基于公共网络的高速铁路无线远动调试技术研究

2022-04-25贾建立朱可桢张洪涛

电气化铁道 2022年2期

贾建立，吴亮，朱可桢，张洪涛

0 引言

随着铁路电力牵引供电系统数字化水平的提高，对远动系统调试要求越来越高[1]。数年来铁路电力远动通道的开通往往滞后于电力系统送电开通，使得电力远动设备无法在受电、送电启动前进行远动调试，导致只能在受电、送电启动后带电进行电力远动系统调试，给电力远动设备调试试验带来很大困难和调试成本的增加，也影响了电力变配电所的受电启动时间。

为保证电力远动通道的提前接入，在电力远动通道开通前，使调度自动化主站系统也能准确无误地接收电力箱变及变配电所综自系统的远动信息，并实现对受控站进行远程遥控等操作，需开发一条新型铁路电力自动化远动无线远动通道和一套无线远动调试系统。

1 研究内容

研究采用4G/5G/SA/NSA移动网络搭建远动通道实现对远动系统子站设备的监控。结合以往投用的光电通信通道调试系统，以及不同厂家的远动设备调试的原理，新研发一套无线调试软件和无线数据收发系统，将主控平台的信号通过无线通道进行传输达到调试的目的。该系统可实现将不同厂家远动设备的通信协议写入到无线数据收发器内，并通过数据接口可随时对厂家的通信协议进行更换和更新，从而实现不同厂家的远动设备均可采用一套无线远动调试设备进行调试，增强通用性。

研究技术难点：如何利用4G/5G/SA/NSA网络将多台电力设备进行无线远程组网并进行访问与操作；如何在4G/5G/SA/NSA网络中保证接入数据的安全、数据传输的安全、访问应用的安全；保证在不同地域不同环境4G/5G/SA/NSA网络的稳定性和传输速度。

2 系统介绍

2.1 背景概况

铁路供电远动系统由设在调度所内的主站系统、沿线设置的被控站以及远动通道组成。主站系统一般设置在路局调度中心，由服务器、通信设备、工作站等设备构成，用于对各类被控站的供配电设备进行远距离控制、监视、测量[2]。被控站一般包括：（1）设置在铁路牵引变电所、开闭所、分区所、AT所等所亭内的综合自动化系统；（2）设置在电力变/配电所内的电力综合自动化系统；（3）设置在牵引变电所、开闭所、分区所、AT所、站场、车站、隧道内（外）处的接触网开关控制站；（4）设置在箱式变电所、低压变电所内的电力远动终端设备RTU[3]。

主站系统与被控站系统间的远动通道一般采用两条互为备用的通信通道，采用专用的2 M传输网络或专用数据网的通道形式，使用以太网光/电接口。

铁路无线远动系统是在铁路供电远动系统基础上，采用4G/5G/SA/NSA网络作为通信通道，将调度主站系统与被控站进行快速组网，利用专用通道协议进行安全连接。铁路无线远动系统具备安全可靠、组网迅速、结构简单的特点，可作为现有供电远动系统的补充和用于应急情况下的供电调度，也可用于远动系统的维护调度及供电系统的监测与管理，在铁路牵引供电及电力配电系统中具有较广阔的发展前景和较大的应用价值。

2.2 现状分析

铁路供电远动系统一般采用专用数据网作为远动通道，通信速率2 Mbit/s，通道传输时延要求不低于500 ms，系统结构如图1所示。

图1 远动系统结构

各被控站通过主备两个通道分别接入附近不同车站或通信站，然后接入调度中心的通信前置服务器。子站与主站之间通过专用网络连接，IP地址由通信专业根据数据网的结构进行划分后下发至被控站的综合自动化系统[4]。

一般在新建铁路的联调联试期间，电力远动系统需要在电力配电系统送电开通后才能进行设备调试。由于远动系统结构复杂，相关专业间接口较多，施工调试的周期较长。但是电力配电系统的远动调试又需要在远动通道设备调试完成后开始，一般在通道建立初期存在很多不稳定的问题，导致远动调试工作经常被延期和滞后，造成电力配电系统在送电之后处于一种无法进行统一监控和调度管理的环境中，给电力配电系统的设备调试和试验带来很大困难和调试成本的增加，也影响了整体工程的进度[5]。

铁路无线远动系统利用4G/5G/SA/NSA网络进行连接，采用低功耗的工业级路由器进行组网，在电力配电系统设备调试期间可以同步进行设备调试和组网，可以在电力配电系统送电之前完成远动系统的调试工作，并可在电力配电系统送电之后迅速投入运行使用，无需等待通信专业的远动通道开通就可在临时的调度主站监控子站所有设备的运行状态。

3 技术方案

3.1 系统概述

近年来，随着各大电信运营商的4G/5G/SA/NSA技术的快速发展与成熟，基于4G/5G/SA/NSA网络，通过搭建VPN通道进行数据的安全传输得到了广泛应用。相对于专用的有线网络，4G/5G/SA/NSA网络+VPN的网络具备安全可靠、经济便捷、高速传输的特点。随着信息化建设的深入以及网络建设的广泛开展，4G/5G/SA/NSA网络+VPN技术的应用也逐渐显示出其强大优势。

在铁路远动系统中采用4G/5G/SA/NSA网络+VPN的技术可以保证所有电力设备处于统一监控和调度管理的状态下，从而保证设备运行的可靠性，进一步减少了远动通道的调试时间，保证了项目的预期进度。

无线远动系统主要由主站系统、远动通道、子站设备三部分构成，其系统组网如图2所示。

图2 无线远动系统组网

图2中，系统采用了光电转换设备将光信号转换成电信号接入子站的路由器，各被控站的RTU采用光纤SC接口与远动系统进行通信。子站路由器支持4G/5G/SA/NSA网络，可接入运营商的公用网络中，通过子站与主站之间建立的VPN虚拟专用通道，将数据上传至临时调度主站的工作站中，实现了电力配电设备的监控功能。

3.2 硬件平台

系统主要硬件设备清单如表1所示。

表1 系统主要硬件设备

在每个子站安装一套子站路由器，用于子站RTU的接入，同时安装一套光电转换设备，用于RTU的光纤通信接口的转换。在主站设置一套主站路由器，用于与子站路由器进行组网。

4 软件配置

4.1 通道参数

在4G/5G/SA/NSA网络中通过VPN虚拟专用通道技术在子站与主站之间创建一个专用数据通道，在子站与调度主站建立通信连接。子站到主站的通道互连组网如图3所示。

图3 通道结构

网络配置需求如下：（1）可通过三大运营商的4G/5G/SA/NSA网络与子站通信设备通信；（2）子站与临时调度主站间建立VPN虚拟专用通道，以保证数据的安全性；（3）子站与主站间的通信带宽需保证2 Mbps以上，通道时延应小于500 ms。

网络设计分析：（1）AR509CG-Lt作为子站的出口网关，通过Internet与总部建立IPSec隧道，通过4G/LTE模块动态获取动态的IP地址。采用ACL方式建立IPSec策略并绑定到Cellular接口，子站去主站服务器数据流通过IPSec加密保护。（2）AR1220-S作为调度主站的出口网关，通过Internet与子站建立IPSec隧道，并在接口上配置静态地址，同时绑定IPSec策略，通过ACL控制主站去子站的数据流通过IPSec加密保护。

4.2 SCADA软件

主站SCADA软件安装于临时调度台的工作站，软件按照实际需求配置，可根据需要接入电力箱变、配电所、变电所、AT所、分区所、接触网开关站等被控站。

SCADA软件具备调度员及维护管理人员操作的所有功能，满足调度台对所有被控站的显示、控制、查询、维护等操作功能。主要功能如下：

（1）控制功能。

单独控制：改变某一对象运行状态的控制，包括开关合/分、自动装置投入/撤除、保护定值切换等操作。

程序遥控：将所控对象内容按预先设定的若干单控操作步骤组合成一个控制程序，在程序控制执行前首先自动检查各控制对象是否具备控制条件，列出不具备控制条件的控制对象，并在报警框给出提示。

闭锁、解锁操作：对遥控对象进行单个或批量闭锁遥控操作，解锁为闭锁的反操作。

遥控试验：在被控站RTU内设置模拟开关，对此模拟开关进行状态控制，用以检查遥控过程的各环节设备是否正常。

（2）遥信功能。

遥信监视：对各被控站进行实时数据采集，并通过监控工作站显示屏对各被控站供电设备运行状态进行实时监视。遥控开关状态的显示颜色：合闸为红色，分闸为绿色。

报警信息处理：系统对异常运行状态提供报警提示功能，报警提示包括画面显示、文本信息和音响报警，并提供警报确认、打印、分类归档、存贮等管理功能。

（3）遥测功能。

遥测显示：系统对被控站系统运行参数进行实时采集并通过调度系统进行实时监视。系统可实时查询系统内所定义的遥测对象值，并根据需要进行数据类型转化的预处理。

显示处理：具备数据统计、越限报警等功能。

（4）画面显示。主要用户画面种类如下（但不限于此）：全线线路示意图、供电系统示意图、供电设备分布示意图、监控系统构成示意图、变电所自动化系统构成示意图。

（5）运行调度管理。提供调度员值班记录功能，可根据不同级别管理人员确定修改和记录的权限；可根据需要编制运行调度操作卡片；支持各种用电量、模拟量极值统计、设备运行时间累计等报表的生成、统计、归档、打印。

（6）数据库管理。实时数据库及历史数据库管理系统用于在线运行数据及历史数据的管理。

5 方案优势

5.1 方案特点

（1）组网方便、易于扩展。IPSec VPN只需要使用普通的上网线路即可构建整网的IPSec VPN网络。通过IPSec VPN设备之间构建VPN隧道实现总部与分支之间的互联，并支持隧道间路由，实现分支与分支之间通过总部进行互联；在整个组织的所有点之间构建“大局域网”，使各终端用户在无需安装任何客户端软件和插件的情况下在权限范围内访问全网应用。对于新分支机构的扩展，只需新增一台IPSec VPN设备，使用分支接入的普通上网线路即可实现快速组网，扩展方便。

（2）高安全性。VPN网关遵循IPSec协议，IPSec是目前最为安全的VPN协议，VPN设备通常内置AES/DES/3DES/RSA等多种加密算法，支持MD5/SHA-1等标准HASH算法，包括国家密码管理局指定的基于SCB2的标准加密算法。通过IPSec在Internet上建立安全可信的隧道，各实体之间的数据均通过安全隧道传递[6]。

（3）高稳定性。IPSec VPN通过在VPN隧道、线路和设备三方面全方位保证整个VPN网络的稳定性。支持隧道自愈技术，实时探测VPN隧道连接情况，一旦检测到VPN拨号中断则在3 s内自动进行VPN重新拨号；对于线路中断的情况，通过隧道自愈技术，一旦检测到线路恢复，则立即进行隧道的重新建立，无需人为操作即可实现VPN网络的自动恢复。

支持多线路技术实现多条线路之间的主备功能，可设主线路组和备线路组，实现在主线路组、备线路组中分别进行带宽的叠加及负载均衡。当主线路组中的某条线路中断，则该条线路上的数据可自动切换到主线路组中的其他线路上；当主线路组中所有线路都无法使用时，则备线路组自动启用。该功能充分利用了各条线路，在保证线路的高稳定性同时实现线路价值的最大化。

AR509CG-Lt路由器支持双卡热备功能，当主SIM卡因为信号等原因无法正常使用时，可以转到备用SIM卡上继续连接，保证了设备的高可靠性。

（4）管理便利。支持远程管理和本地管理双管齐下，通过浏览器可实现方便快捷管理，并可通过专业的集中管理平台实现对整个网络中的所有VPN设备的统一管理，进行实时监控、统一配置、智能升级、集中备份等一体化管理。IPSec VPN支持针对用户组/用户进行隧道内的流控，合理规划VPN接入的带宽，保障了各分支通过VPN访问总部的顺畅。