基于公共網絡的高速鐵路無線遠動調試技術研究

賈建立，吳 亮，朱可楨，張洪濤

0 引言

隨著鐵路電力牽引供電系統數字化水平的提高，對遠動系統調試要求越來越高[1]。數年來鐵路電力遠動通道的開通往往滯后于電力系統送電開通，使得電力遠動設備無法在受電、送電啟動前進行遠動調試，導致只能在受電、送電啟動后帶電進行電力遠動系統調試，給電力遠動設備調試試驗帶來很大困難和調試成本的增加，也影響了電力變配電所的受電啟動時間。

為保證電力遠動通道的提前接入，在電力遠動通道開通前，使調度自動化主站系統也能準確無誤地接收電力箱變及變配電所綜自系統的遠動信息，并實現對受控站進行遠程遙控等操作，需開發一條新型鐵路電力自動化遠動無線遠動通道和一套無線遠動調試系統。

1 研究內容

研究采用4G/5G/SA/NSA移動網絡搭建遠動通道實現對遠動系統子站設備的監控。結合以往投用的光電通信通道調試系統，以及不同廠家的遠動設備調試的原理，新研發一套無線調試軟件和無線數據收發系統，將主控平臺的信號通過無線通道進行傳輸達到調試的目的。該系統可實現將不同廠家遠動設備的通信協議寫入到無線數據收發器內，并通過數據接口可隨時對廠家的通信協議進行更換和更新，從而實現不同廠家的遠動設備均可采用一套無線遠動調試設備進行調試，增強通用性。

研究技術難點：如何利用4G/5G/SA/NSA網絡將多臺電力設備進行無線遠程組網并進行訪問與操作；如何在4G/5G/SA/NSA網絡中保證接入數據的安全、數據傳輸的安全、訪問應用的安全；保證在不同地域不同環境4G/5G/SA/NSA網絡的穩定性和傳輸速度。

2 系統介紹

2.1 背景概況

鐵路供電遠動系統由設在調度所內的主站系統、沿線設置的被控站以及遠動通道組成。主站系統一般設置在路局調度中心，由服務器、通信設備、工作站等設備構成，用于對各類被控站的供配電設備進行遠距離控制、監視、測量[2]。被控站一般包括：（1）設置在鐵路牽引變電所、開閉所、分區所、AT所等所亭內的綜合自動化系統；（2）設置在電力變/配電所內的電力綜合自動化系統；（3）設置在牽引變電所、開閉所、分區所、AT所、站場、車站、隧道內（外）處的接觸網開關控制站；（4）設置在箱式變電所、低壓變電所內的電力遠動終端設備RTU[3]。

主站系統與被控站系統間的遠動通道一般采用兩條互為備用的通信通道，采用專用的2 M傳輸網絡或專用數據網的通道形式，使用以太網光/電接口。

鐵路無線遠動系統是在鐵路供電遠動系統基礎上，采用4G/5G/SA/NSA網絡作為通信通道，將調度主站系統與被控站進行快速組網，利用專用通道協議進行安全連接。鐵路無線遠動系統具備安全可靠、組網迅速、結構簡單的特點，可作為現有供電遠動系統的補充和用于應急情況下的供電調度，也可用于遠動系統的維護調度及供電系統的監測與管理，在鐵路牽引供電及電力配電系統中具有較廣闊的發展前景和較大的應用價值。

2.2 現狀分析

鐵路供電遠動系統一般采用專用數據網作為遠動通道，通信速率2 Mbit/s，通道傳輸時延要求不低于500 ms，系統結構如圖1所示。

圖1 遠動系統結構

各被控站通過主備兩個通道分別接入附近不同車站或通信站，然后接入調度中心的通信前置服務器。子站與主站之間通過專用網絡連接，IP地址由通信專業根據數據網的結構進行劃分后下發至被控站的綜合自動化系統[4]。

一般在新建鐵路的聯調聯試期間，電力遠動系統需要在電力配電系統送電開通后才能進行設備調試。由于遠動系統結構復雜，相關專業間接口較多，施工調試的周期較長。但是電力配電系統的遠動調試又需要在遠動通道設備調試完成后開始，一般在通道建立初期存在很多不穩定的問題，導致遠動調試工作經常被延期和滯后，造成電力配電系統在送電之后處于一種無法進行統一監控和調度管理的環境中，給電力配電系統的設備調試和試驗帶來很大困難和調試成本的增加，也影響了整體工程的進度[5]。

鐵路無線遠動系統利用4G/5G/SA/NSA網絡進行連接，采用低功耗的工業級路由器進行組網，在電力配電系統設備調試期間可以同步進行設備調試和組網，可以在電力配電系統送電之前完成遠動系統的調試工作，并可在電力配電系統送電之后迅速投入運行使用，無需等待通信專業的遠動通道開通就可在臨時的調度主站監控子站所有設備的運行狀態。

3 技術方案

3.1 系統概述

近年來，隨著各大電信運營商的4G/5G/SA/NSA技術的快速發展與成熟，基于4G/5G/SA/NSA網絡，通過搭建VPN通道進行數據的安全傳輸得到了廣泛應用。相對于專用的有線網絡，4G/5G/SA/NSA網絡+VPN的網絡具備安全可靠、經濟便捷、高速傳輸的特點。隨著信息化建設的深入以及網絡建設的廣泛開展，4G/5G/SA/NSA網絡+VPN技術的應用也逐漸顯示出其強大優勢。

在鐵路遠動系統中采用4G/5G/SA/NSA網絡+VPN的技術可以保證所有電力設備處于統一監控和調度管理的狀態下，從而保證設備運行的可靠性，進一步減少了遠動通道的調試時間，保證了項目的預期進度。

無線遠動系統主要由主站系統、遠動通道、子站設備三部分構成，其系統組網如圖2所示。

圖2 無線遠動系統組網

圖2中，系統采用了光電轉換設備將光信號轉換成電信號接入子站的路由器，各被控站的RTU采用光纖SC接口與遠動系統進行通信。子站路由器支持4G/5G/SA/NSA網絡，可接入運營商的公用網絡中，通過子站與主站之間建立的VPN虛擬專用通道，將數據上傳至臨時調度主站的工作站中，實現了電力配電設備的監控功能。

3.2 硬件平臺

系統主要硬件設備清單如表1所示。

表1 系統主要硬件設備

在每個子站安裝一套子站路由器，用于子站RTU的接入，同時安裝一套光電轉換設備，用于RTU的光纖通信接口的轉換。在主站設置一套主站路由器，用于與子站路由器進行組網。

4 軟件配置

4.1 通道參數

在4G/5G/SA/NSA網絡中通過VPN虛擬專用通道技術在子站與主站之間創建一個專用數據通道，在子站與調度主站建立通信連接。子站到主站的通道互連組網如圖3所示。

圖3 通道結構

網絡配置需求如下：（1）可通過三大運營商的4G/5G/SA/NSA網絡與子站通信設備通信；（2）子站與臨時調度主站間建立VPN虛擬專用通道，以保證數據的安全性；（3）子站與主站間的通信帶寬需保證2 Mbps以上，通道時延應小于500 ms。

網絡設計分析：（1）AR509CG-Lt作為子站的出口網關，通過Internet與總部建立IPSec隧道，通過4G/LTE模塊動態獲取動態的IP地址。采用ACL方式建立IPSec策略并綁定到Cellular接口，子站去主站服務器數據流通過IPSec加密保護。（2）AR1220-S作為調度主站的出口網關，通過Internet與子站建立IPSec隧道，并在接口上配置靜態地址，同時綁定IPSec策略，通過ACL控制主站去子站的數據流通過IPSec加密保護。

4.2 SCADA軟件

主站SCADA軟件安裝于臨時調度臺的工作站，軟件按照實際需求配置，可根據需要接入電力箱變、配電所、變電所、AT所、分區所、接觸網開關站等被控站。

SCADA軟件具備調度員及維護管理人員操作的所有功能，滿足調度臺對所有被控站的顯示、控制、查詢、維護等操作功能。主要功能如下：

（1）控制功能。

單獨控制：改變某一對象運行狀態的控制，包括開關合/分、自動裝置投入/撤除、保護定值切換等操作。

程序遙控：將所控對象內容按預先設定的若干單控操作步驟組合成一個控制程序，在程序控制執行前首先自動檢查各控制對象是否具備控制條件，列出不具備控制條件的控制對象，并在報警框給出提示。

閉鎖、解鎖操作：對遙控對象進行單個或批量閉鎖遙控操作，解鎖為閉鎖的反操作。

遙控試驗：在被控站RTU內設置模擬開關，對此模擬開關進行狀態控制，用以檢查遙控過程的各環節設備是否正常。

（2）遙信功能。

遙信監視：對各被控站進行實時數據采集，并通過監控工作站顯示屏對各被控站供電設備運行狀態進行實時監視。遙控開關狀態的顯示顏色：合閘為紅色，分閘為綠色。

報警信息處理：系統對異常運行狀態提供報警提示功能，報警提示包括畫面顯示、文本信息和音響報警，并提供警報確認、打印、分類歸檔、存貯等管理功能。

（3）遙測功能。

遙測顯示：系統對被控站系統運行參數進行實時采集并通過調度系統進行實時監視。系統可實時查詢系統內所定義的遙測對象值，并根據需要進行數據類型轉化的預處理。

顯示處理：具備數據統計、越限報警等功能。

（4）畫面顯示。主要用戶畫面種類如下（但不限于此）：全線線路示意圖、供電系統示意圖、供電設備分布示意圖、監控系統構成示意圖、變電所自動化系統構成示意圖。

（5）運行調度管理。提供調度員值班記錄功能，可根據不同級別管理人員確定修改和記錄的權限；可根據需要編制運行調度操作卡片；支持各種用電量、模擬量極值統計、設備運行時間累計等報表的生成、統計、歸檔、打印。

（6）數據庫管理。實時數據庫及歷史數據庫管理系統用于在線運行數據及歷史數據的管理。

5 方案優勢

5.1 方案特點

（1）組網方便、易于擴展。IPSec VPN只需要使用普通的上網線路即可構建整網的IPSec VPN網絡。通過IPSec VPN設備之間構建VPN隧道實現總部與分支之間的互聯，并支持隧道間路由，實現分支與分支之間通過總部進行互聯；在整個組織的所有點之間構建“大局域網”，使各終端用戶在無需安裝任何客戶端軟件和插件的情況下在權限范圍內訪問全網應用。對于新分支機構的擴展，只需新增一臺IPSec VPN設備，使用分支接入的普通上網線路即可實現快速組網，擴展方便。

（2）高安全性。VPN網關遵循IPSec協議，IPSec是目前最為安全的VPN協議，VPN設備通常內置AES/DES/3DES/RSA等多種加密算法，支持MD5/SHA-1等標準HASH算法，包括國家密碼管理局指定的基于SCB2的標準加密算法。通過IPSec在Internet上建立安全可信的隧道，各實體之間的數據均通過安全隧道傳遞[6]。

（3）高穩定性。IPSec VPN通過在VPN隧道、線路和設備三方面全方位保證整個VPN網絡的穩定性。支持隧道自愈技術，實時探測VPN隧道連接情況，一旦檢測到VPN撥號中斷則在3 s內自動進行VPN重新撥號；對于線路中斷的情況，通過隧道自愈技術，一旦檢測到線路恢復，則立即進行隧道的重新建立，無需人為操作即可實現VPN網絡的自動恢復。

支持多線路技術實現多條線路之間的主備功能，可設主線路組和備線路組，實現在主線路組、備線路組中分別進行帶寬的疊加及負載均衡。當主線路組中的某條線路中斷，則該條線路上的數據可自動切換到主線路組中的其他線路上；當主線路組中所有線路都無法使用時，則備線路組自動啟用。該功能充分利用了各條線路，在保證線路的高穩定性同時實現線路價值的最大化。

AR509CG-Lt路由器支持雙卡熱備功能，當主SIM卡因為信號等原因無法正常使用時，可以轉到備用SIM卡上繼續連接，保證了設備的高可靠性。

（4）管理便利。支持遠程管理和本地管理雙管齊下，通過瀏覽器可實現方便快捷管理，并可通過專業的集中管理平臺實現對整個網絡中的所有VPN設備的統一管理，進行實時監控、統一配置、智能升級、集中備份等一體化管理。IPSec VPN支持針對用戶組/用戶進行隧道內的流控，合理規劃VPN接入的帶寬，保障了各分支通過VPN訪問總部的順暢。

5.2 技術優勢

無線遠動系統主要技術指標包括遠動通道的網絡延時、帶寬、丟包率等技術參數。

（1）使用網絡延時Ping值工具進行測試，在4G信號較好的情況下可達到平均延時200 ms以內，丟包率低于2%。

（2）帶寬測試中，兩臺不同網段的計算機通過搭建的遠動通道互相發送文件，文件傳輸的平均速度達1 MB/s。

（3）將綜合自動化系統和模擬的主站服務器連接到遠動通道中進行測試，遙調、遙控、遙測、遙信等遠動功能經測試均能正常使用，數據上傳無延時。

通過對采用4G/5G/SA/NSA網絡搭建的遠動通道進行測試，對比兩種通道結構如表2所示。

表2 兩種通道結構對比

采用4G/5G/SA/NSA網絡的遠動通道具有成本低、組網靈活的優點，可以快速組建一個無線遠動通道滿足現場調試的需求。在聯調聯試期間，當遠動通道未完全具備穩定運行條件時，可以作為臨時的遠動通道進行遠動調試。

6 結語

本文對基于公共網絡的高速鐵路電力遠動調試系統在普速、高速電氣化鐵路、新建及改擴建工程中應用的受電啟動程序及具體方法作了詳細論述。經工程驗證，該系統可對現場遠動調試工作起到很好的指導作用，可以在電力牽引供電工程和類似工程中推廣應用。

該系統的推廣應注意現場條件，針對工程不同的條件要求，對程序中各環節進行相應調整，并在應用前進行全員技術交底和安全交底，做到明確整體開通要求，掌握各程序操作要領、技術標準和安全注意事項。