基于ARM的輸電線路雷擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、基于ARM的輸電線路雷擊監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)1  引言    輸電線路遭受雷擊后跳閘率高，已嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的安全、可靠運(yùn)行。雷害不僅是國(guó)家電網(wǎng)系統(tǒng)的重要隱患，也是當(dāng)前影響主網(wǎng)線路安全運(yùn)行的主要因素之一。雷擊事故是危及設(shè)備安全、系統(tǒng)穩(wěn)定及供電可靠性的重要因素。然而對(duì)線路雷擊跳閘事故的查找和分析時(shí)候，難以對(duì)故障地點(diǎn)和類型準(zhǔn)確定位，對(duì)雷電流的幅值和波形也無法有效的觀察。因此，有必要研制一套輸電線路雷擊在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)避雷線和各相絕緣子串雷電閃絡(luò)后的電流波形、幅值、極性等雷電參數(shù)，對(duì)遭受雷擊的桿塔和雷擊形式直接做出判斷。2  總體設(shè)計(jì) 

2、60;  輸電線路雷擊數(shù)據(jù)處理與傳輸系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。主要由以下五部分構(gòu)成：雷電流傳感器；雷擊信號(hào)采樣單元；數(shù)據(jù)處理和傳輸單元；設(shè)備供電電源和上位機(jī)軟件。當(dāng)雷擊發(fā)生時(shí)，雷擊信號(hào)傳感器及采樣裝置對(duì)桿塔避雷線和絕緣子上的雷擊取樣電流進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采樣，雷擊數(shù)據(jù)處理和傳輸系統(tǒng)將其處理和無線傳輸，給遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)提供雷擊閃絡(luò)數(shù)據(jù)，以實(shí)現(xiàn)快速對(duì)雷擊桿塔所引起的閃絡(luò)現(xiàn)象的遠(yuǎn)端無線監(jiān)測(cè)和“反擊”、“繞擊”的相別、位置等的判定。圖1  輸電線路雷擊在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖3  硬件設(shè)計(jì)    硬件設(shè)計(jì)從可靠性、可擴(kuò)展性、靈活性、實(shí)時(shí)性、測(cè)量高精度的要求出發(fā)

3、，圍繞以下幾部分展開：    （1）雷電流傳感器。本文所研制電流傳感器采用了傳統(tǒng)型羅氏線圈結(jié)構(gòu)，用直徑為1.0mm的漆包線繞制而成，在保證較大的自感系數(shù)的同時(shí)盡量減小線圈的內(nèi)電阻，采樣電阻可以取得較小（如1）。    （2）雷擊信號(hào)采樣部分。信號(hào)采集由 “雷擊信號(hào)采樣設(shè)備”實(shí)現(xiàn)，其原理框圖如圖2所示。“高速數(shù)據(jù)采集通道”對(duì)應(yīng)桿塔避雷線和絕緣子上的雷擊取樣電流的各通道，按并行方式工作（按6路設(shè)計(jì)，1路備用）。高速數(shù)據(jù)采集通道的采樣方式是：8位雙極性采樣、10MHz采樣速率。“低速數(shù)據(jù)采集通道”考慮擴(kuò)展測(cè)試環(huán)境溫濕度、絕緣子串泄漏電流等（

4、設(shè)計(jì)預(yù)留位置）。圖2中的單片機(jī)微控制器實(shí)現(xiàn)各通道的采樣控制和采樣數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)存、實(shí)時(shí)時(shí)鐘（帶GPS校時(shí)）、串口發(fā)送等。這部分是系統(tǒng)正常工作的核心。信號(hào)采樣電路使用了高速采樣芯片TLC5540。圖中的鍵盤和液晶顯示器接口供調(diào)試用。RS232通信口用于與數(shù)據(jù)接收和GPRS傳輸設(shè)備通信，實(shí)現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的異步傳輸。當(dāng)雷擊事件發(fā)生后，觸發(fā)采樣板開始采樣，采樣結(jié)束后，采樣板將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送出去。圖2  雷擊信號(hào)采集裝置結(jié)構(gòu)圖    （3）系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)。設(shè)備供電電源由“光電池蓄電池”系統(tǒng)構(gòu)成。在獨(dú)立的光伏系統(tǒng)中，產(chǎn)生的電能不能完全滿足用電負(fù)載的需求時(shí)，需要用儲(chǔ)能裝置進(jìn)行能

5、量調(diào)節(jié)。電壓調(diào)整器由DC/DC模塊構(gòu)成，以滿足設(shè)備的供電需要。DC/DC模塊使用了HZD20-12D02N02，輸入電壓為12V，輸出電壓為+5V，-5V，分別給雷擊信號(hào)采樣板、ARM板供電。其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。光電池選用功率40W的高效太陽能電池板，蓄電池為19Ah容量；夏天有太陽時(shí)6h可充滿電，充滿電后無光照情況下可連續(xù)工作3天。圖3  系統(tǒng)供電部分結(jié)構(gòu)圖    （4）ARM核心板的設(shè)計(jì)。從微處理器內(nèi)核、工作主頻、片內(nèi)外圍電路這幾個(gè)方面考慮，選擇AT91RM9200芯片，此微處理器是一款由ATMEL設(shè)計(jì)生產(chǎn)的嵌入式ARM微處理器，采用208腳PQFP

6、封裝和256腳BGA封裝，內(nèi)含一個(gè)ARM920T核和以下片內(nèi)、外圍電路。    電源、晶振、以及復(fù)位電路。AT91RM9200的內(nèi)核電壓VDDCORE，晶振工作電壓VDDOSC，鎖相環(huán)電壓VDDPLL為1.651.95V。外設(shè)I/O電壓VDDIOP，存儲(chǔ)器I/O電壓VDDIOM電壓為1.653.6V。對(duì)這兩種電壓等級(jí)，本文選用的電壓分別是1.8V和3.3V。ARM的輸入電壓為5V。選用LM1117作為電壓轉(zhuǎn)換芯片。此芯片是一個(gè)低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在1.2V輸出，負(fù)載電流為800mA時(shí)為1.2V。LM1117有5個(gè)固定電壓輸出（1.8V、2.5V、2.85V

7、、3.3V和5V）。 LM1117提供電流限制和熱保護(hù)。電路包含1個(gè)齊納調(diào)節(jié)的帶隙參考電壓以確保輸出電壓的精度在±1%以內(nèi)。輸出端需要一個(gè)至少10uF的鉭電容來改善瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。    SDRAM和Flash電路的設(shè)計(jì)。這里使用兩片HY57V281620組成了數(shù)據(jù)寬度為32比特的32M字節(jié)的SDRAM。圖4是 HY57V281620與AT91RM9200總線連接圖。從圖中可以看出，AT91RM9200通過數(shù)據(jù)總線、地址總線和控制總線，將兩片字長(zhǎng)為16bits，容量為16MB的HY57V281620芯片，連接成一個(gè)30MB，字長(zhǎng)為32bits的SDRA

8、M。對(duì)于Flash，采用是Samsung公司生產(chǎn)的K9F1208。它是具有512Mb（64M×8位）NAND Flash存儲(chǔ)器。該存儲(chǔ)器的工作電壓為2.73.6 V，內(nèi)部存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)為528字節(jié)×32頁(yè)×4096塊，頁(yè)大小為528字節(jié)，塊大小為（16 KB+512字節(jié)）；可實(shí)現(xiàn)程序自動(dòng)擦寫、頁(yè)程序、塊擦除、智能的讀寫和擦除等操作，一次可以讀寫或者擦除4頁(yè)或者塊的內(nèi)容，內(nèi)部有命令寄存器。該器件按功能可以劃分為：存儲(chǔ)陣列、輸入輸出緩沖、命令寄存器、地址譯碼寄存器和控制邏輯產(chǎn)生。其中，命令寄存器用來確定外部設(shè)備對(duì)存儲(chǔ)器進(jìn)行操作的類型；地址譯碼寄存器用于保存被訪問的地址并產(chǎn)生

9、相應(yīng)的譯碼選通信號(hào)。主設(shè)備通過8位IO端口分時(shí)復(fù)用訪問器件命令、地址和數(shù)據(jù)寄存器，完成對(duì)芯片內(nèi)存儲(chǔ)器的訪問。圖4  HY57V281620與AT91RM9200總線連接圖    （5）ARM外圍接口電路的設(shè)計(jì)。從整體方案設(shè)計(jì)可知，ARM板要具有發(fā)送短信，通過GPRS模塊撥號(hào)上網(wǎng)，通過藍(lán)牙設(shè)備近程傳輸文件功能，同時(shí)，為了提供一種冗余的通信方式，也要提供USB接口，為USB接口的無線網(wǎng)卡預(yù)留，圖5是ARM芯片外圍的主要電路，它由ARM與SDRAM，F(xiàn)lash一起構(gòu)成一個(gè)完整的“核心板”。圖5  ARM板整體結(jié)構(gòu)圖   

10、 ARM的串口電路設(shè)計(jì)。AT91RM9200具有四個(gè)同步/異步收發(fā)器（USART）。本設(shè)計(jì)中，藍(lán)牙模塊，GPRS模塊，均采用了串行接口連接。藍(lán)牙模塊使用的是金甌科技公司的BC04藍(lán)牙模塊，模塊帶有RS232接口和TTL接口，任選一種接口使用，使用3.35V電源。串口對(duì)用戶而言是透明的，AT91RM9200的I/O供電電壓為3.3V，因此，可以使用模塊的TTL電平引腳，將模塊的Rxd、Txd、GND與AT91RM9200的USART3的Rxd、Txd、GND連接起來。GPRS模塊型號(hào)為Q2403A ，支持雙頻EGSMGPRS 900MHz/1800 MHz模式，支持AT指令，短消息功能完備，并支

11、持GPRS功能。Q2403A模塊具有60腳的通用接口，非常容易集成到應(yīng)用產(chǎn)品中；具有SIM卡確認(rèn)、供電、時(shí)鐘、復(fù)位及IO的3V SIM卡接口，包括SIMVCC、SIMRST、SIMDATA、SIMCLK和SIMPRES等。此外模塊提供一個(gè)符合V24協(xié)議的6線串行通信接口，包括TX、RX、RTS、CTS、DTR、DSR；同時(shí)提供DCD和RI信號(hào)接口、上電信號(hào)PowerONOFF和復(fù)位信號(hào)RST。模塊正常工作要求提供兩路電源，其中VBAT提供給RF部分，電壓范圍為3.34.5 V，最大功率為2W；VDD提供給基帶部分，電壓范圍為3.14.5V，最大功率為0.5W。4  軟件設(shè)計(jì) 

12、;   系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要有：在ARM板上建立linux操作系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境，采用多線程的方法，設(shè)計(jì)雷擊數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送，數(shù)據(jù)壓縮，通信等軟件。并從減少功耗、提高系統(tǒng)穩(wěn)定性的角度，完善軟件的性能。    有幾種開發(fā)模式可以用于基于嵌入式Linux應(yīng)用程序的開發(fā)，本文采用NFS（Network File System）方式，即網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)方式。這是一種將遠(yuǎn)程主機(jī)上的分區(qū)（目錄）經(jīng)網(wǎng)絡(luò)掛載到本地系統(tǒng)的一種機(jī)制，通過對(duì)網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)的支持，用戶可以在本地系統(tǒng)上像操作本地分區(qū)一樣來對(duì)遠(yuǎn)程主機(jī)的共享分區(qū)（目錄）進(jìn)行操作。    雷擊

13、數(shù)據(jù)的構(gòu)成。羅科夫斯基線圈輸出的電流信號(hào)，通過精密電阻，被雷擊信號(hào)采樣單元采集，采集時(shí)間為48ms，采樣速度為10MHz，采樣精度為8位。為了方便SDRAM的分頁(yè)存儲(chǔ)，每個(gè)通道字節(jié)數(shù)為1792×256=458752字節(jié)，由于48ms的雷擊信號(hào)中，前7ms記錄的是主要信號(hào)，后41ms記錄的是次要信號(hào)，所以將458752字節(jié)信號(hào)分為兩部分：第一部分65536字節(jié)，第二部分393216字節(jié)。5個(gè)羅科夫斯基線圈安裝在兩路地線，三相相線上，一共有5個(gè)通道的采樣數(shù)據(jù)，再加上雷擊時(shí)間及通道信息，則一次雷擊產(chǎn)生數(shù)據(jù)有2240kB。    ARM板和雷擊信號(hào)采樣單元的通信

14、協(xié)議。由于數(shù)據(jù)是通過串口進(jìn)行傳輸，所以速度較慢，為了保證數(shù)據(jù)的完整性，將數(shù)據(jù)分段傳輸，并加上嚴(yán)格的握手型號(hào)。ARM板和雷擊信號(hào)采樣單元通過串口傳輸數(shù)據(jù)的通信協(xié)議如下：    （1）雷擊信號(hào)采樣板在雷擊觸發(fā)采樣完成后，關(guān)閉雷擊觸發(fā)中斷，進(jìn)入數(shù)據(jù)處理狀態(tài)。主動(dòng)和ARM板聯(lián)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送。ARM板僅當(dāng)需回答必要信息的時(shí)候，才向雷擊信號(hào)采樣板發(fā)送數(shù)據(jù)。其它情況下，ARM板不主動(dòng)向雷擊信號(hào)采樣板聯(lián)絡(luò)；    （2）雷擊信號(hào)采樣板發(fā)送48字節(jié)的通道采樣信息：秒，分，時(shí)，日，月，星期，年，通道號(hào)；    （3）ARM

15、板收到48字節(jié)的通道采樣信息后，請(qǐng)求雷擊信號(hào)采樣板發(fā)送第一部分的采樣數(shù)據(jù)；    （4）雷擊信號(hào)采樣板發(fā)送第一部分?jǐn)?shù)據(jù)：（32768×2=65536），每個(gè)通道的前65536字節(jié)。上述協(xié)議的流程圖如圖6所示。圖6  雷擊數(shù)據(jù)接收流程圖    數(shù)據(jù)接收程序。本文采用查詢式的串口操作。即ARM板的CPU AT91RM9200每隔規(guī)定的時(shí)間，讀串口緩沖區(qū)一次。檢查是否有新的數(shù)據(jù)，并對(duì)新的數(shù)據(jù)加以判斷。程序采用Linux下ANSI C庫(kù)函數(shù)，具有良好的兼容性。    雷擊數(shù)據(jù)的壓縮與解壓縮。一

16、次雷擊的數(shù)據(jù)，有2240kB，而Flash最大容量是64MB，理論上，ARM板內(nèi)可存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)大約29次。即發(fā)生29次雷擊事件后，若沒有及時(shí)清空ARM板的Flash，則Flash空間已滿。再考慮遠(yuǎn)程無線傳輸?shù)姆绞剑捎肎PRS模塊撥號(hào)上網(wǎng)。GPRS模塊為串行接口，波特率為115200，采用8位數(shù)據(jù)位，1位起始位，1位停止位，在理想狀況下，傳輸完一組數(shù)據(jù)時(shí)間為約200秒。傳輸數(shù)據(jù)量大，傳輸時(shí)間長(zhǎng)，增加了數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。這些說明有必要將數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，以節(jié)省存儲(chǔ)空間，降低傳輸過程中數(shù)據(jù)丟失的風(fēng)險(xiǎn)。本文采用的LZW(Lempel & Ziv & Welch)壓縮算法4，該算法的流程圖如

17、圖7所示。壓縮好的雷擊數(shù)據(jù)，通過FTP(File Transfer Protocal)協(xié)議傳送到PC機(jī)，在Windows操作系統(tǒng)的環(huán)境中進(jìn)行處理。本文采用通過批處理文件調(diào)用第三方軟件的方式，來實(shí)現(xiàn)文件的解壓縮。圖7  LZW壓縮算法流程圖    雷擊數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸與接收。雷擊事件發(fā)生后，采樣裝置將采集信號(hào)，ARM板，CPU執(zhí)行壓縮的代碼，將數(shù)據(jù)壓縮為tgz格式的壓縮文件，并馬上喚醒GPRS模塊，將其切換到語音業(yè)務(wù)模式，給用戶發(fā)送短信，告知此處桿塔發(fā)生雷擊事故。發(fā)送短信后，將GPRS模塊切換到數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，以CMNET的方式撥號(hào)上網(wǎng)。依照FTP協(xié)議，首先完成對(duì)FTP服務(wù)器的動(dòng)態(tài)域名解析，然后向服務(wù)器上傳文件，達(dá)到?jīng)]有任何字節(jié)丟失的效果。同時(shí)，程序采用多線程方式，每當(dāng)ARM板上的藍(lán)牙模塊被用戶的手持設(shè)備（如具有藍(lán)牙主機(jī)的筆記本電腦）喚醒，立即將Flash中