铁路10 kV自闭/贯通线故障定位装置通信接口的设计与实现

史超美，王琳，李强，王勇科

（1.中铁二院西安勘察设计研究院有限责任公司，陕西西安 710054；2.西安铁路局供电处，陕西 西安 710054）

我国铁路电力远动监控系统的研究应用相对较晚，随着我国铁路列车不断提速，对车站各种行车控制设备的可靠性要求越来越高[1]。近几年，西安铁路局宝鸡供电段沿线逐步完成了电力远动改造，铁路自闭线/贯通线电力远动系统的实施，大大提高了对信号灯的可靠供电，但是对于铁路10 kV自闭贯通线路未能实现对故障的自动检测，故障区间的自动定位与隔离，其管理模式还沿用传统的由电力工对线路进行巡视、检查这种费时、费力，难以适应现代铁路行车快速、安全运输要求的铁路供电管理模式。所以，研究一个能自动定位故障区间的装置显得尤为重要。

目前，研制的铁路10 kV自闭/贯通线故障区间定位装置大都以DSP芯片为核心，利用DSP内置的串行通信接口SCI通过RS-232（485）接口，通信网络大多使用光纤通信线路和CAN总线通信线路[2-3]，来实现FTU与调度端之间的数据传输，用以太网为核心网络进行通信的装置较少。

本装置是依托于西安铁路局铁路10 kV自闭、贯通线路故障点自动隔离项目，在西安铁路局宝鸡供电段现有的车站电力远动系统的前提下，以两个车站为区间，在其终端远动设备和调度端之间添加一个故障点自动隔离装置。本文主要介绍了装置的通信接口模块[4-5]，采用TCP/IP协议栈芯片W3100A进行网络接口设计，通信软件设计在DSP里实现，简要介绍了IEC60870-5-104规约，在故障发生后通过SOE和模拟量报文判断故障区间，进行隔离。

1 硬件设计

本文主要介绍该装置接入铁路自闭/贯通线的远动系统的通信部分的设计。该系统的整体结构如图1所示。以TI公司的TMS320F28335型号的DSP为核心，硬件TCP/IP协议栈芯片W31OOA[6]作为以太网协议转换器，通过以太网与终端FTU建立通信连接[7]。

图1 装置的硬件结构图Fig.1 Hardware configuration diagram of the device

通信模块的设计采用WIZnet公司专门推出的硬件TCP/IP协议栈芯片W31OOA，它由4部分组成：微控制器接口单元、网络协议引擎、双口RAM及网络物理层介质开关接口MII。其功能框图如图2所示。

图2 W 3100A功能框图Fig.2 W 3100A function block diagram

W3100A共有3种不同的工作模式，分别是直接总线模式（Direct Bus I/F）、间接总线模式（Indirect Bus I/F）和I2C Bus I/F模式。本文采用Direct Bus I/F模式。其中数据总线D[0] ～D[7]、地址线A[0] ～A[14]、写信号/WR、读信号/RD、中断信号/INT、片选线/CS与DSP直接相连。其余的接口线通过标准MII接口与物理层芯片DM9161相连。如图3所示。本装置利用硬件协议栈芯片W3100A，物理层芯片DM9161，经过隔离变压器，最后RJ-45接口，连接到以太网上，组成与车站终端的通信系统。

图3 W 3100A接线模式Fig.3 The W 3100A w iring mode

2 软件设计

本装置所要达到的目标是装置与车站FTU、与两端变电所安装的I/O模块保持稳定地通信连接。正常情况下，装置对自闭线及贯通线上的负荷开关以及出线断路器的开关状态进行监控，供调度值班人员参考，并且判断线路的供电方向；发生故障时，进行故障定位，向值班人员发出故障报警信号，并且向故障区间对应的两端负荷开关发出遥控命令，断开负荷开关，隔离故障区间。为了实现故障定位快速处理，定位结果准确的要求，本课题研制的装置核心部分采用TI公司推出的DSP芯片TMS320F2812。鉴于C语言编程的可移植性好，及程序调试方便等优点，本装置设计软件程序时采用了C语言。

2.1 通信连接程序

采用以太网技术进行通信连接的，装置与车站FTU之间的通信协议采用国际电工委员会制定的IEC60870-5-104电力远动系统规约，装置与I/O模块，装置与其邻站的通信采用Modbus TCP规约，这两个规约都基于TCP/IP协议[8]，都处于TCP/IP协议栈的应用层，本文主要详述104规约。要进行通信，还需要对硬件TCP/IP协议栈芯片W3100A初始化，可以省去人为编写以太网数据包的封装与解包的过程。

2.2 装置接口通信规约

装置与车站FTU采用以太网技术进行连接，装置与车站FTU采用的通信规约是IEC 60870-5-104标准。宝鸡供电段的电力远动通信规约采用IEC60875-5-104标准[9-10]，通过TCP/IP协议[11-16]实现网络传输远动信息。

104规约的APDU（应用规约数据单元）由APCI（应用规约控制信息）和ASDU（应用服务数据单元）组成。为了能够检测ASDU的启动和结束，每个APCI包括下列元素：启动字符1个，APDU长度以及4个8位的控制域。

图4 应用规约数据单元结构Fig.4 Structure of protocol application data unit

启动字符68H定义了报文的起点。APDU定义包括APCI内的4个控制域8位位组和ASDU。ASDU的最大长度限制在249（253-4）以内，因为APDU域的最大长度是253（APDU最大值=255-启动字符-APDU长度位），控制域的长度是4个8位位组。

TCP/IP采用客户（client）一服务器（server）模型，本文把终端FTU作为服务器端，即为从站，装置作为客户端，为主站。主站采用轮询的方式与所有从站FTU建立连接后，当主站软件重新启动或链路故障时，主站会主动向子站发出建立链路请求报文，从站给主站发送连接确认报文，当链路建立后，从站就主动将报文上传给主站。

本课题中，把车站FTU作为服务器端，即从站，装置作为客户端，即为主站，主站采用轮询的方式与所有从站FTU建立连接后，当主站软件重新启动或链路故障时，主站会主动向子站发出建立链路请求报文，从站给主站发送连接确认报文，当链路建立后，从站就主动将报文上传给主站。即装置主动进行TCP连接，而FTU被动响应TCP连接；双方都使用固定的，已分配的TCP端口号2404。由于铁路局信息处给每一个车站FTU和装置分配的IP地址是唯一的，服务器端和客户端根据对方的IP地址，通过IP访问，就能进行连接。

主站与从站建立通信连接后，从站主动上传的报文包括：遥信数据，带时标的遥测数据，SOE和变化遥测等。

2.3 程序设计

本装置采用硬件协议栈芯片W3100A作为以太网络接口，在DSP中编写程序完成对W3100A的初始化，报文的发送和接收。初始化W3100A时，给其引脚RESET高电平进行复位，通过设置芯片内的控制寄存器，设置网关，子网掩码，IP地址，以及MAC地址流程框图如图5所示。

图5 W 3100A初始化流程图Fig.5 W 3100A initialization flowchart

建立TCP连接后，才进行数据传输和接收。当发生短路故障时，装置DSP根据收到的终端FTU上传的SOE和模拟量报文，根据故障判断原理，提取报文里的时间以及电流信息，计算出各个开关的过电流时间，由此可以确定出故障区间，系统软件流程如图6所示。

图6 系统软件流程图Fig.6 System software flow chart

3 结语

本文对故障定位装置的通信部分进行了设计。铁路10 kV自闭/贯通线远动系统采用基于TCP/IP的IEC60870-5-104传输规约，在此基础上，采用W3100A芯片作为该装置的以太网协议栈转换器，免除对大量实时操作系统和底层TCP/IP协议细节的了解，降低了开发难度。该芯片网络接口模式采用TCP/IP模式，构建一个简单的TCP/IP客户（client）-服务器（server）模型，主站与从站通过以太网与终端实现了通信连接。

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