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綜合監控系統硬件平臺設計

綜合監控系統硬件平臺由接觸網開關主控箱、開關終端RTU（智能化I/O監控單元）、智能電源管理單元、交流盤和箱體組成。為達到4級電磁兼容標準，各裝置在設計時均采用了防雷電及過電壓沖擊的防護措施，具有較強的防雷防浪涌作用。各輸入接口端采用了多級分流限壓措施，并進行濾波處理，箱體均進行了接地設計，絕緣性能滿足GB/T13729-2002要求。系統硬件結構如圖2所示。

1接觸網開關主控箱

接觸網開關主控箱安裝在線路現場，將采集的隔離開關運行狀態和操作機構信息通過光纖數字信道傳送至主控箱的通信模塊，由核心板模塊進行判斷、處理，再通過遠程通信接口上送給調度中心，以便調度端對所管轄的區間或樞紐站場內的隔離開關集中監控管理。同時把通過遠動通道發來的命令在核心板模塊中進行解析與處理后轉發給光纖通信模塊，通過光纖數字點對點信道發往對應的開關終端RTU，以控制操作機構動作。

接觸網開關主控箱采用模塊化設計，各模塊支持熱插拔技術，而且為了保證設備的高可靠性，在硬件設計各個關鍵環節中采用并聯冗余結構。其使用的核心板模塊上有主、備網絡連接通道，做到了通信雙網冗余設計，傳輸更加穩定，確保信號傳送正確率和控制正確率。同時為了保證數據采集的高效和事件處理的快速多發，采用了高主頻的ARM11芯片，其具有較強的多任務處理能力，可充分滿足接觸網開關綜合監控系統實時性的要求。

2開關終端RTU

開關終端RTU就近安裝于戶外接觸網開關監控箱內部，通過專用的光纖數字信道與接觸網開關主控箱進行數據交換，以保證控制、通信等不會受到電氣化鐵路的強電磁干擾，達到設計要求的信息及控制正確率。其主要負責對接觸網開關的運行狀態信號的實時采集，并將采集的數據進行濾波處理、變化判斷，上送主控箱核心板模塊，同時接收遙控操作指令，從而實現對接觸網開關的遙控操作。終端RTU具有光電隔離防干擾功能，抗輻射電磁場干擾影響可達到規定的4級標準，電源輸入端加裝電源避雷器及過載保護，提高了裝置穩定度和耐壓能力。

3智能電源管理單元

智能電源管理單元對接觸網開關控制站及附屬設備提供不同電壓等級的工作電源，使整個接觸網開關控制站在無外部電源情況下仍可正常工作2h以上。智能電源管理單元的進線電源為AC220V/DC220V，110V，經整流變換后按設計標準輸出各設備所需的不同電壓等級的工作電源。同時它還具備對蓄電池的管理功能，有效控制蓄電池的工作狀態，避免過充電和過放電，從而保證后備電源供電時間大于120min。

4交流盤

對于未能提供接觸網開關操作電源的場所配置交流盤，提供了接觸網開關控制站交流自用電電源及隔離開關的操作電源。由進線回路、饋線回路、自動切換回路、測量計量儀表、控制保護回路等構成。交流電源采用兩回AC220V進線，容量為5kVA，同時在兩進線分別設置電流表、有功電度表分別對兩路進線電流、有功電度進行監測，兩回進線均能實現備自投功能。交流盤的狀態也在終端RTU的監控范圍內，其上設置的電源電壓監視裝置，當交流電源失電時，向本地和遠方發送交流電源失電信號。

綜合監控系統軟件平臺設計

1功能需求

綜合監控軟件的主要功能包括遙控、遙信、實時報警、報表和操作記錄查詢等。在軟件啟動，系統調度員登錄以后，可以進行遙控操作，通過通信的報文交互，在界面上顯示開關當前的分、合閘狀態并報警。以下為綜合監控軟件主要功能。

1）遙信功能：指在SVG圖形界面上以不同的顏色反應接觸網開關終端RTU采集的各開關的工作狀態、被控站設備、遠動通道運行狀態信息。

2）遙控功能：指在SVG圖形界面上控制遠方接觸網開關的分、合閘。

3）運行狀態監視功能：在正常運行狀態監視下，接觸網開關監控站的開關分、合閘狀態均可以在SVG圖形上進行顯示。如有分、合閘不成功的情況，相應的開關顏色顯示為白色，并伴有音響報警（可手動復歸）。

4）報警功能：報警功能分為變位報警和事故報警。變位報警是指在SVG監控畫面上操作接觸網開關分、合閘以后，界面顯示開關的變位信息，并伴有低級別聲音的語音提示。當發生設備故障或跳閘時，發出事故報警，伴有刺耳的聲光警報，并在記錄框中說明事故原因。

5）顯示記錄功能：軟件能夠提供動態顯示的地理信息圖、開關監控系統圖、開關狀態圖、操作記錄信息報表、登錄記錄信息報表、SOE信息報表、報警信息畫面等。

6）系統時間同步功能：在正常情況下，軟件通過程序與牽引供電調度系統進行實時通信，當對時程序出現故障時，調度中心的備用時鐘源將同步被控站所有設備的時鐘。

2系統軟件總體架構

系統是以實時數據為支撐平臺，采用模塊化、分布式的設計方式，將系統總體實現劃分為3個主要功能模塊，各個模塊之間松散耦合。實時數據庫模塊（RTDB）提供監控畫面實時顯示開關運行狀態和報警服務，也為調度軟件提供歷史數據查詢、操作記錄查詢和打印功能。通信模塊（COMMServer）是整個系統的核心，主要負責與硬件平臺中的開關主控箱進行通信報文的交互，并且解析上傳的報文。調度監控界面模塊（MMI）是人機交互的接口。

3實時數據庫模塊設計

實時數據庫模塊（RTDB）是綜合監控軟件數據處理的核心，負責把通信上傳的數據寫入數據庫、提供實時報警業務邏輯處理和界面顯示功能等。系統設計結合Hibernate框架實現實時數據庫模塊（RTDB），后臺采用MySQL數據庫存儲各類歷史數據以及配置信息。實時數據庫模塊在進行數據處理的時候需要經常操作訪問MySQL數據庫，設計采用四層式的軟件架構，依次分為表現層、業務邏輯層、持久化層和數據訪問層，如圖3所示。在該架構中，業務邏輯層和數據訪問層被分開，業務邏輯層只負責業務邏輯上的處理，而中間的持久化層則封裝了數據庫訪問的細節。這種架構變化使得程序的層次更加清晰，代碼更易維護。當持久化層發生變化時，不會影響到業務邏輯層的作用。

4通信模塊設計

通信模塊（COMMServer）主要負責與開關主控箱和控制中心進行通信。設計采用四層模型結構，兼容IEC60870-5-104、IEC60870-5-101協議，利用Java多線程技術實現，如圖4所示。第1層對應協議中的物理層，主要負責主站與硬件平臺接觸網開關主控箱的socket連接工作；第2層對應協議中的鏈路層，負責鏈路傳輸規則的實現，報文的收發工作；第3層對應協議中的應用層，實現協議定義的遠動功能，將一級數據寫入實時數據庫，二級數據寫入歷史數據庫，同時給界面（MMI）提供RMI遠程方法調用；軟件管理層實現對其它3層的封裝和運用、初始化RMI服務、日志信息管理和XML配置文件管理等。

5監控界面模塊設計

監控軟件的圖形界面模塊（MMI）是計算機與用戶交互的接口。系統界面采用JavaSwing編寫，采用SVG作為監控界面格式，針對接觸網開關重在遙控、遙信而輕遙測的情況下，對整個GUI進行合理布局，突出重點功能。監控畫面模塊（MMI）的典型結構圖如圖5所示。

系統測試

以京滬高鐵接觸網開關監控項目為例，將系統服務器端部署在兩臺LINUX服務器上，系統通訊模塊部署在通訊服務器上，系統數據庫部署在數據庫服務器上，系統客戶端安裝在監控站PC機上，調度員工作站負責系統顯示和控制，接觸網開關主控箱接入一個測試開關終端RTU。登陸工作站的監控軟件客戶端，以調度員身份輸入登陸密碼，身份驗證成功后就可進行接觸網開關分、合閘操作，同時可以看到界面中顯示各個開關的狀態情況。對接入的RTU開關進行合閘操作，當成功輸入操作密碼后，界面會彈出遙控成功窗口，報警框會有提示信息，SVG界面上相應開關狀態顏色由紅色變為了綠色，實驗成功，如圖6所示。整個遙信返回過程在2s內完成，符合設計參數要求。

結束語

本文設計的接觸網開關綜合監控系統，能夠滿足接觸網開關的遠距離集中監控，可完全取代人工操作接觸網開關方式。經實驗室測試及現場運行表明，該系統設計合理，技術先進，操作簡便，兼容性強，已成功應用于京滬高鐵接觸網開關監控，各項參數指標均達到設計技術要求，現場運行效果良好。

作者：熊亮張鍇單位：華東交通大學電氣與電子工程學院