接觸網隔離開關集中監控系統

接觸網隔離開關是電氣化鐵路電力牽引供電的重要設備，其主要功能是隔離故障、分段作業及改變運行方式等。在樞紐站場存在數量眾多、分布範圍較廣的接觸網隔離開關，因此對其實施遠動操作及集中監控具有極大的實用意義。目前，國外電氣化鐵路發達的國家如日本、法國、德國等均已實現了接觸網隔離開關的遠動集中監控。

基本介紹

• 中文名：接觸網隔離開關集中監控系統
• 外文名：Contact network isolation switch centralized monitoring system
• 學科：電力工程
• 領域：能源
• 信號傳輸：無線光通信結合光纖通信
• 主要功能：隔離故障、分段作業等

簡介

接觸網隔離開關是電氣化鐵路電力牽引供電的重要設備，其主要功能是隔離故障、分段作業及改變運行方式等。在樞紐站場存在數量眾多、分布範圍較廣的接觸網隔離開關，因此對其實施遠動操作及集中監控具有極大的實用意義。目前，國外電氣化鐵路發達的國家如日本、法國、德國等均已實現了接觸網隔離開關的遠動集中監控。但是，在國內除對牽引變電所、開閉鎖、分停區實現了遠距離監控外，只在少數幾條鐵路線上安裝了電動機遠動作業系統和集中監控系統，如南寧至昆明線，貴陽南機務段和六盤水南站。而在這幾條線上，對接觸網隔離開關的集中監控信號均採用電纜或光纜的有線方式進行傳輸，都必須面對一個非常棘手的問題，即電纜或光纜必須穿越軌道。這對既有線路來說，施工量大，而且可能影響到鐵路運營。有人提出採用電磁波的傳輸方式，但是電磁干擾、現場氣候(如大霧)、無線電頻率占用等問題遲遲未得到解決。由此，決定採用無線光通信結合光纖通信的方式進行監控信號的傳輸。

無線光通信的技術特性

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合的產物，它是用小功率的紅外雷射束在大氣中傳送光信號的通信系統。FSO是物理層傳輸設備，以光為傳輸媒介，任何傳輸協定均很容易疊加上去，對數據、語音、圖像信息等業務實現全雙工傳輸。雷射具有直線性和窄波束的特點，FSO主要用於點對點的視距傳輸，任何光束的遮擋都將對通信造成影響。同時，要求兩端設備對準且固定牢穩，以保證對光信號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具有更寬的傳輸頻寬、更高的接收靈敏度、更強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波長的設備便宜，但傳輸距離不太遠;1 550 nm波長的設備價格稍高，但它具有更大的輸出功率，更遠的工作距離，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，FSO只需進行屋頂天線安裝等簡單的布設，避免了鋪設有線電纜或光纜時挖溝的繁瑣工作，能以最快的時間提供高質量的服務。

FSO具有以下的特點和優勢

1)頻頻寬，速率高，容量大 從理論上講，FSO的傳輸頻寬與光纖通信的傳輸頻寬相同。目前投入商用的無線光通信，最高速率可達622 Mbit/ s，這足以進行各種控制信號和視頻信號的傳輸。

2)架設靈活便捷 鋪設光纜是件頭疼的事，尤其是要穿越已經鋪設好的鐵軌。但是採用FSO卻方便得多，只需在隔離開關下方電桿的適當高度安裝無線光通信的發射和接收裝置，這可以在幾小時內完成，因此大大縮短了施工周期。

3)通信協定透明 FSO產品是一種物理層的傳輸設備，它以光為傳輸媒介，適用於任何通信協定，支持高速率的數據、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捷運路局無線科申請頻率許可證，經當地政府無線電管理委員會備案後，方可使用。如果採用FSO，則無需頻率申請。

5)小型化 FSO的光學發射天線尺寸很小(10 ~30 cm)，其無線接收器大小跟一部保全攝像機相比擬，可以方便架設。光學天線對雷射束具有很好的聚束作用，增益很高。另外，FSO一般採用的半導體雷射器發光效率很高，功耗卻很小，因此系統設備極易小型化，而且具有集成化的可能。

當然，FSO雷射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。此時可以加大雷射輸出功率，同時採用1 550 nm的雷射可增大雷射穿透大霧的能力，確保正常通信。

系統結構

採用無線光通信結合光纖通信的接觸網隔離開關集中監控系統可以分為四大組成部分:中心控制系統、光纖傳輸信道、有線/無線光數據轉發、當地無線受控電機

1 )中心控制系統主要包括兩台P4工業控制計算機(主機A和備用機B ), 17寸彩色液晶顯示器;101工業鍵盤.滑鼠.印表機.話筒一對音像;UPS電源;前置機，數據機;模擬屏(用燈光顯示各股道接觸網隔離開關的開合狀況)。其功能是供值班人員在值班室通過操作計算機就可實現隔離開關的遠動操作。中心控制系統可細分為:計算機作業系統、語音系統、視頻監控系統、身份驗證系統、控制信號系統和模擬屏顯示系統。

2)光纖傳輸信道主要用於遠距離連線中心控制室和FSO中心設備。注意，光纖應沿著鐵軌沿線鋪設，在必須穿越鐵軌的地方採用FSO連線。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，可以不用鋪設光纖，將中心控制系統與FSO中心端直接相連，從而與FSO遠端進行通信。

3)有線/無線光數據轉發即FSO設備，它將從主控室或是隔離開關當地受控裝置傳送來的電信號(或光信號)轉換成雷射信號(或電信號)，經過光學天線發射(或接收)。該系統的最大特點是無需挖溝鋪設電纜或光纜，直接架設FSO設備跨匾通信。

4)當地無線受控裝置包括UPS電源，電動機系統，隔離開關，數據採集系統，身份識別系統，語音系統，攝像系統，手動隔離開關係統，近動控制臺。當地的所有有用信號通過數據採集卡處理後再與FSO遠端連線，從而與FSO中心端通信。

系統工作原理

遠動操作

司機或電網檢修員到值班室申請操作遠方隔離開關，值班員在主機A前操作(值班人員也需口令才能進入隔離開關計算機作業系統)。首先，要求司機或檢修員輸入代碼和密碼，通過驗證後，隔離開關作業系統中的按鈕才被激活，此後，計算機自動記錄操作信息。值班員滑鼠點擊隔離開關作業系統中的按鈕，系統發出分離隔離開關的命令。此命令信號經預處理後進入光纖信道，到達中心端，經光學天線發射，再被其光路上的遠端接收，經數據採集卡處理後控制電動機朝打開隔離開關的方向轉動，隔離開關自動分離並掛接接地線。感測器把隔離開關的狀態信息返回主控制室。司機或檢修員和操作員一同確認開關打開後，點擊該道的閉鎖按鈕，使該道的操作按鈕處於閉鎖狀態。這時，司機或檢修員方可上機車頂操作。

近動操作

司機或電網檢修員打開當地控制箱，先開啟近動操作電源，然後申請近動操作，遠方值班員操作計算機，語音提示輸入代號和密碼，通過系統驗證後，近動操作面板上的遠動/近動選擇按鈕和手動操作的閉鎖鑰匙箱門才被激活，同時計算機自動記錄每步操作的信息。司機或檢修員把遠動/近動選擇按鈕撥到近動，隨即便對隔離開關進行操作，感測器把隔離開關的狀態信息返回主控制室。如果電動機系統出現問題，可從手動操作閉鎖鑰匙箱中取出鑰匙，打開手動操作把的閉鎖，實現手動操作。手動操作完畢，把手動操作的閉鎖鑰匙放回箱中。最後，把遠動/近動選擇按鈕撥到遠動，關閉近動操作電源，從而起到了近動控制的閉鎖。

開關到位與否的判斷可以採用三重感測器監測，確保隔離開關開合正常。首先在電動機傳動裝置內安裝行程開關，當隔離開關到達‘分，或‘合，位置時，行程開關也到達觸點，發出開關到位信號。再次，可以監測接觸網上的電壓，隔離開關閉合時，接觸網上應為高電壓;隔離開關分離時，由於已自動掛接接地線，故接觸網上應為零電壓。最後，安裝攝像機，在主控室實時監控隔離開關的開合情況。三重保護，確保對隔離開關的安全操作。

總結

傳統的隔離開關操作方式不能充分利用‘天窗’時間，增加了停送電時間，也加大了值班人員的勞動強度。隨著我國電氣化鐵路的發展，採用接觸網隔離開關集中監控系統是必然的。在各種隔離開關集中監控系統方案中，採用無線光通信結合光纖通信作為信號的傳輸通道最為方便實用。它不僅能克服採用完全有線方式需要穿軌的缺點，又不像使用無線電方式那樣需申請頻段且易受電磁干擾。通過採用1 550 nm的雷射波長和加大雷射輸出功率，完全可以實現在幾百米內無誤碼通信。目前，無線光通信的套用還未普及開來，FSO設備自身成本還較高，但省去了昂貴的管道鋪設和維護費用，造價與有線傳輸方式相比擬。隨著FSO設備技術的成熟，成本的降低，該接觸網隔離開關集中監控系統方案必能在全國鐵路系統得到推廣。