基于小波加密技術的鐵路電力無線監控系統

朱立霞

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基于小波加密技術的鐵路電力無線監控系統

朱立霞

通過對現有鐵路電力遠動系統存在問題進行分析，研究利用無線公共網絡作為傳輸通道，實現了鐵路電力設備的無線監控。

公共網絡；無線監控；抗干擾；加密技術

0 引言

中國鐵路武漢局襄陽供電段管內已納入遠動系統的鐵路電力線路大都采用TMIS（Transportion Management Information System，鐵路運輸管理信息系統）遠動通道。由于TMIS通道存在數據傳輸不穩定、丟包現象嚴重、通信設備運行不可靠等問題，電力遠動系統無法正常運行現象時有發生；另外，光纖通道也有可能受到沿途地面開挖等外界因素影響，造成光纖中斷，無法正常使用，尤其是宜萬線、襄渝線等山區鐵路，遠動通道不通對故障處理影響極其惡劣，有時斷開一個開關需要步行2～3 h，嚴重干擾了鐵路正常運輸秩序。

移動、聯通、電信等手機無線公共網絡覆蓋面積大、信號強，如果采用手機無線公共網絡進行遠動控制，只要具備手機通話服務的區域即可實現遠動操作，且公共網絡不需要維護費用，具有較好的經濟性，有必要進行相關研究。

1 需要解決的問題

GSM是全球移動通信系統（Global System for Mobile Communications）的簡稱，是當前應用最廣泛的移動通信標準。采用GSM無線公共網絡對鐵路電力設備進行遠動控制和監控，需解決以下問題：

（1）針對GSM無線公共網絡通信的開放結構，需研究信號保密安全技術；

（2）研究利用GSM無線公共網絡傳輸的抗電磁干擾技術；

（3）設計以GSM無線公共網絡作為傳輸通道的專用電力監控硬件設備；

（4）設計以GSM無線公共網絡作為傳輸通道的電力數據傳輸和管理軟件。

2 解決方案

2.1 選取網絡系統

目前國內現有的無線網絡通信運營商有中國移動、中國聯通、中國電信。采用不同手機電話卡在不同地點，尤其如宜萬線這種山區鐵路電力線路沿途進行通話試驗，通過對通話質量以及信號質量進行比較，優先選擇中國移動無線網絡系統。

2.2 信號的保密安全技術

GSM無線公共網絡通信系統是一種開放結構，只要辦理了電話卡即可以接打電話，也可以收發通訊信息，如果不采取一定措施，無線遙控裝置將不能實現安全控制。例如，手機在通話時，其他通話將無法接入，必須排隊等待。同樣在無線遙控裝置中的電話卡，如果被不明號碼接入，操作命令將無法實時到達，只能等待，這對于無線遙控來說是致命的缺陷。為了解決該問題，必須研究信號保密安全技術。

通過將電力開關的分合閘信號、測量數據、信號數據等通過A/D變換器轉化為0/1數字信號，采用現代數學的小波重構方法進行加密傳輸，加密傳輸流程如圖1所示。簡單來說就是通過短信傳輸的數據、命令信息均為由0和1組成的二位制數字，在供電段指揮中心的監控機和終端RTU控制機中添加多重防火墻，阻止各種不明信號接入。

圖1 加密傳輸流程

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

圖2 GSM網絡用于電力監控的保密安全示意圖

2.3 傳輸信號的抗電磁干擾問題

鐵路電力線路一般是沿鐵路線路架設，受沿線接觸網電磁干擾比較嚴重，電力遠動操作首先需要保證操作的可靠性，如果出現信息誤傳，將造成開關誤動。

針對該問題，編輯遠動遙控信號時，采用“雙向握手”方式，保證信息發送和接收傳輸的可靠性。發出一個分閘信號，首先發出一個16位或32位的二進制隨機代碼，向對方“打招呼”，如果對方接收到該信息并將隨機的二進制代碼解碼，即回復“準備完畢”信號，發信號端接收到被控端“準備完畢”信號后，方可進行控制命令的發送，確保信息發送和接收傳輸的可靠性。

2.4 電力監控硬件設備設計

電力無線遠動監控系統必須以實際載體實現對電力開關的控制。設計以GSM無線公共網絡為傳輸通道的電力監控硬件設備，主要包括電力監控部分和無線通信部分。電力監控部分依據電路理論和現場應用較成熟的有線傳輸電力監控RTU設備，分別進行電源、信號采集、監控、輸入輸出部分的設計；通信部分則依據無線通信原理，對輸入的電信號進行接收、轉換，并將執行情況轉換為二進制碼進行下發。電力監控硬件設備如圖3所示。

圖3 電力監控硬件設備

2.5 電力數據傳輸和管理軟件

依據數據庫原理，編寫軟件流程及各個子程序，再對總體程序進行試運行和修改，最后應用到現場進行考核，對電力數據傳輸和管理軟件的設計進行完善。

2.6 數據采集和控制方式設計

由于既有的電力開關設備均處于運行狀態，增加無線遠動監控裝置不僅需保證不影響既有設備的運行，還要保證無線遠動控制設備的安裝實施。因此，需對既有的電力設備進行調查，特別是箱變的一次主接線、二次接線、設備布置等情況，在箱變空閑空間安裝無線監控裝置；對箱變的開關控制，采用繼電器對既有TMIS通道信號和無線控制信號進行物理隔離：優先使用TMIS通道進行遠動控制，當TMIS通道發生失電故障后，自動轉到無線控制方式，從而保證供電段生產指揮中心對箱變開關運行的可靠控制。

3 現場試驗

確定解決方案后，對電力設備進行摸底，對納入試驗的電力設備進行調查、整治。試驗樣機生產完成后，組織檢修車間進行現場安裝、調試。綜合考慮現場設備的實際情況，選取電動負荷開關作為試點開關，將開關的公共端、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，對現場設備進行安裝。安裝完畢后進行現場試驗檢驗，動作情況良好。

為檢驗設備是否滿足目標要求和現場實際需求，安全生產指揮中心每周對該無線遠動裝置進行動作試驗，并將試驗情況進行記錄；如線路出現故障，優先選擇該裝置斷開開關進行故障處理；在試驗或故障處理過程中，如出現問題及時反饋。經過幾個月的試運行，該裝置動作正常、可靠。

4 實現的功能及技術指標

通過對電力設備無線遠動控制裝置的設計研究和現場試驗，實現的功能及技術指標如下：

（1）對電力開關的遙控操作、開關位置的上傳遙信正確率100%。

（2）無線遙控的響應時間為5～10 s；多個遙信排隊依次上傳，第1個遙信的響應時間為3～8 s；無線監控距離大于1 000 km。

（3）變電所的監控操作權限受電調臺的控制，自動控制越權操作。

（4）能夠監控箱變中主接線回路各相是否帶電，即遙測信息。

（5）系統設置了防火墻并采用了通信加密技術，完全具備抵抗無線公共網絡上的呼叫、短信干擾、網絡病毒入侵的能力。

5 結語

該無線遠動控制裝置經過幾個月的現場檢驗，其動作可靠，滿足鐵路電力供電可靠性的要求，應用前景廣闊。具體實際應用時，可根據現場電力設備分布特點，開關分布情況及中繼站發電機巡視啟動需要等情況進行具體設置。

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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.中國鐵路武漢局集團有限公司襄陽供電段，工程師。