一种基于TCP／IP远程通信协议的新型远程智能电源监控切换系统

摘要：为了更好地保障铁路运输的安全和效率，确保采用双路供电的铁路系统的不间断工作，提出了一种基于TCP／IP远程通信协议的智能电源切换系统。系统由电源屏双路输入远程切换单元、控制中心的TCP／IP通信链路、用户软件控制系统组成。电源屏双路输入远程切换单元由电源信号监控、切换单元组成。TCP／IP通信链路采用嵌入式操作平台，功能包括TCP／IP链路控制；用户软件控制系统采用C++编写完成，包括界面操作，授权控制等功能，能满足站点现场电源切换要求的功能。
关键词：TCP／IP；电源切换系统；电源信号采集；报警

0 引言
    在铁路现场控制系统中，信号设备是保障铁路运输的安全和效率的基础设施，而信号设备的供电系统则是保证信号设备正常工作的关键设备。故所有铁路系统电源屏均采用双路供电来保证电源系统的不问断工作，保证信号设备的安全稳定工作，保证列车的安全运行。
    提供双路供电的I路电和Ⅱ路电来源于不同的电力网络，而且，一般来说，I路电的电源品质要好于Ⅱ路电，当然，电源品质的好坏对信号设备的稳定可靠工作有重要影响，所以一般情况下希望电源在I路电供电下工作。在I路电由于某种原因断电后，电源自动切换到Ⅱ路电供电，若I路电恢复后，就需要人工到现场手动进行切换操作，以将Ⅱ路电切换到I路电，保证信号设备工作在稳定可靠状态。同时，在供电过程中，为保证系统运行可靠，提高异常状态的分析能力，站场需要实时对供电系统(I路和Ⅱ路)进行电源监控。
    在我国铁路车站信号设备供电系统中，由于历史和其他各方面的原因，有很大一部分还没有升级为智能电源屏，采用的是简单的双路电源切换，当I路电源发生故障时，自动切换到Ⅱ路电源供电，但是当I路电源恢复正常时，却不会自动从Ⅱ路电切换到电源质量更高的I路电，只有通过人工按压现场切换按钮的办法切换回I路去。由于车站之间相距较远，短则十几千米，远则几十千米，这种方法增加了现场工作人员的工作时间和劳动强度，虽然进行的是简单的操作，却要在来回路途上花费大量时间。
    目前已有的技术，如施耐德电气、华通机电、上海工控集团等的解决方案，基本采用机电联锁的方式实现切换，且价格昂贵，维护不便。在现场信号没备和其他设备的工作状态基本实现远程监测的情况下，作为关键设备的电源屏处于这种落后的技术条件下，不符合铁路设备实现远程监控的发展趋势。本文旨在研究设计一种能够自动完成切换工作的设备，该设备可以减少工人干预，提高铁路供电系统的自动化程度、整体供电系统的工作效率。

1 系统整体方案
    针对现场对电源屏双路电源远程切换的需求和现有机电切换系统功能的不足，本系统提出了基于TCP／IP远程通信协议和嵌入式系统的电源智能远程切换系统方案，可有效解决铁路现场对电源屏远程操控需求的问题。本系统利用铁路车站现有的通信网络，在微机监测系统上安装一套控制软件，在车站现场安装一套切换控制系统，在微机监测的微机上通过操作控制软件来实现对工区各车站现场电源屏的远程切换功能，在不需要增加任何通信线路和微机设备的情况下，完成上述的记切换功能，实现了成本和施工工作量的最低化。总体上系统提供的功能如下：电源屏双路输入远程切换功能；各车站电源屏远程切换系统与控制中心(工区微机监测机)的通信链路检测；控制软件实现用户权限和操作录管理功能。

    双路电源切换系统的总体结构如图1所示，其中带有LED指示灯的模块为切换系统车站控制部分，模块中的所有器件都安装到一个壁挂的控制盒中，面板上带有电源状态和通信状态显示，系统在车站端不需要任何人工干预。各车站的电源切换统一由一个上位机程序控制。通信接口选用TCP／IP通信协议，达到10 Mb／s的通信速率，完全满足现场通信速率的要求。系统的通信采用透明的协议，可以通过网关和路由器，达到远程切换电源的设计要求。

2 系统硬件关键技术
2．1 系统架构
    电源远程切换系统采用嵌入式系统设计，其内部结构图如图2所示。远程切换系统采用ARM7平台设计，其核心是一块工业级的MiniArm工控模块，用来完成继电器驱动、继电器切换状态的检测、远程切换命令的接收和通信状态字的发送等功能。系统的供电由切换系统的输出220 VAC经过高可靠性开关电源输出24 VDC提供。控制盒的面板上设计有系统用电源的指示灯、系统工作状态指示灯以及TCP／IP连接、通信状态指示灯。控制盒的下方设置了接线端子和RJ 45以太网通信接口，接线端子的作用有：控制JPXC-1000偏极继电器的吸起、检测JPXC-1000吸起状态。

     在硬件设计时，要求如果两路电源都发生断电故障，则系统也断电，通信状态中断。本系统并不采集两路电源供电状态，因为现有的微机监测系统已经完成了这部分工作。而且如果两路电源都发生断电故障，任何控制都是无效的。
2．2 双路电源切换原理
    为了满足远程双路电源切换的要求，而又不影响原手动切换的功能，本系统设计的切换电路是在原继电系统电路上增加了两个安全型继电器JPXC-1000，通过对安全型继电器JPXC-1000的远程控制达到动作交流接触器，并由接触器完成双路电源切换的功能，其物理功能上类似于人工手动摁压切换开关。切换电路原理如图3所示。

    从图3可以看出，当需要远程控制从I路切换到Ⅱ路电源时，微机监测的计算机上操作切换动作，发出切换命令，则车站的切换模块收到切换命令后内部产生动态脉冲，在KM2-上产生24 VDC电压，驱动JPXC-1继电器，在JPXC-2为落下的情况下JPXC-1继电器得电吸起，这时交流接触器1XLC线圈失电，交流接触器1XLC落下，则交流接触器2XLC线圈得电，交流接触器2XLC吸起，电源由I路切换到Ⅱ路。动作完成后，切换模块停止产生动态脉冲，JPXC-1继电器落下，完成了一次切换操作。如果要从Ⅱ路切换到I路电源，原理相同。
    从图3还可看出，JPCX-1000型继电器是串联在交流接触器的线圈电路上，JPCX-1000型继电器节点上的电流即是交流接触器的线圈电流，并不是电源负载电流。交流接触器的线圈电流一般小于0．5 A，完全满足设备维护规范要求。而且电源的切换时间与JPCX-1000型继电器的动作时间没有任何关系，还是取决于交流接触器的动作时间，所以增加了JPCX-1000型继电器后，对切换时间没有影响。
2．3 系统供电
    电源切换系统的下位机使用电源屏输出的220 V／AC供电，当下位机控制电源屏进行电源切换时，是否会导致下位机在控制电源屏切换未成功时，下位机掉电，导致下位机工作不正常。
    根据系统参数，正常切换时，交流接触器的切换时间要小于150 ms，而下位机在断电200mS以下时，电源模块中的储能可维持系统正常工作，不会发生系统重新启动的情况。即使断电时间超过200ms，系统重新启动，也不会影响原切换系统的工作。另外，其实在任何特殊故障情况下，由于重力影响，JPCX-1000型继电器落下，绝不会影响原切换系统的正常工作，这也正是系统为什么选用JPCX-1000型继电器的原因。除非原切换系统由于交流接触器等关键部件发送切换故障，否则系统不会断电。
2．4 数据采集和分析系统
    电源质量监测系统要求保证系统实时性，实时采集电压、电流量，以波形显示的方式在液晶屏上实时显示当前电源情况，并判断异常情况，实时监控完成报警；同时，监测的全部数据以数据压缩的方式存储到大容量存储设备中。该设备主要组成部分有数据采集部分；数据存储部分；数据传输部分；数据调阅部分；液晶显示部分；报警电路部分。
    实时监测采样信号是通过计算信号谐波确定电源质量的。谐波是指电流中所含有的频率为基波的整数倍的电量，一般是指对周期性的非正弦电量进行傅里叶级数分解，其余大于基波频率的电流产生的电量。在电力系统中，谐波产生的根本原因是由于非线性负载所致。当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，就形成非正弦电流，即电路中有谐波产生。由于半导体晶闸管的开关操作和二极管、半导体晶闸管的非线性特性，电力系统的某些设备如功率转换器比较大的背离正弦曲线波形。

3 系统软件设计
3．1 软件流程设计
3．1．1 通信模块
    TCP／IP通信的任务分为服务器方式和客户机方式两种。服务器方式是需要监听连接，只有在与客户机建立连接后才能进行数据处理。客户机方式是主动连接服务器，它也是在连接成功后才能进行数据处理。TCP通信时服务器端和客户机端通信的函数应用过程如图4所示。

3．1．2 下位机主程序流程
    下位机安装在被控制电源屏的车站现场，通过TCP／IP协议接收上位机的控制命令，产牛动态脉冲驱动JPXC-1000继电器，完成电源切换功能。下位机程序运行在μC／OSⅡ实时多任务操作系统下，由多个线程完成操作任务。其中，下位机主程序流程如图5所示。从图中可以看出，系统在设计时从安全角度出发，做了很多的条件判断，以保证系统不会误动作，确保系统安全运行。

3．2 软件操作界面
    操作控制软件由C++编写，上位机软件安装在微机监测机上，可以运行在Windows操作系统上，对计算机的系统配置没有特殊要求，在能运行微机监测软件的计算机上都能运行此程序。根据要完成的功能和系统本身特点，上位机软件在设计时力求实用，界面简洁、操作简单。下面通过界面来介绍软件的基本功能和操作方法。
3．2．1 系统主操作界面
    智能远程电源切换控制系统主界面如图6所示。界面上显示了当前的车站名称，以及当前车站的网络连接状态。红色表示网络中断，绿色表示网络连接状态良好。如果网络中断则界面右侧的操作按钳是灰色的，表示尢效。只有当网络连接状态良好时，界面右侧的操作按钮才有效。这样可以保证用户不会发生误操作。在进行电源切换操作时，为了避免误操作，设置了两个步骤，首先要进行准备切换操作，确认以后再进行切换操作。每一步都有操作确认提示。

3．2．2 车站参数设置界面
    车站参数设置的主要功能就是根据现场的网络资源配置各车站的网络参数。包括车站名称、IP地址、子网掩码、默认网关。可以在得到权限的情况下，进行删除、修改、增加等操作。车站参数设置界面如图7所示。

3．2．3 操作历电数据界面
    电源切换是有关安全的操作，在设置了用户权限管理的基础上，为了规范操作行为，系统还提供了历史操作数据显示界面，如图8所示。显示了操作的时间和对哪个车站进行的具体操作。这样，结合车站值班记录就可以定位责任人。

    另外，软件系统包含授权控制部分。管理员密码可以进行任何操作，包括密码的修改，网络参数的修改，车站的增加和删除等。而操作员密码不能修改密码，不能修改车站以及网络参数，仅可以进行电源切换操作，进一步保证切换系统的整体安全性。
3．3 电源信号检测系统软件
    本系统信号处理流程和界面设计，采用LabVIEW完成。LabVIEW是一种程序开发环境，由美国国家仪器(NI)公司研制开发的，类似于C和BASIC开发环境，但是LabVIEW与其他计算机语言的显著区别是：其他计算机语言都是采用基于文本的语言产生代码，而LabVIEW使用的是图形化编辑语言G编写程序，产生的程序是框图的形式。图9是上位机实时采集存储的控制界面界面。图(a)为正常数据采样显示图；图(b)为异常数据采样显示图。第一张显示是时域采样信号；第二张是谐波分析显示示意图。

    根据现场数据采集，经过统计分析，正常数据和异常数据分析见表1，表2。从表中可以看出，当电流经负载呈非线性特征时，即电路中出现非异常状态，系统实时显示并报警远程控制端。

4 结语
    本文讨论了一种远程电源切换系统，该系统能满足铁路现场对远程操控电源切换的需求，有效提高了现场作业的工作效率，同时也实现了对各车站电源屏供电的集中控制。该系统的研制，不仅可满足远程电源切换的基本需要，而且为现场其他设备的远程监控搭建了一个技术平台，随着铁路技术的进步和新的需要的提出，可以在此平台上实现对其他设备的临控。另外，本系统在进行“I路→Ⅱ路”切换的时候，并实时检查Ⅱ路上电源状态，若此时Ⅱ路上电源不正常，系统并不完成切换，而立即报警，进一步提高了系统的稳定可靠性。