1 概述
接触网隔离开关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。在枢纽站场存在数量众多、分布范围较广的接触网隔离开关, 因此对其实施远动操作及集中监控具有极大的实用意义。目前, 国外电气化铁路发达的国家如日本、法国、德国等均已实现了接触网隔离开关的远动集中监控。但是, 在国内除对牵引变电所、开闭锁、分停区实现了远距离监控外, 只在少数几条铁路线上安装了电动机远动操作系统和集中监控系统, 如南宁至昆明线, 贵阳南机务段和六盘水南站。而在这几条线上, 对接触网隔离开关的集中监控信号均采用电缆或光缆的有线方式进行传输, 都必须面对一个非常棘手的问题, 即电缆或光缆必须穿越轨道。这对既有线路来说, 施工量大, 而且可能影响到铁路运营。有人提出采用电磁波的传输方式, 但是电磁干扰、现场气候(如大雾)、无线电频率占用等问题迟迟未得到解决。由此, 决定采用无线光通信结合光纤通信的方式进行监控信号的传输。
2 无线光通信的技术特性
自由空间光通信(FSO :Free Space Optical Communication)或称无线光通信是光通信和无线通信结合的产物, 它是用小功率的红外激光束在大气中传送光信号的通信系统。FSO 是物理层传输设备, 以光为传输媒介, 任何传输协议均很容易叠加上去, 对数据、语音、图像信息等业务实现全双工传输。激光具有直线性和窄波束的特点, FSO 主要用于点对点的视距传输, 任何光束的遮挡都将对通信造成影响。同时, 要求两端设备对准且固定牢稳, 以保证对光信号的直接有效接收。红外波段较微波波段的波长更小, 这使得FSO 具有更宽的传输带宽、更高的接收灵敏度、更强的抗干扰抗恶劣气候的能力。FSO 常用的两种工作波长为850 nm和1 550 nm。850 nm 波长的设备便宜, 但传输距离不太远;1 550 nm 波长的设备价格稍高, 但它具有更大的输出功率, 更远的工作距离, 从而可以消除恶劣气候的影响(FSO 最大的干扰是恶劣气候)。同时, FSO 只需进行屋顶天线安装等简单的布设, 避免了铺设有线电缆或光缆时挖沟的繁琐工作(尤其是需要跨匦布设时), 能以最快的时间提供高质量的服务。
FSO 具有以下的特点和优势:
(1)频带宽, 速率高, 容量大从理论上讲, FSO 的传输带宽与光纤通信的传输带宽相同。目前投入商用的无线光通信, 最高速率可达622Mbit/s , 这足以进行各种控制信号和视频信号的传输。
(2)架设灵活便捷
铺设光缆是件头疼的事, 尤其是要穿越已经铺设好的铁轨。但是采用FSO 却方便得多, 只需在隔离开关下方电杆的适当高度安装无线光通信的发射和接收装置,这可以在几小时内完成, 因此大大缩短了施工周期。
(3)通信协议透明
FSO 产品是一种物理层的传输设备, 它以光为传输媒介, 适用于任何通信协议, 支持高速率的数据、声音和图像等各种信息的传输。
(4)无需频率许可证
无线电通信(如微波)在铁路上的使用必须向当地铁路局无线科申请频率许可证, 经当地政府无线电管理委员会备案后, 方可使用。如果采用FSO , 则无需频率申请。
(5)小型化
FSO 的光学发射天线尺寸很小(10 ～ 30 cm), 其无线接收器大小跟一部保安摄像机相比拟, 可以方便架设。光学天线对激光束具有很好的聚束作用, 增益很高。另外, FSO 一般采用的半导体激光器发光效率很高, 功耗却很小, 因此系统设备极易小型化, 而且具有集成化的可能。
当然, FSO 激光光束在大气传输中易受大雾等恶劣天气的影响, 使通信可靠性降低。此时可以加大激光输出功率, 同时采用1 550 nm 的激光可增大激光穿透大雾的能力, 确保正常通信。
3 系统结构及工作原理
3.1 系统组成
采用无线光通信结合光纤通信的接触网隔离开关集中监控系统可以分为四大组成部分:中心控制系统、光纤传输信道、有线/无线光数据转发(FSO 设备)、当地无线受控电机.
(1)中心控制系统 主要包括2 台P4 工业控制计算机(主机A 和备用机B), 17 寸彩色液晶显示器;101工业键盘, 鼠标, 打印机, 话筒, 一对音像;UPS 电源;前置机, 调制解调器;模拟屏(用灯光显示各股道接触网隔离开关的开合状况)。其功能是供值班人员在值班室通过操作计算机就可实现隔离开关的远动操作。中心控制系统可细分为:计算机操作系统、语音系统、视频监控系统、身份验证系统、控制信号系统和模拟屏显示系统。
(2)光纤传输信道 主要用于远距离连接中心控制室和FSO 中心设备。注意, 光纤应沿着铁轨沿线铺设, 在必须穿越铁轨的地方采用FSO 连接。如果中心控制室和无线受控装置距离在FSO 的有效通信距离内, 可以不用铺设光纤, 将中心控制系统与FSO 中心端直接相连, 从而与FSO 远端进行通信。
(3)有线/无线光数据转发 即FSO 设备, 它将从主控室或是隔离开关当地受控装置发送来的电信号(或光信号)转换成激光信号(或电信号), 经过光学天线发射(或接收)。该系统的最大特点是无需挖沟铺设电缆或光缆, 直接架设FSO 设备跨匦通信.
(4)当地无线受控装置，包括UPS 电源, 电动机系统, 隔离开关, 数据采集系统, 身份识别系统, 语音系统,CCD 摄像系统, 手动隔离开关系统, 近动控制面板，包括接触网隔离开关、接地开关状态指示灯, 操作按钮, 申请操作按钮, 远动/近动转换开关, 钥匙闭锁开关, 加热装置按钮等)。当地的所有有用信号通过数据采集卡处理后再与FSO 远端连接, 从而与FSO 中心端通信。
3.2 系统工作过程
(1)远动操作
司机或弓网检修员到值班室申请操作远方隔离开关, 值班员在主机A 前操作(值班人员也需口令才能进入隔离开关计算机操作系统)。首先, 要求司机或检修员输入代码和密码, 通过验证后, 隔离开关操作系统中的按钮才被激活, 此后, 计算机自动记录操作信息。值班员鼠标点击隔离开关操作系统中的按钮, 如`分 按钮, 系统发出分离隔离开关的命令。此命令信号经预处理后进入光纤信道, 到达FSO中心端, 经光学天线发射,再被其光路上的FSO远端接收, 经数据采集卡处理后控制电动机朝打开隔离开关的方向转动, 隔离开关自动分离并挂接接地线。传感器把隔离开关的状态信息返回主控制室。司机或检修员和操作员一同确认开关打开后, 点击该道的闭锁按钮, 使该道的操作按钮处于闭锁状态。这时, 司机或检修员方可上机车顶操作。
(2)近动操作
司机或弓网检修员打开当地控制箱, 先开启近动操作电源, 然后申请近动操作, 远方值班员操作计算机, 语音提示输入代号和密码, 通过系统验证后, 近动操作面板上的远动/近动选择按钮和手动操作的闭锁钥匙箱门才被激活, 同时计算机自动记录每步操作的信息。司机或检修员把远动/近动选择按钮拨到近动,此时`分 、`合 、`停 按钮被激活, 随即便对隔离开关进行操作, 传感器把隔离开关的状态信息返回主控制室。如果电动机系统出现问题, 可从手动操作闭锁钥匙箱中取出钥匙, 打开手动操作把的闭锁, 实现手动操作。手动操作完毕, 把手动操作的闭锁钥匙放回箱中最后, 把远动/近动选择按钮拨到远动, 关闭近动操作电源, 从而起到了近动控制的闭锁。开关到位与否的判断可以采用三重传感器监测,确保隔离开关开合正常。首先在电动机传动装置内安装行程开关, 当隔离开关到达`分 或`合 位置时, 行程开关也到达触点, 发出开关到位信号。再次, 可以监测接触网上的电压, 隔离开关闭合时, 接触网上应为高电压;隔离开关分离时, 由于已自动挂接接地线, 故接触网上应为零电压。最后, 安装CCD 摄像机, 在主控室实时监控隔离开关的开合情况。三重保护, 确保对隔离开关的安全操作。
4 结语
传统的隔离开关操作方式不能充分利用`天窗 时间,增加了停送电时间, 也加大了值班人员的劳动强度。随着我国电气化铁路的发展, 采用接触网隔离开关集中监控系统是必然的。在各种隔离开关集中监控系统方案中, 采用无线光通信结合光纤通信作为信号的传输通道最为方便实用。它不仅能克服采用完全有线方式需要穿轨的缺点, 又不像使用无线电方式那样需申请频段且易受电磁干扰。通过采用1 550 nm 的激光波长和加大激光输出功率, 完全可以实现在几百米内无误码通信。目前, 无线光通信的应用还未普及开来,FSO 设备自身成本还较高, 但省去了昂贵的管道铺设和维护费用, 造价与有线传输方式相比拟。随着FSO 设备技术的成熟, 成本的降低, 该接触网隔离开关集中监控系统方案必能在全国铁路系统得到推广。
