基于ARM的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸終端

王 瑋，黃在朝

(國網(wǎng)電力科學(xué)研究院信通所，江蘇南京211106)

輸電線路的可靠運行對于電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定具有非常重要的意義。為充分保障輸電線路的可靠運行，有必要采用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)[1]。按照國網(wǎng)公司堅強智能電網(wǎng)建設(shè)的工作安排，將依托生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)（PMS）建立和推廣輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，各類狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)集中存儲。輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸終端是輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚和傳輸?shù)闹匾M成部分。需要設(shè)計一種統(tǒng)一的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸裝置，不僅能在局部范圍內(nèi)管理和協(xié)同各類輸電線路狀態(tài)監(jiān)測裝置、匯集各類監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)，集中與主站系統(tǒng)進行安全雙向數(shù)據(jù)通信，而且可跨專業(yè)、跨廠家甚至跨線路接入狀態(tài)監(jiān)測信息，實現(xiàn)在輸電線路特殊環(huán)境下各類狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化接入、安全接入和智能化接入。

輸電線路的可靠運行對于電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定具有非常重要的意義。為充分保障輸電線路的可靠運行，有必要采用狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)[1]。按照國網(wǎng)公司堅強智能電網(wǎng)建設(shè)的工作安排，將依托生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)（PMS）建立和推廣輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)，各類狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)集中存儲。輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸終端是輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚和傳輸?shù)闹匾M成部分。需要設(shè)計一種統(tǒng)一的狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸裝置，不僅能在局部范圍內(nèi)管理和協(xié)同各類輸電線路狀態(tài)監(jiān)測裝置、匯集各類監(jiān)測裝置的數(shù)據(jù)，集中與主站系統(tǒng)進行安全雙向數(shù)據(jù)通信，而且可跨專業(yè)、跨廠家甚至跨線路接入狀態(tài)監(jiān)測信息，實現(xiàn)在輸電線路特殊環(huán)境下各類狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化接入、安全接入和智能化接入。

1監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程通信方式

1.1無線公網(wǎng)

國內(nèi)開展輸電線路狀態(tài)監(jiān)測的應(yīng)用比較早，一般采用無線公網(wǎng)的通信方式。無線公網(wǎng)通信主要包括GPRS、CDMA、3G等[2]。隨著網(wǎng)絡(luò)的負荷越來越大，同時狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、實時性和安全性要求越來越高，無線公網(wǎng)的通信方式已經(jīng)很難滿足需求。

1.2光纖專網(wǎng)

輸電線路的狀態(tài)監(jiān)測點位于各個輸電桿塔上，監(jiān)測系統(tǒng)的主站需要和每個監(jiān)測點建立通信，隨著光纖復(fù)合架空地線（OPGW）的廣泛使用[3]，利用光纖實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸成為發(fā)展的必由之路。光通信方式在通信容量、實時性、可靠性、安全性等方面與其他通信方式相比具有較大優(yōu)勢，目前較常用的光通信技術(shù)包括無源光網(wǎng)絡(luò)（xPON）技術(shù)和光纖工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。

xPON技術(shù)是一種點到多點的光纖接入技術(shù)，它由光線路終端（OLT）、光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）以及光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）組成[4]。以太網(wǎng)無源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）、吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)（GPON）是目前xPON技術(shù)的主流方式。EPON技術(shù)成熟，已經(jīng)實現(xiàn)設(shè)備芯片級和系統(tǒng)級互通，價格大幅度下降，公網(wǎng)已經(jīng)大規(guī)模部署。

光纖工業(yè)以太網(wǎng)是指在技術(shù)上與商業(yè)以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，在產(chǎn)品設(shè)計時能夠滿足工業(yè)控制現(xiàn)場的需要，也就是滿足實時性、可靠性、安全性以及安裝方便等要求的以太網(wǎng)。

1.3無線專網(wǎng)

由于不是每個桿塔上都有光纜接續(xù)盒可以融纖接入，因此光通信設(shè)備只能放置在有光纜接續(xù)盒的桿塔上。從各個桿塔上的監(jiān)測終端到光纜接續(xù)盒的這段距離，最方便的通信方式就是無線專網(wǎng)通信。在有光纜接續(xù)盒的桿塔上放置EPON設(shè)備和無線接入點，在沒有光纜接續(xù)盒的桿塔上放置無線接入客戶端，就可以通過無線信號的覆蓋實現(xiàn)監(jiān)測終端數(shù)據(jù)的接入。

WiFi技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域，因此可以利用WiFi技術(shù)實現(xiàn)對整個輸電線路的無線覆蓋。無線專網(wǎng)還可以使用Wimax等技術(shù)。Wimax覆蓋范圍比WiFi大，但是設(shè)備相對昂貴。

1.4組網(wǎng)方式

運用不同的通信技術(shù)，常用的監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程通信組網(wǎng)方式有以下幾種：（1）無線公網(wǎng)方式；（2）EPON+WiFi/Wimax方式；（3）工業(yè)以太網(wǎng)交換機+WiFi/Wimax 方式；（4）Wimax+WiFi方式。

不同的通信組網(wǎng)方式使用不同的通信設(shè)備，同一測量點甚至需要準(zhǔn)備多種通信設(shè)備，因此需要設(shè)計一種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸終端，集中實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程通信，不僅可以節(jié)省遠程通信資源，而且可以為各狀態(tài)監(jiān)測裝置屏蔽復(fù)雜的遠程通信問題。

使用了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸終端的監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1監(jiān)測數(shù)據(jù)遠程通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2數(shù)據(jù)傳輸終端硬件設(shè)計

2.1遠程通信及加密功能

針對不同的通信組網(wǎng)方式，數(shù)據(jù)傳輸終端需要具有以下通信接口和模塊以實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸：（1）2路工業(yè)以太網(wǎng)光接口，滿足光纖工業(yè)以太網(wǎng)的通信要求。（2）1路無源光網(wǎng)絡(luò)ONU接口，滿足EPON的通信要求。（3）1個無線公網(wǎng)模塊，可以根據(jù)需求安裝GPRS或CDMA等無線公網(wǎng)通信模塊。（4）1個WiFi模塊，用于實現(xiàn)全部監(jiān)測點的無線覆蓋。

在無線通信中，為保證數(shù)據(jù)的安全性，終端應(yīng)具有對所有數(shù)據(jù)進行加密和解密的功能，加密和解密都采用USB連接硬件加密模塊的方式實現(xiàn)。

2.2數(shù)據(jù)采集功能

數(shù)據(jù)傳輸終端可以通過監(jiān)測終端取得輸電線路的各項狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，主要包括線路圖像視頻、微氣象、導(dǎo)線覆冰舞動、絕緣子風(fēng)偏、導(dǎo)地線振動、導(dǎo)線溫度、絕緣子污穢度、桿塔傾斜等監(jiān)測數(shù)據(jù)。各個廠家監(jiān)測終端的通信接口多種多樣，有RS232、RS485、以太網(wǎng)和微功率無線等，因此數(shù)據(jù)傳輸終端必須具備以下數(shù)據(jù)采集接口：（1）2路以太網(wǎng)接口，連接智能監(jiān)測終端、攝像頭等。（2）2路RS232/RS485自適應(yīng)接口，連接各種監(jiān)測終端。（3）1個微功率無線模塊，連接具有微功率無線接口的監(jiān)測終端。

2.3 AT91SAM9260處理器

AT91SAM9260是與基于ARM9的微控制器系列產(chǎn)品針腳兼容的產(chǎn)品[5]，具有豐富的系統(tǒng)與應(yīng)用外設(shè)及標(biāo)準(zhǔn)接口，具備8 KB指令以及8 KB數(shù)據(jù)緩存，包含了8 KB SRAM以及32 KB ROM，在190 MHz時鐘頻率下運行時性能可達210 MIPS，從而為低功耗、低成本、高性能的應(yīng)用提供一個單片解決方案。AT91SAM9260可以完成與應(yīng)用所要求的片外存儲器和內(nèi)部存儲器映射外設(shè)配置的無縫連接，同時集成了許多標(biāo)準(zhǔn)接口，包括USB 2.0全速主機和設(shè)備端口及與多數(shù)外設(shè)和在網(wǎng)絡(luò)層廣泛使用的10/100 Base-T以太網(wǎng)媒體訪問控制器（MAC）。此外，它還提供一系列符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)，這些功能使得數(shù)據(jù)傳輸終端可以擴展豐富的接口和功能。為完善性能，AT91SAM9260集成了包括JTAG-ICE、專門UART調(diào)試通道（DBGU）及嵌入式的實時追蹤的一系列調(diào)試功能，這使得數(shù)據(jù)傳輸終端的開發(fā)和調(diào)試極其方便。

2.4太陽能供電系統(tǒng)

由于數(shù)據(jù)傳輸終端放置在桿塔上，傳統(tǒng)供電方式無法滿足現(xiàn)場環(huán)境的需求，電源是一個突出的問題。高壓輸電線上取電存在絕緣隔離及電源干擾問題，難度較大。目前應(yīng)用最多的供電方式是太陽能供電[6]，因此采用太陽能供電系統(tǒng)為塔上設(shè)備供電。太陽能供電系統(tǒng)選用模塊化設(shè)計的獨立系統(tǒng)，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。

2.5低功耗設(shè)計

終端采用太陽能供電的方式，在遇見較長的雨雪天氣時可能存在供電不足的情況，因此需進一步降低終端的功耗。設(shè)計盡量選用低功耗器件，采用1.8 V的存儲芯片，并將終端中的每一功能模塊單獨供電，通過使用多路電源控制降低功耗。處理器根據(jù)配置和工作情況動態(tài)控制終端中各個功能模塊的供電和工作狀態(tài)，可以分別使各個模塊進入低功耗的休眠狀態(tài)或停止工作的斷電狀態(tài)，從而實現(xiàn)終端整體的低功耗運行。

2.6終端硬件結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸終端的硬件采用模塊化設(shè)計，硬件功能框圖如圖2所示。

AT91SAM9260通過MII接口和交換芯片88E6095相連，可以提供2個千兆口和8個百兆口實現(xiàn)EPON和以太網(wǎng)通信。同時，AT91SAM9260可以提供多路串口連接GPRS/CDMA模塊、WiFi模塊及RS232/RS485電路。GPRS/CDMA模塊、EPON接口和光纖以太網(wǎng)接口用于實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)遠傳，RS232/RS485、以太網(wǎng)接口和微功率無線模塊用于實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)采集，WiFi模塊用于監(jiān)測點的無線覆蓋，如果現(xiàn)場應(yīng)用需要Wimax通信方式，可以采用通過以太網(wǎng)接口連接外置Wimax模塊的方法實現(xiàn)。

圖2數(shù)據(jù)傳輸終端硬件結(jié)構(gòu)

3數(shù)據(jù)傳輸終端軟件設(shè)計

3.1軟件架構(gòu)

數(shù)據(jù)傳輸終端的軟件基于ARM Linux 2.6.19實現(xiàn)，由軟件支撐平臺、交換配置管理、應(yīng)用軟件和系統(tǒng)管理組成。

軟件支撐平臺包括 bootloader、ARM L inux 2.6.19及文件系統(tǒng)、各種外設(shè)驅(qū)動等，交換配置管理基于購買的中間件網(wǎng)絡(luò)協(xié)議集ZebOS 7.7.1進行二次開發(fā)，應(yīng)用軟件完成終端的各項功能，系統(tǒng)管理完成系統(tǒng)時間的讀取與設(shè)置、NTP協(xié)議的實現(xiàn)以及歷史告警日志的保存與讀取。終端提供串口CLI、Telnet CLI、WEB和SNMP的設(shè)備配置管理方式，對設(shè)備內(nèi)各個功能模塊使用統(tǒng)一的接口。

3.2 Linux操作系統(tǒng)

Linux具有內(nèi)核小，效率高，源代碼開放，內(nèi)核直接提供網(wǎng)絡(luò)支持等優(yōu)點。但嵌入式系統(tǒng)的硬件資源畢竟有限，不能直接把Linux作為操作系統(tǒng)，需要針對具體的應(yīng)用通過配置內(nèi)核、裁減shell和嵌入式庫對系統(tǒng)進行定制，使整個系統(tǒng)能夠存放到容量較小的Flash中。

Linux的動態(tài)模塊加載，使Linux的裁減極為方便，高度模塊化的部件使添加非常容易，最重要的是使用Linux文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸終端可以方便地支持在線更新。

3.3終端軟件功能

數(shù)據(jù)傳輸終端需要采集和存儲不同監(jiān)測設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)，并通過不同的通信組網(wǎng)方式和主站完成數(shù)據(jù)和指令的傳輸。終端軟件主要完成以下功能。

（1）數(shù)據(jù)采集。采集現(xiàn)場各狀態(tài)監(jiān)測裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)，實現(xiàn)分散數(shù)據(jù)的集中。同時支持狀態(tài)監(jiān)測裝置的自動采集方式與受控采集方式。

（2）數(shù)據(jù)通信。根據(jù)配置的組網(wǎng)通信方式，集中實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程，不僅可以節(jié)省遠程通信資源，而且可以為各狀態(tài)監(jiān)測裝置屏蔽復(fù)雜的遠程通信問題。在遠程通道通信中斷時緩存監(jiān)測數(shù)據(jù)，在遠處通信通道恢復(fù)時將緩存的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)上送主站。

（3）規(guī)約轉(zhuǎn)換。根據(jù)配置的規(guī)約庫完成數(shù)據(jù)的規(guī)約轉(zhuǎn)換，可以接入不同廠家的監(jiān)測數(shù)據(jù)并以統(tǒng)一的格式處理、存儲和上傳。

（4）低功耗控制。處理器動態(tài)控制終端中各個功能模塊的供電和工作狀態(tài)，可以使各個模塊進入低功耗的休眠狀態(tài)或停止工作的斷電狀態(tài)。

（5）其他功能。數(shù)據(jù)加密、參數(shù)配置、事件存儲、在線升級和本地維護等。

4結(jié)束語

目前，單獨采用EPON技術(shù)作為遠程傳輸通道的試點項目已完成建設(shè)，運行良好。通過基于ARM

的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸終端，實現(xiàn)了分散數(shù)據(jù)的集中和遠傳，節(jié)省遠程通信資源，而且可以為各狀態(tài)監(jiān)測裝置屏蔽復(fù)雜的遠程通信問題，從而實現(xiàn)了在輸電線路特殊環(huán)境下各類狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)在不同的通信組網(wǎng)方式中的標(biāo)準(zhǔn)化接入、安全接入和智能化接入，對于輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)具有重要的意義。

[1]王曉希.特高壓輸電線路狀態(tài)監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(22)：7-11.

[2]姜 海.用電信息采集系統(tǒng)遠程通信方案[J].電力系統(tǒng)通信，2010，31(4)：14-17.

[3]高志欣，李志斌.OPGW在電力通信網(wǎng)中的應(yīng)用[J].農(nóng)村電氣化，2006(10)：33-35.

[4]張 浩，憲 德，郭經(jīng)紅.EPON技術(shù)在用電信息采集系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)通信，2010，31(7)：42-45.

[5]AT91SAM9260，62211-ATARM-17-Jul-09[EB/OL].http://www.atmel.com，2009.

[6]李先志，杜 林，陳偉根，等.輸電線路狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)取能電源的設(shè)計新原理[J].電力系統(tǒng)自動化，2008，32(1)：76-80.