鐵路接觸網(wǎng)隔離開關(guān)遠(yuǎn)程無線控制系統(tǒng)研究

田 雨

0 引言

電氣化鐵路27.5 kV 高壓隔離開關(guān)多分布于接觸網(wǎng)錨段關(guān)節(jié)、關(guān)節(jié)式分相、車站接觸網(wǎng)貨運(yùn)線、機(jī)車整備線等場(chǎng)所，是電氣化鐵路電力牽引供電的重要設(shè)備，其主要功能是隔離故障、分段作業(yè)及改變運(yùn)行方式等。在樞紐站場(chǎng)和接觸網(wǎng)存在數(shù)量眾多、分布范圍較廣的接觸網(wǎng)隔離開關(guān)，多采用人工現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)或有線遠(yuǎn)程操作的傳統(tǒng)操作方式。人工現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)操作工作效率非常低，而有線的遠(yuǎn)程操作需要敷設(shè)電纜，人工成本大、施工難度大、周期長，耗費(fèi)大量的人力財(cái)力。這就制約了整個(gè)接觸網(wǎng)線路自動(dòng)化水平的提高。因此對(duì)其實(shí)施無線遠(yuǎn)動(dòng)操作及集中監(jiān)控意義重大。

本文主要研究以Wi-Fi 技術(shù)為無線傳輸平臺(tái)在鐵路接觸網(wǎng)高壓隔離開關(guān)上的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程高壓隔離開關(guān)控制、數(shù)據(jù)采集、視頻監(jiān)控等多種功能。

1 Wi-Fi 技術(shù)

（1）Wi-Fi 技術(shù)定義。Wi-Fi 是英文Wireless Fidelity 的縮寫，即無線局域網(wǎng)，它是IEEE（美國電工電子技術(shù)協(xié)會(huì)）定義的一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)通信的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。Wi-Fi 產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)是遵循IEEE 所制定的802.11 系列標(biāo)準(zhǔn)，它是美國電機(jī)電子工程師協(xié)會(huì)為解決無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備互聯(lián)、于1997 年制定發(fā)布的無線局域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)。而為推動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，滿足人們的需要，IEEE 相繼推出了3 個(gè)新標(biāo)準(zhǔn)，即802.11b、802.11a 和802.11g 標(biāo)準(zhǔn)，因此一般所謂的802.11x 系列標(biāo)準(zhǔn)都屬于Wi-Fi。跟傳統(tǒng)的有線局域網(wǎng)相比，基于Wi-Fi 協(xié)議的無線局域網(wǎng)具有可移動(dòng)性，動(dòng)態(tài)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和易搭建的特點(diǎn)，用戶可以根據(jù)需求和環(huán)境選擇合適的局域網(wǎng)技術(shù)來構(gòu)建自己的網(wǎng)絡(luò)。

（2）Wi-Fi 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)組成。Wi-Fi 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)由站點(diǎn)（STATION）、基本服務(wù)單元（BSS）、分配系統(tǒng)（DS）、接入點(diǎn)（AP）、擴(kuò)展服務(wù)單元（ESS）、關(guān)口（PORTAL）等6 部分組成。Wi-Fi 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 Wi-Fi 技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

（3）Wi-Fi 的關(guān)鍵技術(shù)。Wi-Fi 所遵循的802.11標(biāo)準(zhǔn)是一種抗干擾能力很強(qiáng)的無線電通信技術(shù)。Wi-Fi 采用的關(guān)鍵技術(shù)有直序擴(kuò)頻技術(shù)（DSSS）和跳頻擴(kuò)頻技術(shù)（FHSS）。

（4）Wi-Fi 的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

a.具有可移動(dòng)性。Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)擺脫了以往上網(wǎng)一定要依靠電纜線的限制，這一方面使用戶端在使用服務(wù)時(shí)更加舒適和方便，同時(shí)也降低了網(wǎng)絡(luò)配置的成本和靈活的可擴(kuò)展性。

b.組建方便。組建Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)硬件設(shè)備的要求與有線網(wǎng)絡(luò)相比，更加簡(jiǎn)潔方便。不同品牌的接入點(diǎn)AP 以及客戶網(wǎng)絡(luò)接口之間在基本的服務(wù)層面上都可實(shí)現(xiàn)互操作。

c.完全開放的頻率使用段。支持2.4，4.9，5 GHz 等多個(gè)頻段，是免許可證頻段。

d.支持高達(dá)54 Mb/s 的帶寬。

e.組網(wǎng)模式多種多樣。有點(diǎn)對(duì)點(diǎn)模式、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)模式、多接入點(diǎn)漫游模式、橋接模式、路由模式等。

2 接觸網(wǎng)隔離開關(guān)遠(yuǎn)程無線控制系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

基于Wi-Fi 技術(shù)的鐵路接觸網(wǎng)隔離開關(guān)遠(yuǎn)程無線控制系統(tǒng)主要由3 個(gè)部分組成：控制中心、無線傳輸網(wǎng)絡(luò)以及終端控制系統(tǒng)（圖2）。

圖2 基于Wi-Fi 技術(shù)的鐵路接觸網(wǎng)隔離開關(guān)遠(yuǎn)程無線控制系統(tǒng)構(gòu)成圖

控制中心包括Wi-Fi 主基站、控制主機(jī)以及安裝在主機(jī)上的客戶端管理平臺(tái)等?？刂浦鳈C(jī)通過Wi-Fi 基站搭建的無線局域網(wǎng)來接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。用戶可在客戶端管理平臺(tái)下發(fā)和接收高壓開關(guān)動(dòng)作狀態(tài)的命令和信息，相應(yīng)地在顯示器上顯示各隔離開關(guān)實(shí)時(shí)的視頻監(jiān)控畫面。

無線傳輸網(wǎng)絡(luò)采用基于Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)的中繼通道。Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)中繼通道設(shè)備提供了一個(gè)自動(dòng)發(fā)現(xiàn)、自動(dòng)配置、自我調(diào)節(jié)以及自我修復(fù)的無線網(wǎng)絡(luò)，通過模塊化、多頻、多信道、蜂窩狀、高性能、可管理的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)為用戶集成了健壯的安全性和全面的可管理性解決方案。

終端控制系統(tǒng)包括隔離開關(guān)及其機(jī)構(gòu)、攝像機(jī)、RTU 以及Wi-Fi 基站等。攝像機(jī)和RTU 配備Wi-Fi 模塊，和Wi-Fi 基站通信。Wi-Fi 基站和Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)中繼通道設(shè)備構(gòu)建成無線網(wǎng)絡(luò)來傳輸視頻和數(shù)據(jù)。RTU 輸入輸出開關(guān)量對(duì)高壓開關(guān)機(jī)構(gòu)進(jìn)行分合控制。

2.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）利用Wi-Fi 無線通道同時(shí)傳輸數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)視頻圖像。可以利用單個(gè)無線通道同時(shí)傳輸遠(yuǎn)動(dòng)數(shù)據(jù)和實(shí)時(shí)視頻圖像，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的通道復(fù)用，優(yōu)化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少了運(yùn)營成本。

（2）組網(wǎng)靈活簡(jiǎn)便。采用的Wi-Fi 無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，能夠隨時(shí)根據(jù)需要組網(wǎng)，安裝方便。能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)組網(wǎng)、自動(dòng)修復(fù)、自動(dòng)配置等功能，降低部署成本和運(yùn)營維護(hù)成本。

（3）安全性高。系統(tǒng)使用共享密鑰來認(rèn)證企業(yè)安全服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過認(rèn)證才可訪問。且加密所有的網(wǎng)絡(luò)管理和控制數(shù)據(jù)，提高其安全性。

3 結(jié)語

基于Wi-Fi 技術(shù)的鐵路接觸網(wǎng)隔離開關(guān)遠(yuǎn)程無線控制系統(tǒng)應(yīng)用了Wi-Fi 技術(shù)搭建無線局域網(wǎng)，集無線局域網(wǎng)技術(shù)、視頻監(jiān)控技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)控制技術(shù)為一體，提供了高壓開關(guān)遠(yuǎn)程動(dòng)作操作、視頻在線監(jiān)測(cè)的解決方案。使鐵路接觸網(wǎng)各處高壓開關(guān)均可實(shí)現(xiàn)遙控、遙信、遙測(cè)、遙視的功能，且具有無線網(wǎng)絡(luò)組建靈活方便、施工周期短、投資低、免維護(hù)、抗干擾性好、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)解決鐵路樞紐及站場(chǎng)高壓開關(guān)遠(yuǎn)程操作、視頻圖像傳輸?shù)葐栴}具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，從整體上提高了牽引供電系統(tǒng)的自動(dòng)化水平。從經(jīng)濟(jì)效益上講，無線技術(shù)取代了傳統(tǒng)的敷設(shè)線纜的方式，無須耗費(fèi)人力、物力、財(cái)力和時(shí)間，能夠做到即插即用，且遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)也無須工作人員來回往復(fù)現(xiàn)場(chǎng)操作和查看，大大提高了工作效率，節(jié)省了工作時(shí)間，保證了作業(yè)人員的人身安全。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前西安、成都、太原、昆明、武漢等各鐵路局管內(nèi)和分界處的隔離開關(guān)，全路約有數(shù)萬臺(tái)，這些開關(guān)安裝無線遠(yuǎn)程控制與視頻監(jiān)控系統(tǒng)將大大節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本，產(chǎn)生較大的經(jīng)濟(jì)效益，具有良好的推廣前景。