摘要：为提高电气化铁路的自动化水平，实现铁路接触网隔离开关远程无线的可靠控制与监控，本论文研究了一种基于Wi-Fi无线Mesh网络提供的多业务承载平台，实现远程高压开关控制、数据采集、视频监控、移动语音通信等多种服务集合的综合系统。

关键词：无线Wi-Fi技术  高压开关远程控制  视频监控

一、 目的、背景及意义
    电气化铁路27.5kV高压隔离开关多分布于接触网锚段关节、关节式分相、车站接触网货运线、机车整备线等场所，是电气化铁路电力牵引供电的重要设备，其主要功能是隔离故障、分段作业及改变运行方式等。在枢纽站场和接触网存在数量众多、分布范围较广的接触网隔离开关，多采用人工现场手动或有线远程操作的传动操作方式。人工现场手动操作工作效率非常低，而有线的远程操作需要敷设电缆，人工成本大、施工难度大、周期长，耗费大量的人力财力。这就制约了整个接触网线路自动化水平的提高。因此对其实施无线远动操作及集中监控意义重大。
   本文主要研究了以Wi-Fi技术作为无线传输平台在铁路接触网高压隔离开关上的应用，实现远程高压隔离开关控制、数据采集、视频监控等多种功能。
二、 Wi-Fi技术
（1）Wi-Fi技术概述
    Wi-Fi是英文Wireless Fidelity的缩写，意即无线局域网，它是IEEE（美国电工电子技术协会）定义的一个无线网络通信的工业标准。Wi-Fi产品的标准是遵循IEEE所制定的802.11系列标准，它是美国电机电子工程师协会为解决无线网络设备互联、于1997年制定发布的无线局域网标准。而为推动无线网络的发展，满足人们的需要，IEEE相继推出了802.11b、802.11a、802.11g2个新标准，因此一般所谓的802.11x系列标准都属于Wi-Fi。跟传统的有线局域网相比，基于Wi-Fi协议的无线局域网具有可移动性，动态拓扑结构和易搭建的特点，用户可以根据需求和环境选择合适的局域网技术来构建自己的网络。
（2）Wi-Fi技术的网络结构
     Wi-Fi技术的网络结构由站点、基本服务单元、分配系统、接入点、扩展服务单元、关口等6部分组成。
     站点STA（Station）：也有叫端站，是无线网络中的终端，可以通过不同接口接入计算机终端，也可以是非计算机终端上的嵌入式设备，是网络最基本的组成部分。
接入点AP（Access Point）：即基站，既有普通站点的功能，又有接入到分配系统的功能。
     基本服务单元BSS（Basic Service Set）：一个基本服务单元BSS包括一个基站和若干个站点，所有的站点在本BSS内都可以直接通信，但在本BSS以外的站点通信时都必须通过本BSS的基站。
     分配系统DS（Distribution System）：用于连接不同的基本服务单元。
     扩展服务单元ESS（Extended Service Set）：由分配系统和基本服务单元组合而成。一个基本服务单元可通过接入点AP连接到主干分配系统DS，再接入到另一个基本服务单元BSS，就构成了一个扩展服务单元ESS。
     关口（Protal）：也有叫门桥。用于将无线局域网络和有线局域网络连接起来，作用相当于网桥。
Wi-Fi技术的网络结构图如下：
 
图1  Wi-Fi技术的网络结构图
（3）Wi-Fi的关键技术
     Wi-Fi所遵循的802.11标准是以前军方所使用的无线电通信技术，至今还是美军军方通信器材对抗电子干扰的重要通信技术。Wi-Fi中所采用的展频（SS，Spread Spectrum）技术具有非常优良的抗干扰能力。
   Wi-Fi物理层的关键技术：
◆ 直序展频技术：是指把原来功率较高，且带宽较窄的原始功率频谱分散在很宽广的带宽上，使得在整个发射信号利用很少的能量即可传送出去。
◆ 跳频技术：是指把整个带宽分割成不少于75个频道，每个不同的频道都可以单独的传送数据。当传送数据时，根据收发双方预订的协议，在一个频道传送一定时间后，就同步“跳”到另一个频道上继续通信。
◆ PBCC调制技术：是由德州仪器（TI）公司提出的，已作为IEEE802.11g的可选项被采纳。PBCC是单载波调制，采用了更多复杂的信号星座图。PBCC采用8PSK，使用了卷积码，可以完成更高速率的数据传输，其传输速率为11、22、33Mbit/s。
◆ OFDM技术：是一种无线环境下的高速多载波传输技术。其主要思想是在频域内将给定信道分成许多正交子信道，在每个子信道上窄带调制和传输，从而能有效的抑制子信道之间的相互干扰。
（4）Wi-Fi的技术优势
   ◆ 具有可移动性。Wi-Fi网络摆脱了以往上网一定要依靠电缆线的限制，这一方面使用户端在使用服务时更加舒适和方便，同时也降低了网络配置的成本和灵活的可扩展性。
◆ 组建方便。Wi-Fi网络的组建在硬件设备上的要求与有线网络相比，更加简洁方便。不同品牌的接入点AP以及客户网络接口之间在基本的服务层面上都可实现互操作。
◆ 完全开放的频率使用段。支持2.4GHz、4.9GHz、5GHz等多个频段，是免许可证频段。
◆ 支持高达54M bps的带宽。
◆ 组网模式多种多样。有点对点模式、点对多点模式、多接入点漫游模式、桥接模式、路由模式等。
三、基于Wi-Fi技术的铁路接触网隔离开关远程无线控制系统的应用
（1）基于Wi-Fi技术的铁路接触网隔离开关远程无线控制系统的组成
基于Wi-Fi技术的铁路接触网隔离开关远程无线控制系统主要由3个部分组成：监控中心、传输网络以及现场控制系统。如图2。
监控中心包括电视墙、路由器、Wi-Fi基站、监控主机以及安装在主机上的客户端软件数据库等。监控主机通过以太网和Wi-Fi基站构建成监控中心无线局域网来接收数据。用户可在客户端操作软件下达和接收高压开关动作的命令和信息，同时显示有对应高压开关的实时视频监控画面。
     传输网络采用美国Strix基于Wi-Fi无线Mesh网络的中继设备。其在智能、安全、可扩展的Mesh网络架构下支持多个无线电频率技术：802.11a、802.11b、802.11g；通过多无线模块、多射频技术和多无线信道功能，利用先进的算法来交付从网络中心到边缘的多跳高吞吐性能，自动调节性能、自动配置和自动修复故障，可支持高达108Mbps的带宽。众多功能相比传统的、民用的Wi-Fi网络，使工业级Wi-Fi网络具备更先进的优越性更适应铁路行业的应用。
现场控制系统包括高压开关及其机构、带Wi-Fi功能的摄像机、带Wi-Fi功能的RTU以及Wi-Fi基站等。Wi-Fi基站和传输中继基站构建成无线网络来传输视频和控制数据。RTU开关量输入输出对高压开关机构进行控制。
 
图2 基于Wi-Fi技术的铁路接触网隔离开关远程无线控制系统构成图
（2）基于Wi-Fi技术的铁路接触网隔离开关远程无线控制系统的特点
◆远动指令的实时传输----配备Wi-Fi无线模块的RTU采用业内主流的Arm-Cortex嵌入式处理器，通过无线网络与主站系统进行通信，接收主站下发的遥控、遥信、遥测命令，特别设计的加密和容错单元用于防止误动作和恶意攻击。
◆ 视频监控画面的实时传输----采用最先进的H.264视频压缩技术，在较低的带宽上提供高品质的图像传输。采用超低照度一体化彩色摄像机解决夜间视频监控问题。
◆ 无线语音和远程监听业务----通过Wi-Fi语音通信系统，为铁路相关调度部门提供内部的免费通话平台，大幅节省部门通信费用，并提高工作效率。工作人员在无线覆盖区域内，可以享受免费的移动语音通信，使用Wi-Fi 手机与总控室沟通汇报现场状况；同时也可以降低与外部通信成本。另一方面，可根据需要利用WIFI音频采集终端把现场的声音实时传送到调度中心实现远程监听功能，了解开关动作时候的声音是否正常，及时发现早期机械损伤。
◆ 简单的大规模部署和网络管理----系统支持自动组网、链路自动修复、自动配置等功能，自动组成高冗余性的无线Mesh网状网络帮助降低部署成本和运营维护成本。
◆ 高安全性和可靠性----系统通过配合标准软件/ 硬件安全系统，允许用户自定义安全策略，实施专用的无线网络安全机制，保证敏感数据的完整性，非公开的专用安全机制可更大强度的防止恶意攻击。同时提供完整的用户认证、鉴权，无线流量加密并且实时监测网络活动等等；支持业界先进的802.11i 无线安全标准。
四、无线远动系统的研究与设计
    无线远动系统终端（RTU）通过Wi-Fi通信接口与主站系统进行通信，接收主站下发的遥控、遥信、遥测命令，通过继电器输出接口执行遥控命令，并把各个开关量输入的状态以及自身的工作状态进行上传。
    本系统RTU采用业内主流的Arm-Cortex嵌入式处理器为核心进行设计。配备了双电源模块提高可靠性；使用了专业的开关量检测芯片具备了检测开关辅助接点生锈并且防止其生锈的功能；继电器输出采用了多点多逻辑组合控制，极大减少了继电器误动的可能性；所有对外接口都进行了隔离设计并且有防雷抗干扰电路。因此具有极高的可靠性和超强的抗干扰能力。RTU功能指标设计完全符合远动终端设备标准GB/T 13729-2002，并且兼容GB/T 13729-1992，并且集成了业内常用的通信接口，使应用场合更加广泛。通信协议支持DL101以及DL104规约。
（1）RTU技术特点：
◆ 高冗余性能。采用两块主电源模块。两块隔离电源模块。
◆ 超强抗干扰。每个对外接口均带隔离，并且配备防雷以及抗干扰措施。
◆ 继电器输出防误动。多点多逻辑组合控制继电器输出，并且在逻辑混乱的时候报警。
◆ 故障提前预知能力。采用摩托罗拉专业芯片实现开关量输入检测触点生锈的功能。能够在发生轻微生锈不影响使用的情况下及时发出警告。
（2）硬件原理
 
图3  硬件原理框图
◆ 开关量输入部分：
    外部开关量输入由中间端子进入，一共12路。经过抗干扰电路进行防护以后进入专业开关量输入芯片进行采集处理，采集的结果通过光电隔离以后再进入中央处理器由程序进行处理。本电路采取了多方面抗干扰措施，信号输入前级采用了抗干扰电路吸收可能堆电路造成损坏的高压大电流干扰，进入中央处理器之前又进行了光电隔离，进一步减少了干扰信号进入中央处理器的可能性，因此本电路具有超强抗干扰能力。除此之外，本电路采用了隔离电源模块供电，使外部信号和内部电路彻底隔离，并且采用了两块隔离电源模块互相热备份，增加了本电路的冗余性。此外，开关量输入芯片使用了摩托罗拉生产的专业开关量输入检测芯片，此芯片专门为开关触点检测而设计，具备防止触点生锈的功能，而且可以检测出触点生锈的程度。这样就能实现故障提前预知的功能，在发生轻微生锈的时候就发出报警。
输入类型：干接点
输入路数：12路
响应时间：<5ms
隔离电压：6kV
防雷性能：4kV
静电防护：10kV
◆  电源部分：
    如图3，外部电源输入从左下角接线端子进入，然后经过防雷电路进入主电源模块和备用电源模块。电源模块的输出进入电源管理电路为各个电路提供各种供电电压。本产品采用了电力专用电源模块，适用电压范围非常宽，而且交直流两用，在30V-280VAC或30V-400VDC都可正常工作。两路电源模块互相热备份。极大增强了产品的冗余性能。本电源模块本身已经具备4级防雷和抗干扰能力，在此基础上前端又增加了防雷电路。进一步增强了防雷和抗干扰性能。
电源输入范围：交流30V-280V  直流30V-400V
整机电源功耗：<3W
防雷性能：4kV
快速脉冲群防护：4kV
◆  继电器输出部分：
   继电器输出一共4路，对继电器的控制采用了多点多逻辑组合控制，而且各个信号之间是反逻辑。电路受干扰的时候同一时刻的干扰都是同一个方向的电平，反逻辑组合的好处就是同一个方向的干扰是无法使继电器动作的。这种电路具有防止误动的性能。
输出类型：干接点
输出路数：4路
响应时间：<20ms
触点工作电流：<10A
触点工作电压：<220V。
五、结束语
    基于Wi-Fi技术的铁路接触网隔离开关远程无线控制系统应用了Wi-Fi技术搭建无线局域网，集无线局域网技术、视频监控技术、网络控制技术为一体，提供了高压开关远程动作操作、视频在线监测的解决方案。使铁路接触网各处高压开关均可实现遥控、遥信、遥测、遥视的功能，且具有无线网络组建灵活方便、施工周期短、投资低、免维护、抗干扰性好、安全可靠等优点，对解决铁路枢纽及站场高压开关远程操作、视频图像传输等问题具有实际应用价值，从整体上提高了牵引供电系统的自动化水平。从经济效益上讲，无线技术取代了传统的敷设线缆的方式，无须耗费人力物力财力和时间，能够做到即插即用，且远动系统和视频监控系统也无须工作人员来回往复现场操作和查看，大大提高了工作效率，节省了工作时间，保证了作业人员的人身安全。据统计，目前西安、成都、太原、昆明、武汉等各铁路局管内和分界处的隔离开关，全路约有数万台，这些开关安装无线远程控制与视频监控系统将大大节省经济成本，产生良好的经济效益，具有良好的推广前景。