基于小波加密技术的铁路电力无线监控系统

朱立霞



基于小波加密技术的铁路电力无线监控系统

朱立霞

通过对现有铁路电力远动系统存在问题进行分析，研究利用无线公共网络作为传输通道，实现了铁路电力设备的无线监控。

公共网络；无线监控；抗干扰；加密技术

0 引言

中国铁路武汉局襄阳供电段管内已纳入远动系统的铁路电力线路大都采用TMIS（Transportion Management Information System，铁路运输管理信息系统）远动通道。由于TMIS通道存在数据传输不稳定、丢包现象严重、通信设备运行不可靠等问题，电力远动系统无法正常运行现象时有发生；另外，光纤通道也有可能受到沿途地面开挖等外界因素影响，造成光纤中断，无法正常使用，尤其是宜万线、襄渝线等山区铁路，远动通道不通对故障处理影响极其恶劣，有时断开一个开关需要步行2～3 h，严重干扰了铁路正常运输秩序。

移动、联通、电信等手机无线公共网络覆盖面积大、信号强，如果采用手机无线公共网络进行远动控制，只要具备手机通话服务的区域即可实现远动操作，且公共网络不需要维护费用，具有较好的经济性，有必要进行相关研究。

1 需要解决的问题

GSM是全球移动通信系统（Global System for Mobile Communications）的简称，是当前应用最广泛的移动通信标准。采用GSM无线公共网络对铁路电力设备进行远动控制和监控，需解决以下问题：

（1）针对GSM无线公共网络通信的开放结构，需研究信号保密安全技术；

（2）研究利用GSM无线公共网络传输的抗电磁干扰技术；

（3）设计以GSM无线公共网络作为传输通道的专用电力监控硬件设备；

（4）设计以GSM无线公共网络作为传输通道的电力数据传输和管理软件。

2 解决方案

2.1 选取网络系统

目前国内现有的无线网络通信运营商有中国移动、中国联通、中国电信。采用不同手机电话卡在不同地点，尤其如宜万线这种山区铁路电力线路沿途进行通话试验，通过对通话质量以及信号质量进行比较，优先选择中国移动无线网络系统。

2.2 信号的保密安全技术

GSM无线公共网络通信系统是一种开放结构，只要办理了电话卡即可以接打电话，也可以收发通讯信息，如果不采取一定措施，无线遥控装置将不能实现安全控制。例如，手机在通话时，其他通话将无法接入，必须排队等待。同样在无线遥控装置中的电话卡，如果被不明号码接入，操作命令将无法实时到达，只能等待，这对于无线遥控来说是致命的缺陷。为了解决该问题，必须研究信号保密安全技术。

通过将电力开关的分合闸信号、测量数据、信号数据等通过A/D变换器转化为0/1数字信号，采用现代数学的小波重构方法进行加密传输，加密传输流程如图1所示。简单来说就是通过短信传输的数据、命令信息均为由0和1组成的二位制数字，在供电段指挥中心的监控机和终端RTU控制机中添加多重防火墙，阻止各种不明信号接入。

图1 加密传输流程

采用该方法后，除监控用的电话卡之间可互相通信外，其他号码均无法与其进行通信（图2）。

图2 GSM网络用于电力监控的保密安全示意图

2.3 传输信号的抗电磁干扰问题

铁路电力线路一般是沿铁路线路架设，受沿线接触网电磁干扰比较严重，电力远动操作首先需要保证操作的可靠性，如果出现信息误传，将造成开关误动。

针对该问题，编辑远动遥控信号时，采用“双向握手”方式，保证信息发送和接收传输的可靠性。发出一个分闸信号，首先发出一个16位或32位的二进制随机代码，向对方“打招呼”，如果对方接收到该信息并将随机的二进制代码解码，即回复“准备完毕”信号，发信号端接收到被控端“准备完毕”信号后，方可进行控制命令的发送，确保信息发送和接收传输的可靠性。

2.4 电力监控硬件设备设计

电力无线远动监控系统必须以实际载体实现对电力开关的控制。设计以GSM无线公共网络为传输通道的电力监控硬件设备，主要包括电力监控部分和无线通信部分。电力监控部分依据电路理论和现场应用较成熟的有线传输电力监控RTU设备，分别进行电源、信号采集、监控、输入输出部分的设计；通信部分则依据无线通信原理，对输入的电信号进行接收、转换，并将执行情况转换为二进制码进行下发。电力监控硬件设备如图3所示。

图3 电力监控硬件设备

2.5 电力数据传输和管理软件

依据数据库原理，编写软件流程及各个子程序，再对总体程序进行试运行和修改，最后应用到现场进行考核，对电力数据传输和管理软件的设计进行完善。

2.6 数据采集和控制方式设计

由于既有的电力开关设备均处于运行状态，增加无线远动监控装置不仅需保证不影响既有设备的运行，还要保证无线远动控制设备的安装实施。因此，需对既有的电力设备进行调查，特别是箱变的一次主接线、二次接线、设备布置等情况，在箱变空闲空间安装无线监控装置；对箱变的开关控制，采用继电器对既有TMIS通道信号和无线控制信号进行物理隔离：优先使用TMIS通道进行远动控制，当TMIS通道发生失电故障后，自动转到无线控制方式，从而保证供电段生产指挥中心对箱变开关运行的可靠控制。

3 现场试验

确定解决方案后，对电力设备进行摸底，对纳入试验的电力设备进行调查、整治。试验样机生产完成后，组织检修车间进行现场安装、调试。综合考虑现场设备的实际情况，选取电动负荷开关作为试点开关，将开关的公共端、合闸出口、跳闸出口、分位灯出口、合位灯出口、线路电压显示A相/ B相/ C相等信息纳入传输通道，对现场设备进行安装。安装完毕后进行现场试验检验，动作情况良好。

为检验设备是否满足目标要求和现场实际需求，安全生产指挥中心每周对该无线远动装置进行动作试验，并将试验情况进行记录；如线路出现故障，优先选择该装置断开开关进行故障处理；在试验或故障处理过程中，如出现问题及时反馈。经过几个月的试运行，该装置动作正常、可靠。

4 实现的功能及技术指标

通过对电力设备无线远动控制装置的设计研究和现场试验，实现的功能及技术指标如下：

（1）对电力开关的遥控操作、开关位置的上传遥信正确率100%。

（2）无线遥控的响应时间为5～10 s；多个遥信排队依次上传，第1个遥信的响应时间为3～8 s；无线监控距离大于1 000 km。

（3）变电所的监控操作权限受电调台的控制，自动控制越权操作。

（4）能够监控箱变中主接线回路各相是否带电，即遥测信息。

（5）系统设置了防火墙并采用了通信加密技术，完全具备抵抗无线公共网络上的呼叫、短信干扰、网络病毒入侵的能力。

5 结语

该无线远动控制装置经过几个月的现场检验，其动作可靠，满足铁路电力供电可靠性的要求，应用前景广阔。具体实际应用时，可根据现场电力设备分布特点，开关分布情况及中继站发电机巡视启动需要等情况进行具体设置。

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The wireless monitoring functions are realized by analyzing the existed problems of railway power supply remote control system, with wireless public network being employed as the transmission channels.

Public network; wireless monitoring; anti-interference; encryption technology

10.19587/j.cnki.1007-936x.2018.06.007

U224.9+1

B

1007-936X(2018)06-0033-03

2018-04-01

朱立霞.中国铁路武汉局集团有限公司襄阳供电段，工程师。