史超美，王琳，李強(qiáng)，王勇科

（1.中鐵二院西安勘察設(shè)計(jì)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(guó)鐵路電力遠(yuǎn)動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的研究應(yīng)用相對(duì)較晚，隨著我國(guó)鐵路列車不斷提速，對(duì)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(dòng)改造，鐵路自閉線/貫通線電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)施，大大提高了對(duì)信號(hào)燈的可靠供電，但是對(duì)于鐵路10 kV自閉貫通線路未能實(shí)現(xiàn)對(duì)故障的自動(dòng)檢測(cè)，故障區(qū)間的自動(dòng)定位與隔離，其管理模式還沿用傳統(tǒng)的由電力工對(duì)線路進(jìn)行巡視、檢查這種費(fèi)時(shí)、費(fèi)力，難以適應(yīng)現(xiàn)代鐵路行車快速、安全運(yùn)輸要求的鐵路供電管理模式。所以，研究一個(gè)能自動(dòng)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(shí)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(jìn)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(diǎn)自動(dòng)隔離項(xiàng)目，在西安鐵路局寶雞供電段現(xiàn)有的車站電力遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的前提下，以兩個(gè)車站為區(qū)間，在其終端遠(yuǎn)動(dòng)設(shè)備和調(diào)度端之間添加一個(gè)故障點(diǎn)自動(dòng)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(jìn)行網(wǎng)絡(luò)接口設(shè)計(jì)，通信軟件設(shè)計(jì)在DSP里實(shí)現(xiàn)，簡(jiǎn)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(bào)文判斷故障區(qū)間，進(jìn)行隔離。

1 硬件設(shè)計(jì)

本文主要介紹該裝置接入鐵路自閉/貫通線的遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)的通信部分的設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。以TI公司的TMS320F28335型號(hào)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(jì)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(hào)/WR、讀信號(hào)/RD、中斷信號(hào)/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(jì)

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(duì)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(jìn)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(shí)，進(jìn)行故障定位，向值班人員發(fā)出故障報(bào)警信號(hào)，并且向故障區(qū)間對(duì)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(shí)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(yǔ)言編程的可移植性好，及程序調(diào)試方便等優(yōu)點(diǎn)，本裝置設(shè)計(jì)軟件程序時(shí)采用了C語(yǔ)言。

2.1 通信連接程序

采用以太網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行通信連接的，裝置與車站FTU之間的通信協(xié)議采用國(guó)際電工委員會(huì)制定的IEC60870-5-104電力遠(yuǎn)動(dòng)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(gè)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(jìn)行通信，還需要對(duì)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(jìn)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(dòng)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(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸遠(yuǎn)動(dòng)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(cè)ASDU的啟動(dòng)和結(jié)束，每個(gè)APCI包括下列元素：?jiǎn)?dòng)字符1個(gè)，APDU長(zhǎng)度以及4個(gè)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(dòng)字符68H定義了報(bào)文的起點(diǎn)。APDU定義包括APCI內(nèi)的4個(gè)控制域8位位組和ASDU。ASDU的最大長(zhǎng)度限制在249（253-4）以內(nèi)，因?yàn)锳PDU域的最大長(zhǎng)度是253（APDU最大值=255-啟動(dòng)字符-APDU長(zhǎng)度位），控制域的長(zhǎng)度是4個(gè)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(dòng)或鏈路故障時(shí)，主站會(huì)主動(dòng)向子站發(fā)出建立鏈路請(qǐng)求報(bào)文，從站給主站發(fā)送連接確認(rèn)報(bào)文，當(dāng)鏈路建立后，從站就主動(dòng)將報(bào)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(dòng)或鏈路故障時(shí)，主站會(huì)主動(dòng)向子站發(fā)出建立鏈路請(qǐng)求報(bào)文，從站給主站發(fā)送連接確認(rèn)報(bào)文，當(dāng)鏈路建立后，從站就主動(dòng)將報(bào)文上傳給主站。即裝置主動(dòng)進(jìn)行TCP連接，而FTU被動(dòng)響應(yīng)TCP連接；雙方都使用固定的，已分配的TCP端口號(hào)2404。由于鐵路局信息處給每一個(gè)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(duì)方的IP地址，通過IP訪問，就能進(jìn)行連接。

主站與從站建立通信連接后，從站主動(dòng)上傳的報(bào)文包括：遙信數(shù)據(jù)，帶時(shí)標(biāo)的遙測(cè)數(shù)據(jù)，SOE和變化遙測(cè)等。

2.3 程序設(shè)計(jì)

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(duì)W3100A的初始化，報(bào)文的發(fā)送和接收。初始化W3100A時(shí)，給其引腳RESET高電平進(jìn)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(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和接收。當(dāng)發(fā)生短路故障時(shí)，裝置DSP根據(jù)收到的終端FTU上傳的SOE和模擬量報(bào)文，根據(jù)故障判斷原理，提取報(bào)文里的時(shí)間以及電流信息，計(jì)算出各個(gè)開關(guān)的過電流時(shí)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(yǔ)

本文對(duì)故障定位裝置的通信部分進(jìn)行了設(shè)計(jì)。鐵路10 kV自閉/貫通線遠(yuǎn)動(dòng)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(duì)大量實(shí)時(shí)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(gè)簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)了通信連接。

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