朱立霞

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基于小波加密技術(shù)的鐵路電力無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)

朱立霞

通過(guò)對(duì)現(xiàn)有鐵路電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)存在問(wèn)題進(jìn)行分析，研究利用無(wú)線公共網(wǎng)絡(luò)作為傳輸通道，實(shí)現(xiàn)了鐵路電力設(shè)備的無(wú)線監(jiān)控。

公共網(wǎng)絡(luò)；無(wú)線監(jiān)控；抗干擾；加密技術(shù)

0 引言

中國(guó)鐵路武漢局襄陽(yáng)供電段管內(nèi)已納入遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的鐵路電力線路大都采用TMIS（Transportion Management Information System，鐵路運(yùn)輸管理信息系統(tǒng)）遠(yuǎn)動(dòng)通道。由于TMIS通道存在數(shù)據(jù)傳輸不穩(wěn)定、丟包現(xiàn)象嚴(yán)重、通信設(shè)備運(yùn)行不可靠等問(wèn)題，電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)無(wú)法正常運(yùn)行現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生；另外，光纖通道也有可能受到沿途地面開(kāi)挖等外界因素影響，造成光纖中斷，無(wú)法正常使用，尤其是宜萬(wàn)線、襄渝線等山區(qū)鐵路，遠(yuǎn)動(dòng)通道不通對(duì)故障處理影響極其惡劣，有時(shí)斷開(kāi)一個(gè)開(kāi)關(guān)需要步行2～3 h，嚴(yán)重干擾了鐵路正常運(yùn)輸秩序。

移動(dòng)、聯(lián)通、電信等手機(jī)無(wú)線公共網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積大、信號(hào)強(qiáng)，如果采用手機(jī)無(wú)線公共網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)動(dòng)控制，只要具備手機(jī)通話服務(wù)的區(qū)域即可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)動(dòng)操作，且公共網(wǎng)絡(luò)不需要維護(hù)費(fèi)用，具有較好的經(jīng)濟(jì)性，有必要進(jìn)行相關(guān)研究。

1 需要解決的問(wèn)題

GSM是全球移動(dòng)通信系統(tǒng)（Global System for Mobile Communications）的簡(jiǎn)稱，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)。采用GSM無(wú)線公共網(wǎng)絡(luò)對(duì)鐵路電力設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)動(dòng)控制和監(jiān)控，需解決以下問(wèn)題：

（1）針對(duì)GSM無(wú)線公共網(wǎng)絡(luò)通信的開(kāi)放結(jié)構(gòu)，需研究信號(hào)保密安全技術(shù)；

（2）研究利用GSM無(wú)線公共網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)目闺姶鸥蓴_技術(shù)；

（3）設(shè)計(jì)以GSM無(wú)線公共網(wǎng)絡(luò)作為傳輸通道的專用電力監(jiān)控硬件設(shè)備；

（4）設(shè)計(jì)以GSM無(wú)線公共網(wǎng)絡(luò)作為傳輸通道的電力數(shù)據(jù)傳輸和管理軟件。

2 解決方案

2.1 選取網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

目前國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信運(yùn)營(yíng)商有中國(guó)移動(dòng)、中國(guó)聯(lián)通、中國(guó)電信。采用不同手機(jī)電話卡在不同地點(diǎn)，尤其如宜萬(wàn)線這種山區(qū)鐵路電力線路沿途進(jìn)行通話試驗(yàn)，通過(guò)對(duì)通話質(zhì)量以及信號(hào)質(zhì)量進(jìn)行比較，優(yōu)先選擇中國(guó)移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。

2.2 信號(hào)的保密安全技術(shù)

GSM無(wú)線公共網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)是一種開(kāi)放結(jié)構(gòu)，只要辦理了電話卡即可以接打電話，也可以收發(fā)通訊信息，如果不采取一定措施，無(wú)線遙控裝置將不能實(shí)現(xiàn)安全控制。例如，手機(jī)在通話時(shí)，其他通話將無(wú)法接入，必須排隊(duì)等待。同樣在無(wú)線遙控裝置中的電話卡，如果被不明號(hào)碼接入，操作命令將無(wú)法實(shí)時(shí)到達(dá)，只能等待，這對(duì)于無(wú)線遙控來(lái)說(shuō)是致命的缺陷。為了解決該問(wèn)題，必須研究信號(hào)保密安全技術(shù)。

通過(guò)將電力開(kāi)關(guān)的分合閘信號(hào)、測(cè)量數(shù)據(jù)、信號(hào)數(shù)據(jù)等通過(guò)A/D變換器轉(zhuǎn)化為0/1數(shù)字信號(hào)，采用現(xiàn)代數(shù)學(xué)的小波重構(gòu)方法進(jìn)行加密傳輸，加密傳輸流程如圖1所示。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是通過(guò)短信傳輸?shù)臄?shù)據(jù)、命令信息均為由0和1組成的二位制數(shù)字，在供電段指揮中心的監(jiān)控機(jī)和終端RTU控制機(jī)中添加多重防火墻，阻止各種不明信號(hào)接入。

圖1 加密傳輸流程

采用該方法后，除監(jiān)控用的電話卡之間可互相通信外，其他號(hào)碼均無(wú)法與其進(jìn)行通信（圖2）。

圖2 GSM網(wǎng)絡(luò)用于電力監(jiān)控的保密安全示意圖

2.3 傳輸信號(hào)的抗電磁干擾問(wèn)題

鐵路電力線路一般是沿鐵路線路架設(shè)，受沿線接觸網(wǎng)電磁干擾比較嚴(yán)重，電力遠(yuǎn)動(dòng)操作首先需要保證操作的可靠性，如果出現(xiàn)信息誤傳，將造成開(kāi)關(guān)誤動(dòng)。

針對(duì)該問(wèn)題，編輯遠(yuǎn)動(dòng)遙控信號(hào)時(shí)，采用“雙向握手”方式，保證信息發(fā)送和接收傳輸?shù)目煽啃?。發(fā)出一個(gè)分閘信號(hào)，首先發(fā)出一個(gè)16位或32位的二進(jìn)制隨機(jī)代碼，向?qū)Ψ健按蛘泻簟?，如果?duì)方接收到該信息并將隨機(jī)的二進(jìn)制代碼解碼，即回復(fù)“準(zhǔn)備完畢”信號(hào)，發(fā)信號(hào)端接收到被控端“準(zhǔn)備完畢”信號(hào)后，方可進(jìn)行控制命令的發(fā)送，確保信息發(fā)送和接收傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.4 電力監(jiān)控硬件設(shè)備設(shè)計(jì)

電力無(wú)線遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)必須以實(shí)際載體實(shí)現(xiàn)對(duì)電力開(kāi)關(guān)的控制。設(shè)計(jì)以GSM無(wú)線公共網(wǎng)絡(luò)為傳輸通道的電力監(jiān)控硬件設(shè)備，主要包括電力監(jiān)控部分和無(wú)線通信部分。電力監(jiān)控部分依據(jù)電路理論和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用較成熟的有線傳輸電力監(jiān)控RTU設(shè)備，分別進(jìn)行電源、信號(hào)采集、監(jiān)控、輸入輸出部分的設(shè)計(jì)；通信部分則依據(jù)無(wú)線通信原理，對(duì)輸入的電信號(hào)進(jìn)行接收、轉(zhuǎn)換，并將執(zhí)行情況轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制碼進(jìn)行下發(fā)。電力監(jiān)控硬件設(shè)備如圖3所示。

圖3 電力監(jiān)控硬件設(shè)備

2.5 電力數(shù)據(jù)傳輸和管理軟件

依據(jù)數(shù)據(jù)庫(kù)原理，編寫(xiě)軟件流程及各個(gè)子程序，再對(duì)總體程序進(jìn)行試運(yùn)行和修改，最后應(yīng)用到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行考核，對(duì)電力數(shù)據(jù)傳輸和管理軟件的設(shè)計(jì)進(jìn)行完善。

2.6 數(shù)據(jù)采集和控制方式設(shè)計(jì)

由于既有的電力開(kāi)關(guān)設(shè)備均處于運(yùn)行狀態(tài)，增加無(wú)線遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控裝置不僅需保證不影響既有設(shè)備的運(yùn)行，還要保證無(wú)線遠(yuǎn)動(dòng)控制設(shè)備的安裝實(shí)施。因此，需對(duì)既有的電力設(shè)備進(jìn)行調(diào)查，特別是箱變的一次主接線、二次接線、設(shè)備布置等情況，在箱變空閑空間安裝無(wú)線監(jiān)控裝置；對(duì)箱變的開(kāi)關(guān)控制，采用繼電器對(duì)既有TMIS通道信號(hào)和無(wú)線控制信號(hào)進(jìn)行物理隔離：優(yōu)先使用TMIS通道進(jìn)行遠(yuǎn)動(dòng)控制，當(dāng)TMIS通道發(fā)生失電故障后，自動(dòng)轉(zhuǎn)到無(wú)線控制方式，從而保證供電段生產(chǎn)指揮中心對(duì)箱變開(kāi)關(guān)運(yùn)行的可靠控制。

3 現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

確定解決方案后，對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行摸底，對(duì)納入試驗(yàn)的電力設(shè)備進(jìn)行調(diào)查、整治。試驗(yàn)樣機(jī)生產(chǎn)完成后，組織檢修車間進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試。綜合考慮現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的實(shí)際情況，選取電動(dòng)負(fù)荷開(kāi)關(guān)作為試點(diǎn)開(kāi)關(guān)，將開(kāi)關(guān)的公共端、合閘出口、跳閘出口、分位燈出口、合位燈出口、線路電壓顯示A相/ B相/ C相等信息納入傳輸通道，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行安裝。安裝完畢后進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢驗(yàn)，動(dòng)作情況良好。

為檢驗(yàn)設(shè)備是否滿足目標(biāo)要求和現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，安全生產(chǎn)指揮中心每周對(duì)該無(wú)線遠(yuǎn)動(dòng)裝置進(jìn)行動(dòng)作試驗(yàn)，并將試驗(yàn)情況進(jìn)行記錄；如線路出現(xiàn)故障，優(yōu)先選擇該裝置斷開(kāi)開(kāi)關(guān)進(jìn)行故障處理；在試驗(yàn)或故障處理過(guò)程中，如出現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)反饋。經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的試運(yùn)行，該裝置動(dòng)作正常、可靠。

4 實(shí)現(xiàn)的功能及技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)對(duì)電力設(shè)備無(wú)線遠(yuǎn)動(dòng)控制裝置的設(shè)計(jì)研究和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)的功能及技術(shù)指標(biāo)如下：

（1）對(duì)電力開(kāi)關(guān)的遙控操作、開(kāi)關(guān)位置的上傳遙信正確率100%。

（2）無(wú)線遙控的響應(yīng)時(shí)間為5～10 s；多個(gè)遙信排隊(duì)依次上傳，第1個(gè)遙信的響應(yīng)時(shí)間為3～8 s；無(wú)線監(jiān)控距離大于1 000 km。

（3）變電所的監(jiān)控操作權(quán)限受電調(diào)臺(tái)的控制，自動(dòng)控制越權(quán)操作。

（4）能夠監(jiān)控箱變中主接線回路各相是否帶電，即遙測(cè)信息。

（5）系統(tǒng)設(shè)置了防火墻并采用了通信加密技術(shù)，完全具備抵抗無(wú)線公共網(wǎng)絡(luò)上的呼叫、短信干擾、網(wǎng)絡(luò)病毒入侵的能力。

5 結(jié)語(yǔ)

該無(wú)線遠(yuǎn)動(dòng)控制裝置經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，其動(dòng)作可靠，滿足鐵路電力供電可靠性的要求，應(yīng)用前景廣闊。具體實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電力設(shè)備分布特點(diǎn)，開(kāi)關(guān)分布情況及中繼站發(fā)電機(jī)巡視啟動(dòng)需要等情況進(jìn)行具體設(shè)置。

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The wireless monitoring functions are realized by analyzing the existed problems of railway power supply remote control system, with wireless public network being employed as the transmission channels.

Public network; wireless monitoring; anti-interference; encryption technology

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.007

U224.9+1

B

1007-936X(2018)06-0033-03

2018-04-01

朱立霞.中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司襄陽(yáng)供電段，工程師。