李 建 兵

(大秦鐵路股份有限公司太原供電段，山西 太原 030013)

基于GPRS的鐵路信號(hào)雙電源遠(yuǎn)程監(jiān)控改進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 建 兵

(大秦鐵路股份有限公司太原供電段，山西 太原 030013)

針對(duì)目前鐵路信號(hào)雙電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的缺陷，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一套具有缺相反相分?jǐn)嗉斑h(yuǎn)程操作的GPRS雙電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，給出了詳細(xì)的硬件原理組成和軟件設(shè)計(jì)平臺(tái)，并經(jīng)過安裝實(shí)測(cè)分析指出，系統(tǒng)具有遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)信息記錄、缺相反相自動(dòng)分?jǐn)?、故障?bào)警和遠(yuǎn)程操作控制等功能。

雙電源，GPRS無線通信，遠(yuǎn)程監(jiān)控，缺相反相分?jǐn)?/p>

信號(hào)電源是鐵路的一級(jí)負(fù)荷，供電可靠性與鐵路交通秩序和安全有直接關(guān)系?，F(xiàn)運(yùn)行的大部分鐵路信號(hào)電源無可靠的遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備，一旦出現(xiàn)瞬間異常，維護(hù)和搶修存在以下困難[1]：1)不能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，設(shè)備故障或負(fù)荷引起的空開分?jǐn)?熔絲熔斷)[2]時(shí)，無有效技術(shù)手段采集故障瞬時(shí)電流電壓變化狀況作為故障分析的可靠依據(jù)。2)由于下級(jí)用電設(shè)備電源屏的型號(hào)、廠家、運(yùn)行方式不同，10 kV側(cè)高壓缺相或低壓側(cè)斷相故障時(shí)，部分電源屏無法及時(shí)切換到二路電源，由于無遠(yuǎn)程操作或自動(dòng)分?jǐn)嘣O(shè)備，短時(shí)間內(nèi)搶修人員赴現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)處理很困難[3]。3)對(duì)電源運(yùn)行狀況無遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)，備用電源有異常時(shí)無法預(yù)警，不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)，主供電源一旦發(fā)生異常情況，往往造成兩路電源同時(shí)失電[4]。因此，為了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信號(hào)雙電源運(yùn)行狀況，缺相反相時(shí)自動(dòng)分?jǐn)啾韭冯娫炊ＷC另一路電源及時(shí)投入，快速故障診斷、及時(shí)故障隔離，擬設(shè)計(jì)一套含斷相反相自動(dòng)分?jǐn)嚯娫?、可遠(yuǎn)程操作380 V三相電動(dòng)開關(guān)、可遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)雙電源運(yùn)行參數(shù)的GPRS無線雙電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)硬件組成原理

1.1 系統(tǒng)總體組成

雙電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由安裝在信號(hào)機(jī)械室內(nèi)自動(dòng)監(jiān)控終端和雙路電動(dòng)操作設(shè)備、缺相反相自動(dòng)分?jǐn)嗄K、GPRS通訊模塊、安裝在調(diào)度端的雙電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)組成。自動(dòng)監(jiān)控終端，可及時(shí)采集雙電源設(shè)備的相關(guān)信息量(如電流電壓越限報(bào)警、開關(guān)分合位、三相電壓(電流)、后備電源管理、缺相反相分?jǐn)嘈盘?hào)、監(jiān)控設(shè)備門禁等)，通過GPRS無線模塊向監(jiān)控系統(tǒng)后臺(tái)發(fā)送信號(hào)，由后臺(tái)發(fā)布數(shù)據(jù)，然后通過后臺(tái)服務(wù)器上軟件平臺(tái)，可以監(jiān)控各雙電源設(shè)備正在運(yùn)行狀態(tài)和報(bào)警信息，并可執(zhí)行遠(yuǎn)程操作控制。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

1.2 雙路電動(dòng)操作箱

此電動(dòng)操作箱內(nèi)安裝兩個(gè)380 V三相電動(dòng)操作開關(guān)，開關(guān)為100 A，操作電源為直流24 V。每一回路安裝三個(gè)電流互感器，以采集三相電源負(fù)荷情況。操作開關(guān)的控制由監(jiān)測(cè)控制終端柜輸出的電動(dòng)控制命令(可遠(yuǎn)程操作，也可就地操作)來操作，遇特殊情況或電動(dòng)操作失效時(shí)，可手動(dòng)操作開關(guān)的分合。電動(dòng)操作箱采用掛箱式結(jié)構(gòu)，箱體尺寸500×300×600，利于在信號(hào)機(jī)械室安裝。

為提高缺相反相分?jǐn)嗟乃俣燃翱煽啃?，使缺相電源迅速退出運(yùn)行，在0.15 s內(nèi)(信號(hào)設(shè)備電源最長(zhǎng)切換時(shí)間)投入正常電源，本電動(dòng)操作箱內(nèi)單獨(dú)設(shè)計(jì)安裝缺相保護(hù)和斷相自動(dòng)分?jǐn)嗄K及電路。缺相保護(hù)模塊輸入為三相380 V電，輸出兩個(gè)節(jié)點(diǎn)：一個(gè)常閉，一個(gè)常開，兩節(jié)點(diǎn)獨(dú)立，常開接入開關(guān)脫扣回路，常閉接入測(cè)控裝置遙信回路。當(dāng)在用電源缺相后，缺相反相自動(dòng)分?jǐn)嗄K監(jiān)測(cè)到三相電源某相小于50 V(可調(diào))、兩相大于170 V(可調(diào))判斷為缺相故障，輸出分勵(lì)脫扣命令，操作電動(dòng)箱內(nèi)的電動(dòng)操作開關(guān)快速分閘，并及時(shí)將參數(shù)及分閘動(dòng)作情況送到監(jiān)控中心。三相同時(shí)低于170 V(可調(diào))，判斷為失電，不分?jǐn)嚅_關(guān)。其他越限均不做開關(guān)自動(dòng)分?jǐn)喙δ埽溥壿嬇袛嗉皥?bào)警功能由監(jiān)測(cè)控制終端機(jī)箱擔(dān)任。

1.3 自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制終端

自動(dòng)監(jiān)測(cè)控制終端放在機(jī)械室，采集電操箱內(nèi)的電流、電壓、開關(guān)狀態(tài)、分?jǐn)嘈盘?hào)，進(jìn)行其他邏輯運(yùn)算及輸入輸出各種控制命令，采用自主開發(fā)整體模塊化設(shè)備方案。主要由監(jiān)測(cè)控制機(jī)箱(CPU板、模擬量采集板、數(shù)字量采集板、控制輸出板、人機(jī)界面、通信接口)、GPRS數(shù)據(jù)通信模塊、直流24 V后備電源等組成。組成結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。內(nèi)置32位的高性能CPU作為控制終端硬件平臺(tái)，開關(guān)設(shè)備的開關(guān)量和采集，處理裝置，根據(jù)通信協(xié)議向監(jiān)控中心報(bào)告，并接受上級(jí)的命令?？刂平K端采用32位高性能微處理器作為內(nèi)置CPU，嵌入式軟件平臺(tái)。該終端采集電壓電流量和開關(guān)量，加工處理后，根據(jù)通信協(xié)議向監(jiān)控中心報(bào)告，并接受上級(jí)的命令[5]。實(shí)現(xiàn)：1)雙電源運(yùn)行參數(shù)測(cè)量、記錄、上送；2)電源缺相時(shí)自動(dòng)分?jǐn)嘈盘?hào)的上送；3)電流電壓越限判斷，越限數(shù)據(jù)上送監(jiān)控中心；4)實(shí)現(xiàn)開關(guān)量的變位測(cè)量與上送；5)接收監(jiān)控中心的招測(cè)、數(shù)據(jù)調(diào)閱；6)接收監(jiān)控中心分合控制指令?？刂蒲b置采用掛箱式結(jié)構(gòu)，箱體尺寸不大于500×300×600，利于在機(jī)械室安裝。

1.4 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心為站控層設(shè)備，由軟硬件平臺(tái)組成，負(fù)責(zé)接收各終端設(shè)備采集的所有數(shù)據(jù)信息，并進(jìn)行存儲(chǔ)、運(yùn)算、分析判斷后，根據(jù)需要對(duì)各分設(shè)備下達(dá)各種指令，如招測(cè)數(shù)據(jù)、操作預(yù)置、遠(yuǎn)程分合等。監(jiān)控中心采用自主開發(fā)軟件：由數(shù)據(jù)采集程序、處理和存儲(chǔ)程序、監(jiān)控程序、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信和系統(tǒng)管理程序等組成，能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)電源設(shè)備運(yùn)行狀況電壓電流數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、監(jiān)控、處理與存儲(chǔ)，數(shù)據(jù)通信采集不同設(shè)備的數(shù)據(jù)，并轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一數(shù)據(jù)幀格式，以串口通信方式寫入GPRS Modem數(shù)據(jù)傳輸單元，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸應(yīng)用。具體實(shí)現(xiàn)的主要功能有：1)雙電源運(yùn)行模擬量參數(shù)監(jiān)測(cè)記錄；2)雙電源運(yùn)行開關(guān)狀態(tài)、變位信息監(jiān)視記錄；3)雙電源電操開關(guān)遠(yuǎn)程控制；4)用戶分層管理；5)操作安全管理；6)通訊狀態(tài)管理；7)歷史數(shù)據(jù)查詢；8)歷史事件記錄查詢；9)報(bào)警事件記錄查詢；10)報(bào)表自動(dòng)生成。

1.5 通信通道與GPRS通信電路

通信通道采用中國(guó)移動(dòng)專用數(shù)據(jù)通道，每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)有固定的移動(dòng)IP地址，組網(wǎng)為1+N方式。并預(yù)留光纖通道接口，以方便接入光纖。GPRS通信電路主要由電源電路、GPRS模塊、SIM接口電路和串行接口電路四部分構(gòu)成。其核心部分是GPRS模塊，采用MC35模塊，支持GSM和GPRS兩種模式，兼容AT指令集，具有斷線重?fù)芎妥詣?dòng)連接功能[6]。

2 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)軟件

監(jiān)控中心軟件由機(jī)械室監(jiān)測(cè)控制端軟件和后臺(tái)服務(wù)器軟件組成。自主開發(fā)，操作界面簡(jiǎn)單明了，模塊化菜單，全中文輸入輸出。

2.1 監(jiān)測(cè)控制端軟件

監(jiān)控端采用串口通信方式實(shí)現(xiàn)無線通信，達(dá)到GPRS模塊控制與終端設(shè)備運(yùn)行狀況實(shí)時(shí)監(jiān)控效果[7]。監(jiān)控端首先建立一個(gè)Socket包，再發(fā)送連接請(qǐng)求給服務(wù)器：AT+iSTCP：，。是端口號(hào)，范圍0～65 535，是服務(wù)器的IP地址或主機(jī)名，連接成功后，將設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)或故障信息，打包后以固定數(shù)據(jù)幀格式，通過GPRS發(fā)送到遠(yuǎn)程服務(wù)器，發(fā)送完成后，結(jié)束連接[8]。

2.2 后臺(tái)服務(wù)器軟件

服務(wù)器軟件處于24 h監(jiān)測(cè)狀態(tài)，當(dāng)設(shè)備端有連接請(qǐng)求時(shí)，進(jìn)行身份驗(yàn)證、應(yīng)答，并以單線程方式接收數(shù)據(jù)，然后將接收到數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分類，最后存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中。當(dāng)設(shè)備故障或技術(shù)需要時(shí)，可以方便的從數(shù)據(jù)庫服務(wù)器讀取或查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，再現(xiàn)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行狀態(tài)。

3 測(cè)試及結(jié)果分析

我們組織人員在大秦鐵路股份有限公司侯馬北供電段試驗(yàn)安裝雙電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)終端，進(jìn)行調(diào)試，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過已安裝的雙電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控后臺(tái)，在現(xiàn)場(chǎng)模擬電源遠(yuǎn)程監(jiān)控及高低壓缺相故障，模擬結(jié)果顯示：該系統(tǒng)能實(shí)現(xiàn)信號(hào)雙電源的遠(yuǎn)程集中監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)信號(hào)雙電源的就地及遠(yuǎn)程操作控制，實(shí)現(xiàn)高壓及低壓缺相的自動(dòng)分?jǐn)嚯娫赐顺龉δ堋：髞砦覀冇肿隽舜罅繙y(cè)試實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，系統(tǒng)取得了以下效果：1)能對(duì)雙電源設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并及時(shí)告警；2)設(shè)備異常和運(yùn)行方式異常時(shí)能提前發(fā)現(xiàn)，特別是彌補(bǔ)電源缺相無法及時(shí)退出運(yùn)行的缺陷，及時(shí)告警并自動(dòng)處理，避免因異常造成設(shè)備受損，影響信號(hào)電源平穩(wěn)運(yùn)行；3)能夠節(jié)約人力成本和提高應(yīng)急速度，減少人員巡視工作量；4)系統(tǒng)準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、可靠性較高，有效彌補(bǔ)了鐵路信號(hào)電源監(jiān)控空白，可在鐵路系統(tǒng)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)針對(duì)目前鐵路電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的缺陷，結(jié)合GPRS無線通信技術(shù)，改進(jìn)設(shè)計(jì)了一套具有缺相分?jǐn)嗉斑h(yuǎn)程操作的GPRS雙電源遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可隨時(shí)對(duì)鐵路雙電源設(shè)備運(yùn)行狀況進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、數(shù)據(jù)信息記錄、及時(shí)故障報(bào)警和遠(yuǎn)程操控等功能。經(jīng)過安裝實(shí)測(cè)驗(yàn)證，系統(tǒng)測(cè)試準(zhǔn)確性、實(shí)時(shí)性、可靠性較高，且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉、安裝方便、網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣、通信費(fèi)用低，可在鐵路系統(tǒng)進(jìn)行推廣應(yīng)用。

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Double power RMON improving system design of railway signal on the basis of GPRS

LI Jian-bing

(TaiyuanPowerSupplySection,Da-QinRailwayCo.,Ltd,Taiyuan030013,China)

In light of defects of current double power RMON system of railway signal, the paper designs GRPS double power RMON system with default-opposition breaking and remote operation, and shows specific hardware principle organization and software design platform. Through installation testing analysis, it points out that: the system has various functions, such as timely remote monitoring, data recording, automatic default-opposition analysis, defaults alarming and remote operation control and so on.

double power, GPRS wireless communication, RMON, default-opposition breaking

1009-6825(2014)28-0133-02

2014-07-30

李建兵(1973- )，男，助理工程師

U284

A