鐵路10 kV自閉/貫通線故障定位裝置通信接口的設(shè)計與實現(xiàn)

史超美，王琳，李強，王勇科

（1.中鐵二院西安勘察設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，陜西西安 710054；2.西安鐵路局供電處，陜西 西安 710054）

我國鐵路電力遠(yuǎn)動監(jiān)控系統(tǒng)的研究應(yīng)用相對較晚，隨著我國鐵路列車不斷提速，對車站各種行車控制設(shè)備的可靠性要求越來越高[1]。近幾年，西安鐵路局寶雞供電段沿線逐步完成了電力遠(yuǎn)動改造，鐵路自閉線/貫通線電力遠(yuǎn)動系統(tǒng)的實施，大大提高了對信號燈的可靠供電，但是對于鐵路10 kV自閉貫通線路未能實現(xiàn)對故障的自動檢測，故障區(qū)間的自動定位與隔離，其管理模式還沿用傳統(tǒng)的由電力工對線路進行巡視、檢查這種費時、費力，難以適應(yīng)現(xiàn)代鐵路行車快速、安全運輸要求的鐵路供電管理模式。所以，研究一個能自動定位故障區(qū)間的裝置顯得尤為重要。

目前，研制的鐵路10 kV自閉/貫通線故障區(qū)間定位裝置大都以DSP芯片為核心，利用DSP內(nèi)置的串行通信接口SCI通過RS-232（485）接口，通信網(wǎng)絡(luò)大多使用光纖通信線路和CAN總線通信線路[2-3]，來實現(xiàn)FTU與調(diào)度端之間的數(shù)據(jù)傳輸，用以太網(wǎng)為核心網(wǎng)絡(luò)進行通信的裝置較少。

本裝置是依托于西安鐵路局鐵路10 kV自閉、貫通線路故障點自動隔離項目，在西安鐵路局寶雞供電段現(xiàn)有的車站電力遠(yuǎn)動系統(tǒng)的前提下，以兩個車站為區(qū)間，在其終端遠(yuǎn)動設(shè)備和調(diào)度端之間添加一個故障點自動隔離裝置。本文主要介紹了裝置的通信接口模塊[4-5]，采用TCP/IP協(xié)議棧芯片W3100A進行網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計，通信軟件設(shè)計在DSP里實現(xiàn)，簡要介紹了IEC60870-5-104規(guī)約，在故障發(fā)生后通過SOE和模擬量報文判斷故障區(qū)間，進行隔離。

1 硬件設(shè)計

本文主要介紹該裝置接入鐵路自閉/貫通線的遠(yuǎn)動系統(tǒng)的通信部分的設(shè)計。該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。以TI公司的TMS320F28335型號的DSP為核心，硬件TCP/IP協(xié)議棧芯片W31OOA[6]作為以太網(wǎng)協(xié)議轉(zhuǎn)換器，通過以太網(wǎng)與終端FTU建立通信連接[7]。

圖1 裝置的硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Hardware configuration diagram of the device

通信模塊的設(shè)計采用WIZnet公司專門推出的硬件TCP/IP協(xié)議棧芯片W31OOA，它由4部分組成：微控制器接口單元、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議引擎、雙口RAM及網(wǎng)絡(luò)物理層介質(zhì)開關(guān)接口MII。其功能框圖如圖2所示。

圖2 W 3100A功能框圖Fig.2 W 3100A function block diagram

W3100A共有3種不同的工作模式，分別是直接總線模式（Direct Bus I/F）、間接總線模式（Indirect Bus I/F）和I2C Bus I/F模式。本文采用Direct Bus I/F模式。其中數(shù)據(jù)總線D[0] ～D[7]、地址線A[0] ～A[14]、寫信號/WR、讀信號/RD、中斷信號/INT、片選線/CS與DSP直接相連。其余的接口線通過標(biāo)準(zhǔn)MII接口與物理層芯片DM9161相連。如圖3所示。本裝置利用硬件協(xié)議棧芯片W3100A，物理層芯片DM9161，經(jīng)過隔離變壓器，最后RJ-45接口，連接到以太網(wǎng)上，組成與車站終端的通信系統(tǒng)。

圖3 W 3100A接線模式Fig.3 The W 3100A w iring mode

2 軟件設(shè)計

本裝置所要達(dá)到的目標(biāo)是裝置與車站FTU、與兩端變電所安裝的I/O模塊保持穩(wěn)定地通信連接。正常情況下，裝置對自閉線及貫通線上的負(fù)荷開關(guān)以及出線斷路器的開關(guān)狀態(tài)進行監(jiān)控，供調(diào)度值班人員參考，并且判斷線路的供電方向；發(fā)生故障時，進行故障定位，向值班人員發(fā)出故障報警信號，并且向故障區(qū)間對應(yīng)的兩端負(fù)荷開關(guān)發(fā)出遙控命令，斷開負(fù)荷開關(guān)，隔離故障區(qū)間。為了實現(xiàn)故障定位快速處理，定位結(jié)果準(zhǔn)確的要求，本課題研制的裝置核心部分采用TI公司推出的DSP芯片TMS320F2812。鑒于C語言編程的可移植性好，及程序調(diào)試方便等優(yōu)點，本裝置設(shè)計軟件程序時采用了C語言。

2.1 通信連接程序

采用以太網(wǎng)技術(shù)進行通信連接的，裝置與車站FTU之間的通信協(xié)議采用國際電工委員會制定的IEC60870-5-104電力遠(yuǎn)動系統(tǒng)規(guī)約，裝置與I/O模塊，裝置與其鄰站的通信采用Modbus TCP規(guī)約，這兩個規(guī)約都基于TCP/IP協(xié)議[8]，都處于TCP/IP協(xié)議棧的應(yīng)用層，本文主要詳述104規(guī)約。要進行通信，還需要對硬件TCP/IP協(xié)議棧芯片W3100A初始化，可以省去人為編寫以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包的封裝與解包的過程。

2.2 裝置接口通信規(guī)約

裝置與車站FTU采用以太網(wǎng)技術(shù)進行連接，裝置與車站FTU采用的通信規(guī)約是IEC 60870-5-104標(biāo)準(zhǔn)。寶雞供電段的電力遠(yuǎn)動通信規(guī)約采用IEC60875-5-104標(biāo)準(zhǔn)[9-10]，通過TCP/IP協(xié)議[11-16]實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸遠(yuǎn)動信息。

104規(guī)約的APDU（應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元）由APCI（應(yīng)用規(guī)約控制信息）和ASDU（應(yīng)用服務(wù)數(shù)據(jù)單元）組成。為了能夠檢測ASDU的啟動和結(jié)束，每個APCI包括下列元素：啟動字符1個，APDU長度以及4個8位的控制域。

圖4 應(yīng)用規(guī)約數(shù)據(jù)單元結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of protocol application data unit

啟動字符68H定義了報文的起點。APDU定義包括APCI內(nèi)的4個控制域8位位組和ASDU。ASDU的最大長度限制在249（253-4）以內(nèi)，因為APDU域的最大長度是253（APDU最大值=255-啟動字符-APDU長度位），控制域的長度是4個8位位組。

TCP/IP采用客戶（client）一服務(wù)器（server）模型，本文把終端FTU作為服務(wù)器端，即為從站，裝置作為客戶端，為主站。主站采用輪詢的方式與所有從站FTU建立連接后，當(dāng)主站軟件重新啟動或鏈路故障時，主站會主動向子站發(fā)出建立鏈路請求報文，從站給主站發(fā)送連接確認(rèn)報文，當(dāng)鏈路建立后，從站就主動將報文上傳給主站。

本課題中，把車站FTU作為服務(wù)器端，即從站，裝置作為客戶端，即為主站，主站采用輪詢的方式與所有從站FTU建立連接后，當(dāng)主站軟件重新啟動或鏈路故障時，主站會主動向子站發(fā)出建立鏈路請求報文，從站給主站發(fā)送連接確認(rèn)報文，當(dāng)鏈路建立后，從站就主動將報文上傳給主站。即裝置主動進行TCP連接，而FTU被動響應(yīng)TCP連接；雙方都使用固定的，已分配的TCP端口號2404。由于鐵路局信息處給每一個車站FTU和裝置分配的IP地址是唯一的，服務(wù)器端和客戶端根據(jù)對方的IP地址，通過IP訪問，就能進行連接。

主站與從站建立通信連接后，從站主動上傳的報文包括：遙信數(shù)據(jù)，帶時標(biāo)的遙測數(shù)據(jù)，SOE和變化遙測等。

2.3 程序設(shè)計

本裝置采用硬件協(xié)議棧芯片W3100A作為以太網(wǎng)絡(luò)接口，在DSP中編寫程序完成對W3100A的初始化，報文的發(fā)送和接收。初始化W3100A時，給其引腳RESET高電平進行復(fù)位，通過設(shè)置芯片內(nèi)的控制寄存器，設(shè)置網(wǎng)關(guān)，子網(wǎng)掩碼，IP地址，以及MAC地址流程框圖如圖5所示。

圖5 W 3100A初始化流程圖Fig.5 W 3100A initialization flowchart

建立TCP連接后，才進行數(shù)據(jù)傳輸和接收。當(dāng)發(fā)生短路故障時，裝置DSP根據(jù)收到的終端FTU上傳的SOE和模擬量報文，根據(jù)故障判斷原理，提取報文里的時間以及電流信息，計算出各個開關(guān)的過電流時間，由此可以確定出故障區(qū)間，系統(tǒng)軟件流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.6 System software flow chart

3 結(jié)語

本文對故障定位裝置的通信部分進行了設(shè)計。鐵路10 kV自閉/貫通線遠(yuǎn)動系統(tǒng)采用基于TCP/IP的IEC60870-5-104傳輸規(guī)約，在此基礎(chǔ)上，采用W3100A芯片作為該裝置的以太網(wǎng)協(xié)議棧轉(zhuǎn)換器，免除對大量實時操作系統(tǒng)和底層TCP/IP協(xié)議細(xì)節(jié)的了解，降低了開發(fā)難度。該芯片網(wǎng)絡(luò)接口模式采用TCP/IP模式，構(gòu)建一個簡單的TCP/IP客戶（client）-服務(wù)器（server）模型，主站與從站通過以太網(wǎng)與終端實現(xiàn)了通信連接。

[1] 錢清泉.電氣化鐵道遠(yuǎn)動技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社，2001:3-4.

[2] 羅姍姍，賀家李，趙輝.基于數(shù)字信號處理器的保護裝置的研究[J].電力系統(tǒng)自動化，1999，23（13）:33-36.LUO Shanshan，HE Jiali，ZHAO Hui.Study of protection device based on digital signal processor[J].Automation of Electric Power Systems，1999，23（13）:33-36（in Chinese）.

[3] 魏天魁.鐵路10 kV貫通、自閉線故障區(qū)段定位裝置的研制[D].武漢：華中科技大學(xué)，2005:2-4.

[4] 孔凡清.由網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧芯片W3100A構(gòu)成的TCP_IP處理平臺[J].新器件新技術(shù)，2004（11）：45-48.KONG Fanqing.The TCP_IP process platform based on the chip W3100A[J].New Product&Tech，2004（11）:45-48（in Chinese）.

[5] 趙金榮，王海峰.基于嵌入式以太網(wǎng)的變電站自動化系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)自動化，2004，28（11）:79-82.ZHAO Jinrong，WANG Haifeng.Implemention of substation automation system based on the embedded etherent technique[J].Automation of Electric Power Systems，2004，28（11）:79-82（in Chinese）.

[6] WIZnet Co.，Ltd.i2Chip W3100A Technical.Datasheet V1.1[DB/OL].http:www.i2Chip.com:25-36.

[7] 王穎，陳朝陽，陳敏.基于DSP的以太網(wǎng)通信系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機與數(shù)字工程，2004，32（6）：51-54.WANG Ying，CHEN Chaoyang，CHEN Min.Design of ethernet communication system based on DSP[J].Computer and Digital Engineering，2004，32（6）：51-54（in Chinese）.

[8] ZHAO Yuan，SHEN Zhijian.The based on TCP/IP Transmission protocols IEC60870-5-104’S application in the power telecontrol system[J].Power System Technology，2003，27:56-60.

[9] 中華人民共和國國家能源局.DL/T 634.5104-2009遠(yuǎn)動設(shè)備及系統(tǒng)第5-104部分：傳輸規(guī)約采用標(biāo)準(zhǔn)傳輸協(xié)議集的IEC60870-5-101網(wǎng)絡(luò)訪問[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2009:15-56.

[10] 趙淵，沈智健.基于TCP/IP的IEC60870-104遠(yuǎn)動規(guī)約在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2003，27（10）:56-60.ZHAO Yuan，SHEN Zhijian.Application of TCP/IP Based IEC60870-5-104 telecontrol protocol in power system[J].Power System Technology，2003，27（10）:56-60 （in Chinese）.

[11] 朱錫貴，國志宏.有信道饋線故障處理技術(shù)[J].電力系統(tǒng)自動化，2000，24（10）:33-35.ZHU Xigui，GUO Zhihong.Technology of fault handling in feeder automation using communication channel[J].Automation of Electric Power Systems，2000，24（10）:33-35（in Chinese）.

[12] IEC.IEC61850 Cornrnunication networks and systems in substations[S].Geneva:IEC，2003.

[13] 黃嵐，候瑞鋒，郝靜，等.基于TCP/IP硬件協(xié)議棧的智能儀器網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計[J].計算機工程與設(shè)計，2006（23）：4408-4409.HUANG Lan，HOU Reifeng，HAO Jing，et al.Design of network interface for intelligent instruments based on TCP/IP hardware stack[J].Computer Engineering and Design，2006（23）：4408-4409（in Chinese）.

[14] 李永輝，謝志遠(yuǎn)，耿烜.基于DSP的嵌入式TCP/IP協(xié)議的研究和實現(xiàn)[J].華北電力大學(xué)學(xué)報，2004，31（2）:77-79.LI Yonghui， XIE Zhiyuan， GENG Xuan.Study and realization of embedded TCP/IP protocol based on DSP technology[J].Journal of North China Electric Power University，2004，31（2）:77-79（in Chinese）.

[15] Texas Instrument Inc.TMS320F28x DSP CPU and Instruction Set Reference Guide（Rev.C）[M].Texas:Texas Instrument Inc，2003:8-11.

[16] Laplace J，Novosel C.Automated solutions for distribution feeders[J].IEEE Computer Applications in Power，2000，13（4）：25-30.