对线缆的影响以及各个组之间的布置应设置不同的隔舱以减少线间的电磁串扰。