接觸網(wǎng)隔離開關(guān)集中監(jiān)控系統(tǒng)無線光通信的技術(shù)特性

自由空間光通信(FSO: Free Space Optical Cammuni-catlon)或稱無線光通信是光通信和無線通信結(jié)合的產(chǎn)物，它是用小功率的紅外激光束在大氣中傳送光信號(hào)的通信系統(tǒng)。FSO是物理層傳輸設(shè)備，以光為傳輸媒介，任何傳輸協(xié)議均很容易疊加上去，對(duì)數(shù)據(jù)、語音、圖像信息等業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)全雙工傳輸。激光具有直線性和窄波束的特點(diǎn)，F(xiàn)SO主要用于點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的視距傳輸，任何光束的遮擋都將對(duì)通信造成影響。同時(shí)，要求兩端設(shè)備對(duì)準(zhǔn)且固定牢穩(wěn)，以保證對(duì)光信號(hào)的直接有效接收紅外波段較微波波段的波長更小，這使得FSO具有更寬的傳輸帶寬、更高的接收靈敏度、更強(qiáng)的抗干擾抗惡劣氣候的能力。FSO常用的兩種工作波長為850 nm和1 550 nmo 850 nm波長的設(shè)備便宜，但傳輸距離不太遠(yuǎn);1 550 nm波長的設(shè)備價(jià)格稍高，但它具有更大的輸出功率，更遠(yuǎn)的工作距離，從而可以消除惡劣氣候的影響(FSO最大的干擾是惡劣氣候)。同時(shí)，F(xiàn)SO只需進(jìn)行屋頂天線安裝等簡單的布設(shè)，避免了鋪設(shè)有線電纜或光纜時(shí)挖溝的繁瑣工作，能以最快的時(shí)間提供高質(zhì)量的服務(wù) 。

FSO具有以下的特點(diǎn)和優(yōu)勢

1)頻帶寬，速率高，容量大 從理論上講，F(xiàn)SO的傳輸帶寬與光纖通信的傳輸帶寬相同。投入商用的無線光通信，最高速率可達(dá)622 Mbit/ s，這足以進(jìn)行各種控制信號(hào)和視頻信號(hào)的傳輸。

2)架設(shè)靈活便捷 鋪設(shè)光纜是件頭疼的事，尤其是要穿越已經(jīng)鋪設(shè)好的鐵軌。但是采用FSO卻方便得多，只需在隔離開關(guān)下方電桿的適當(dāng)高度安裝無線光通信的發(fā)射和接收裝置，這可以在幾小時(shí)內(nèi)完成，因此大大縮短了施工周期。

3)通信協(xié)議透明 FSO產(chǎn)品是一種物理層的傳輸設(shè)備，它以光為傳輸媒介，適用于任何通信協(xié)議，支持高速率的數(shù)據(jù)、聲音和圖像等各種信息的傳輸。

4)無需頻率許可證 無線電通信(如微波)在鐵路上的使用必須向當(dāng)?shù)罔F路局無線科申請頻率許可證，經(jīng)當(dāng)?shù)卣疅o線電管理委員會(huì)備案后，方可使用。如果采用FSO，則無需頻率申請。

5)小型化 FSO的光學(xué)發(fā)射天線尺寸很小(10 ~30 cm)，其無線接收器大小跟一部保安攝像機(jī)相比擬，可以方便架設(shè)。光學(xué)天線對(duì)激光束具有很好的聚束作用，增益很高。另外，F(xiàn)SO一般采用的半導(dǎo)體激光器發(fā)光效率很高，功耗卻很小，因此系統(tǒng)設(shè)備極易小型化，而且具有集成化的可能。

當(dāng)然，F(xiàn)SO激光光束在大氣傳輸中易受大霧等惡劣天氣的影響，使通信可靠性降低。此時(shí)可以加大激光輸出功率，同時(shí)采用1 550 nm的激光可增大激光穿透大霧的能力，確保正常通信。

接觸網(wǎng)隔離開關(guān)是電氣化鐵路電力牽引供電的重要設(shè)備，其主要功能是隔離故障、分段作業(yè)及改變運(yùn)行方式等。在樞紐站場存在數(shù)量眾多、分布范圍較廣的接觸網(wǎng)隔離開關(guān)，因此對(duì)其實(shí)施遠(yuǎn)動(dòng)操作及集中監(jiān)控具有極大的實(shí)用意義。國外電氣化鐵路發(fā)達(dá)的國家如日本、法國、德國等均已實(shí)現(xiàn)了接觸網(wǎng)隔離開關(guān)的遠(yuǎn)動(dòng)集中監(jiān)控。但是，在國內(nèi)除對(duì)牽引變電所、開閉鎖、分停區(qū)實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離監(jiān)控外，只在少數(shù)幾條鐵路線上安裝了電動(dòng)機(jī)遠(yuǎn)動(dòng)操作系統(tǒng)和集中監(jiān)控系統(tǒng)，如南寧至昆明線，貴陽南機(jī)務(wù)段和六盤水南站。而在這幾條線上，對(duì)接觸網(wǎng)隔離開關(guān)的集中監(jiān)控信號(hào)均采用電纜或光纜的有線方式進(jìn)行傳輸，都必須面對(duì)一個(gè)非常棘手的問題，即電纜或光纜必須穿越軌道。這對(duì)既有線路來說，施工量大，而且可能影響到鐵路運(yùn)營。有人提出采用電磁波的傳輸方式，但是電磁干擾、現(xiàn)場氣候(如大霧)、無線電頻率占用等問題遲遲未得到解決。由此，決定采用無線光通信結(jié)合光纖通信的方式進(jìn)行監(jiān)控信號(hào)的傳輸 。

采用無線光通信結(jié)合光纖通信的接觸網(wǎng)隔離開關(guān)集中監(jiān)控系統(tǒng)可以分為四大組成部分:中心控制系統(tǒng)、光纖傳輸信道、有線/無線光數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、當(dāng)?shù)責(zé)o線受控電機(jī)

1 )中心控制系統(tǒng)主要包括兩臺(tái)P4工業(yè)控制計(jì)算機(jī)(主機(jī)A和備用機(jī)B ), 17寸彩色液晶顯示器;101工業(yè)鍵盤.鼠標(biāo).打印機(jī).話筒一對(duì)音像;UPS電源;前置機(jī)，調(diào)制解調(diào)器;模擬屏(用燈光顯示各股道接觸網(wǎng)隔離開關(guān)的開合狀況)。其功能是供值班人員在值班室通過操作計(jì)算機(jī)就可實(shí)現(xiàn)隔離開關(guān)的遠(yuǎn)動(dòng)操作。中心控制系統(tǒng)可細(xì)分為:計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)、語音系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、身份驗(yàn)證系統(tǒng)、控制信號(hào)系統(tǒng)和模擬屏顯示系統(tǒng)。

2)光纖傳輸信道主要用于遠(yuǎn)距離連接中心控制室和FSO中心設(shè)備。注意，光纖應(yīng)沿著鐵軌沿線鋪設(shè)，在必須穿越鐵軌的地方采用FSO連接。如果中心控制室和無線受控裝置距離在FSO的有效通信距離內(nèi)，可以不用鋪設(shè)光纖，將中心控制系統(tǒng)與FSO中心端直接相連，從而與FSO遠(yuǎn)端進(jìn)行通信。

3)有線/無線光數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)即FSO設(shè)備，它將從主控室或是隔離開關(guān)當(dāng)?shù)厥芸匮b置發(fā)送來的電信號(hào)(或光信號(hào))轉(zhuǎn)換成激光信號(hào)(或電信號(hào))，經(jīng)過光學(xué)天線發(fā)射(或接收)。該系統(tǒng)的最大特點(diǎn)是無需挖溝鋪設(shè)電纜或光纜，直接架設(shè)FSO設(shè)備跨匾通信。

4)當(dāng)?shù)責(zé)o線受控裝置包括UPS電源，電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，隔離開關(guān)，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，身份識(shí)別系統(tǒng)，語音系統(tǒng)，攝像系統(tǒng)，手動(dòng)隔離開關(guān)系統(tǒng)，近動(dòng)控制面板。當(dāng)?shù)氐乃杏杏眯盘?hào)通過數(shù)據(jù)采集卡處理后再與FSO遠(yuǎn)端連接，從而與FSO中心端通信。

接觸網(wǎng)隔離開關(guān)集中監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)動(dòng)操作

司機(jī)或電網(wǎng)檢修員到值班室申請操作遠(yuǎn)方隔離開關(guān)，值班員在主機(jī)A前操作(值班人員也需口令才能進(jìn)入隔離開關(guān)計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng))。首先，要求司機(jī)或檢修員輸入代碼和密碼，通過驗(yàn)證后，隔離開關(guān)操作系統(tǒng)中的按鈕才被激活，此后，計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄操作信息。值班員鼠標(biāo)點(diǎn)擊隔離開關(guān)操作系統(tǒng)中的按鈕，系統(tǒng)發(fā)出分離隔離開關(guān)的命令。此命令信號(hào)經(jīng)預(yù)處理后進(jìn)入光纖信道，到達(dá)中心端，經(jīng)光學(xué)天線發(fā)射，再被其光路上的遠(yuǎn)端接收，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡處理后控制電動(dòng)機(jī)朝打開隔離開關(guān)的方向轉(zhuǎn)動(dòng)，隔離開關(guān)自動(dòng)分離并掛接接地線。傳感器把隔離開關(guān)的狀態(tài)信息返回主控制室。司機(jī)或檢修員和操作員一同確認(rèn)開關(guān)打開后，點(diǎn)擊該道的閉鎖按鈕，使該道的操作按鈕處于閉鎖狀態(tài)。這時(shí)，司機(jī)或檢修員方可上機(jī)車頂操作。

接觸網(wǎng)隔離開關(guān)集中監(jiān)控系統(tǒng)近動(dòng)操作

司機(jī)或電網(wǎng)檢修員打開當(dāng)?shù)乜刂葡?，先開啟近動(dòng)操作電源，然后申請近動(dòng)操作，遠(yuǎn)方值班員操作計(jì)算機(jī)，語音提示輸入代號(hào)和密碼，通過系統(tǒng)驗(yàn)證后，近動(dòng)操作面板上的遠(yuǎn)動(dòng)/近動(dòng)選擇按鈕和手動(dòng)操作的閉鎖鑰匙箱門才被激活，同時(shí)計(jì)算機(jī)自動(dòng)記錄每步操作的信息。司機(jī)或檢修員把遠(yuǎn)動(dòng)/近動(dòng)選擇按鈕撥到近動(dòng)，隨即便對(duì)隔離開關(guān)進(jìn)行操作，傳感器把隔離開關(guān)的狀態(tài)信息返回主控制室。如果電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)出現(xiàn)問題，可從手動(dòng)操作閉鎖鑰匙箱中取出鑰匙，打開手動(dòng)操作把的閉鎖，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)操作。手動(dòng)操作完畢，把手動(dòng)操作的閉鎖鑰匙放回箱中。最后，把遠(yuǎn)動(dòng)/近動(dòng)選擇按鈕撥到遠(yuǎn)動(dòng)，關(guān)閉近動(dòng)操作電源，從而起到了近動(dòng)控制的閉鎖。

開關(guān)到位與否的判斷可以采用三重傳感器監(jiān)測，確保隔離開關(guān)開合正常。首先在電動(dòng)機(jī)傳動(dòng)裝置內(nèi)安裝行程開關(guān)，當(dāng)隔離開關(guān)到達(dá)‘分，或‘合，位置時(shí)，行程開關(guān)也到達(dá)觸點(diǎn)，發(fā)出開關(guān)到位信號(hào)。再次，可以監(jiān)測接觸網(wǎng)上的電壓，隔離開關(guān)閉合時(shí)，接觸網(wǎng)上應(yīng)為高電壓;隔離開關(guān)分離時(shí)，由于已自動(dòng)掛接接地線，故接觸網(wǎng)上應(yīng)為零電壓。最后，安裝攝像機(jī)，在主控室實(shí)時(shí)監(jiān)控隔離開關(guān)的開合情況。三重保護(hù)，確保對(duì)隔離開關(guān)的安全操作。

傳統(tǒng)的隔離開關(guān)操作方式不能充分利用‘天窗’時(shí)間，增加了停送電時(shí)間，也加大了值班人員的勞動(dòng)強(qiáng)度。隨著我國電氣化鐵路的發(fā)展，采用接觸網(wǎng)隔離開關(guān)集中監(jiān)控系統(tǒng)是必然的。在各種隔離開關(guān)集中監(jiān)控系統(tǒng)方案中，采用無線光通信結(jié)合光纖通信作為信號(hào)的傳輸通道最為方便實(shí)用。它不僅能克服采用完全有線方式需要穿軌的缺點(diǎn)，又不像使用無線電方式那樣需申請頻段且易受電磁干擾。通過采用1 550 nm的激光波長和加大激光輸出功率，完全可以實(shí)現(xiàn)在幾百米內(nèi)無誤碼通信。目前，無線光通信的應(yīng)用還未普及開來，F(xiàn)SO設(shè)備自身成本還較高，但省去了昂貴的管道鋪設(shè)和維護(hù)費(fèi)用，造價(jià)與有線傳輸方式相比擬。隨著FSO設(shè)備技術(shù)的成熟，成本的降低，該接觸網(wǎng)隔離開關(guān)集中監(jiān)控系統(tǒng)方案必能在全國鐵路系統(tǒng)得到推廣 。

實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)隔離開關(guān)的遠(yuǎn)程控制是鐵路電氣化發(fā)展的趨勢，而以往采用的有線方式進(jìn)行隔離開關(guān)的控制存在一些弊端 。

接觸網(wǎng)隔離開關(guān)作為電氣化鐵道牽引供電的重要設(shè)備，主要用于隔離接觸網(wǎng)上的故障點(diǎn)域段)、分段停電檢修、改變供電方式等。目前，遠(yuǎn)程控制接觸網(wǎng)隔離開關(guān)的系統(tǒng)已經(jīng)出現(xiàn)，主要采用微波或有線的方式連接。而本采用GPRS無線方式進(jìn)行遠(yuǎn)程通信，主要完成對(duì)接觸網(wǎng)開關(guān)的遙控和現(xiàn)場電動(dòng)、手動(dòng)操作功能。值班人員在值班室可以在微機(jī)上通過操作鍵盤或鼠標(biāo)直接操作各接觸網(wǎng)隔離開關(guān)，代替了人工步行至現(xiàn)場就地操作的落后方式，不僅大大縮短了停送電時(shí)間，也降低了工作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，保障了工作人員的人身安全，同時(shí)成本也大為降低。

開關(guān)控制系統(tǒng)研究背景

接觸網(wǎng)開關(guān)(隔離開關(guān)或負(fù)荷隔離開關(guān))系電氣化鐵道牽引供電的重要裝置之一，一般設(shè)置在區(qū)間和站場接觸網(wǎng)交接的咽喉處、股道之間和線群之間接觸網(wǎng)的聯(lián)接處。

對(duì)單線電氣化區(qū)段而言，接觸網(wǎng)上開關(guān)均采用隔離開關(guān)。而在有“V停反行”要求的復(fù)線電氣化區(qū)段，為節(jié)省投資，慣用的做法是在站場的一側(cè)使用隔離開關(guān)，另一側(cè)安裝負(fù)荷隔離開關(guān)(這種開關(guān)有負(fù)荷開關(guān)和隔離開關(guān)的雙重功能)。無論是隔離開關(guān)還是負(fù)荷隔離開關(guān)，其作用都是保證接觸網(wǎng)停電檢修和實(shí)現(xiàn)接觸網(wǎng)故障隔離。由于接觸網(wǎng)開關(guān)安裝位置遠(yuǎn)離車站，且通常采用人工操作方式，因此天窗時(shí)間也得不到充分利用，故障隔離功能難以實(shí)現(xiàn)。

隨著近年來電氣化鐵道承擔(dān)運(yùn)量的日益增加，相應(yīng)運(yùn)營部門對(duì)牽引供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量和供電水平的要求也愈來愈高，特別是復(fù)線區(qū)段“V型天窗”和“反向行車”要求的提出，使得接觸網(wǎng)開關(guān)遠(yuǎn)動(dòng)化已成為必然趨勢。

開關(guān)控制系統(tǒng)技術(shù)要求

因接觸網(wǎng)開關(guān)的運(yùn)行與鐵路行車關(guān)系極為密切，故其控制系統(tǒng)必須滿足以下技術(shù)要求：

(1)沿線路分布的接觸網(wǎng)開關(guān)必須由鐵路分局電力調(diào)度直接進(jìn)行集中監(jiān)控，以便和行車調(diào)度有機(jī)配合。

(2)對(duì)接觸網(wǎng)開關(guān)的控制必須與牽引變電所(開閉所或分區(qū)亭)饋線斷路器實(shí)現(xiàn)聯(lián)鎖，以防止違反供電規(guī)則的誤操作。即只有將接觸網(wǎng)開關(guān)的控制系統(tǒng)作為子系統(tǒng)納入現(xiàn)行牽引供電遠(yuǎn)動(dòng)系統(tǒng)中，聯(lián)鎖功能才能實(shí)現(xiàn)。需要說明，若接觸網(wǎng)上全部配置負(fù)荷隔離開關(guān)，則無此要求。

(3)接觸網(wǎng)開關(guān)作為控制目標(biāo)，呈帶狀分布。不但點(diǎn)多，而且分散，通訊網(wǎng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)充分考慮整個(gè)系統(tǒng)的響應(yīng)時(shí)間。

開關(guān)控制系統(tǒng)系統(tǒng)控制方式

接觸網(wǎng)開關(guān)的設(shè)置因單、復(fù)線而異，車站的等級(jí)和作用不同，網(wǎng)上開關(guān)的配置亦不相同。對(duì)一般站場來說，單線每側(cè)一臺(tái)，復(fù)線每側(cè)兩臺(tái)，開關(guān)安裝位置距車站中心約為1.5~2km，而大型編組場的接觸網(wǎng)開關(guān)可多達(dá)20臺(tái)左右，且分布在5~10km的半徑內(nèi)。根據(jù)接觸網(wǎng)開關(guān)的設(shè)置特點(diǎn)，對(duì)其控制有三種方式，即集中控制方式、分散控制方式和無線電控制方式，如圖3所示。

所謂集中控制方式，是將本應(yīng)在車站兩側(cè)的接觸網(wǎng)開關(guān)通過高壓供電線集中在車站附近進(jìn)行控制。分散控制則是在車站處安裝被控終端，而將控制及信號(hào)電纜引至開關(guān)處。集中控制和分散控制均屬有線控制。

無線電控制方式，其實(shí)現(xiàn)方法是在車站處設(shè)置無線通訊控制器(RCC)，而在每臺(tái)開關(guān)支柱的下方安裝無線遙控執(zhí)行單元(REU)。對(duì)于集中控制方式，其優(yōu)點(diǎn)在于接觸網(wǎng)開關(guān)的集中設(shè)置，便于管理和控制。缺點(diǎn)是受高壓供電線路徑和開關(guān)場地的限制，在山區(qū)極難實(shí)現(xiàn)。分散控制雖無需架設(shè)高壓線路，但要把若干控制和信號(hào)電纜從車站分別引至開關(guān)處。由于電纜要沿線路并穿越股道敷設(shè)，故施工成本較高，且不易維護(hù)。而無線遙控方式，則完全克服了有線控制的缺點(diǎn)，既不需架設(shè)高壓線路，又不需建設(shè)低壓控制與信號(hào)電纜，從而大大降低了施工難度和成本，且易實(shí)現(xiàn)。

按其安裝方式的不同

可分為戶外隔離開關(guān)與戶內(nèi)高壓隔離開關(guān) 。戶外隔離開關(guān)指能承受風(fēng)、雨、雪、污穢、凝露、冰及濃霜等作用，適于安裝在露臺(tái)使用的隔離開關(guān)。

按其絕緣支柱結(jié)構(gòu)的不同

可分為單柱式隔離開關(guān)（single-column disconnector)、雙柱式隔離開關(guān)（double-column disconnector)、三柱式隔離開關(guān)（three-column disconnector)。其中單柱式隔離開關(guān)在架空母線下面直接將垂直空間用作斷口的電氣絕緣，因此，具有的明顯優(yōu)點(diǎn)，就是節(jié)約占地面積，減少引接導(dǎo)線，同時(shí)分合閘狀態(tài)特別清晰。在超高壓輸電情況下，變電所采用單柱式隔離開關(guān)后，節(jié)約占地面積的效果更為顯著 。

按電壓等級(jí)的不同

低壓隔離開關(guān)

電氣設(shè)備進(jìn)行維修時(shí) ，需要切斷電源，使維修部分與帶電部分脫離，并保持有效的隔離距離，要求在其分?jǐn)嗫陂g能承受過電壓的耐壓水平。刀開關(guān)即作為隔離電源的開關(guān)電器。隔離電源的刀開關(guān)亦稱作隔離開關(guān)。隔離用刀開關(guān)一般屬于無載通斷電器，只能接通或分?jǐn)唷翱珊雎缘碾娏鳌保ㄖ笌щ妷旱哪妇€、短電纜的電容電流或電壓互感器的電流）。也有的刀開關(guān)具有一定的通斷能力，在其通斷能力與所需通斷的電流相適應(yīng)時(shí)，可在非故障條件下接通或分?jǐn)嚯姎庠O(shè)備或成套設(shè)備中的一部分。 用做隔離電源的刀開關(guān)必須滿足隔離功能，即開關(guān)斷口明顯，并且斷口距離合格。 刀開關(guān)和熔斷器串聯(lián)組合成一個(gè)單元，稱為刀開關(guān)熔斷器組合電器；刀開關(guān)的可動(dòng)部分（動(dòng)觸頭）由帶熔斷體的載熔件組成時(shí)，稱為熔斷器式刀開關(guān)。刀開關(guān)熔斷器組合并增裝了輔助元件如操作杠桿、彈簧及弧刀等可組合為負(fù)荷開關(guān)。負(fù)荷開關(guān)具有在非故障條件下，接通或分?jǐn)嘭?fù)荷電流的能力和一定的短路保護(hù)功能。

高壓隔離開關(guān)

GN系列戶內(nèi)高壓隔離開關(guān)

高壓斷路器

GW系列戶外高壓隔離開關(guān)

常見高壓隔離開關(guān)型號(hào)

CR 中心斷口隔離開關(guān)（126kV~252kV）

DR 雙面隔離開關(guān)（72.5kV~363kV）

KR 雙柱水平伸縮式隔離開關(guān)（126kV~550kV）

PR 單柱雙臂垂直伸縮式隔離開關(guān)（126kV to 500kV）

SR 水平旋轉(zhuǎn)單側(cè)斷口式隔離開關(guān)（40.5kV）

VR V型中心斷口隔離開關(guān)（126kV）

YR 單柱單臂垂直伸縮式隔離開關(guān)（126kV~550kV）