基于ARM的輸電線路狀態監測數據傳輸終端

王 瑋，黃在朝

(國網電力科學研究院信通所，江蘇南京211106)

輸電線路的可靠運行對于電網的安全和穩定具有非常重要的意義。為充分保障輸電線路的可靠運行，有必要采用狀態監測技術[1]。按照國網公司堅強智能電網建設的工作安排，將依托生產管理信息系統（PMS）建立和推廣輸電線路狀態監測系統，各類狀態監測數據集中存儲。輸電線路狀態監測數據傳輸終端是輸電線路狀態監測系統實現數據匯聚和傳輸的重要組成部分。需要設計一種統一的狀態監測數據傳輸裝置，不僅能在局部范圍內管理和協同各類輸電線路狀態監測裝置、匯集各類監測裝置的數據，集中與主站系統進行安全雙向數據通信，而且可跨專業、跨廠家甚至跨線路接入狀態監測信息，實現在輸電線路特殊環境下各類狀態監測數據的標準化接入、安全接入和智能化接入。

輸電線路的可靠運行對于電網的安全和穩定具有非常重要的意義。為充分保障輸電線路的可靠運行，有必要采用狀態監測技術[1]。按照國網公司堅強智能電網建設的工作安排，將依托生產管理信息系統（PMS）建立和推廣輸電線路狀態監測系統，各類狀態監測數據集中存儲。輸電線路狀態監測數據傳輸終端是輸電線路狀態監測系統實現數據匯聚和傳輸的重要組成部分。需要設計一種統一的狀態監測數據傳輸裝置，不僅能在局部范圍內管理和協同各類輸電線路狀態監測裝置、匯集各類監測裝置的數據，集中與主站系統進行安全雙向數據通信，而且可跨專業、跨廠家甚至跨線路接入狀態監測信息，實現在輸電線路特殊環境下各類狀態監測數據的標準化接入、安全接入和智能化接入。

1監測數據遠程通信方式

1.1無線公網

國內開展輸電線路狀態監測的應用比較早，一般采用無線公網的通信方式。無線公網通信主要包括GPRS、CDMA、3G等[2]。隨著網絡的負荷越來越大，同時狀態監測數據傳輸的數據量、實時性和安全性要求越來越高，無線公網的通信方式已經很難滿足需求。

1.2光纖專網

輸電線路的狀態監測點位于各個輸電桿塔上，監測系統的主站需要和每個監測點建立通信，隨著光纖復合架空地線（OPGW）的廣泛使用[3]，利用光纖實現監測數據的傳輸成為發展的必由之路。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勢，目前較常用的光通信技術包括無源光網絡（xPON）技術和光纖工業以太網技術。

xPON技術是一種點到多點的光纖接入技術，它由光線路終端（OLT）、光網絡單元（ONU）以及光分配網絡（ODN）組成[4]。以太網無源光網絡（EPON）、吉比特無源光網絡（GPON）是目前xPON技術的主流方式。EPON技術成熟，已經實現設備芯片級和系統級互通，價格大幅度下降，公網已經大規模部署。

光纖工業以太網是指在技術上與商業以太網（即IEEE802.3標準）兼容，在產品設計時能夠滿足工業控制現場的需要，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。

1.3無線專網

由于不是每個桿塔上都有光纜接續盒可以融纖接入，因此光通信設備只能放置在有光纜接續盒的桿塔上。從各個桿塔上的監測終端到光纜接續盒的這段距離，最方便的通信方式就是無線專網通信。在有光纜接續盒的桿塔上放置EPON設備和無線接入點，在沒有光纜接續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監測終端數據的接入。

WiFi技術已經廣泛應用于各個領域，因此可以利用WiFi技術實現對整個輸電線路的無線覆蓋。無線專網還可以使用Wimax等技術。Wimax覆蓋范圍比WiFi大，但是設備相對昂貴。

1.4組網方式

運用不同的通信技術，常用的監測數據遠程通信組網方式有以下幾種：（1）無線公網方式；（2）EPON+WiFi/Wimax方式；（3）工業以太網交換機+WiFi/Wimax 方式；（4）Wimax+WiFi方式。

不同的通信組網方式使用不同的通信設備，同一測量點甚至需要準備多種通信設備，因此需要設計一種統一的數據傳輸終端，集中實現數據遠程通信，不僅可以節省遠程通信資源，而且可以為各狀態監測裝置屏蔽復雜的遠程通信問題。

使用了統一的數據傳輸終端的監測數據遠程通信系統結構如圖1所示。

圖1監測數據遠程通信系統結構

2數據傳輸終端硬件設計

2.1遠程通信及加密功能

針對不同的通信組網方式，數據傳輸終端需要具有以下通信接口和模塊以實現監測數據傳輸：（1）2路工業以太網光接口，滿足光纖工業以太網的通信要求。（2）1路無源光網絡ONU接口，滿足EPON的通信要求。（3）1個無線公網模塊，可以根據需求安裝GPRS或CDMA等無線公網通信模塊。（4）1個WiFi模塊，用于實現全部監測點的無線覆蓋。

在無線通信中，為保證數據的安全性，終端應具有對所有數據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。

2.2數據采集功能

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

2.3 AT91SAM9260處理器

AT91SAM9260是與基于ARM9的微控制器系列產品針腳兼容的產品[5]，具有豐富的系統與應用外設及標準接口，具備8 KB指令以及8 KB數據緩存，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、高性能的應用提供一個單片解決方案。AT91SAM9260可以完成與應用所要求的片外存儲器和內部存儲器映射外設配置的無縫連接，同時集成了許多標準接口，包括USB 2.0全速主機和設備端口及與多數外設和在網絡層廣泛使用的10/100 Base-T以太網媒體訪問控制器（MAC）。此外，它還提供一系列符合工業標準的外設，這些功能使得數據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調試通道（DBGU）及嵌入式的實時追蹤的一系列調試功能，這使得數據傳輸終端的開發和調試極其方便。

2.4太陽能供電系統

由于數據傳輸終端放置在桿塔上，傳統供電方式無法滿足現場環境的需求，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為塔上設備供電。太陽能供電系統選用模塊化設計的獨立系統，具有優異的穩定性。

2.5低功耗設計

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。處理器根據配置和工作情況動態控制終端中各個功能模塊的供電和工作狀態，可以分別使各個模塊進入低功耗的休眠狀態或停止工作的斷電狀態，從而實現終端整體的低功耗運行。

2.6終端硬件結構

本文設計的輸電線路狀態監測數據傳輸終端的硬件采用模塊化設計，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EPON和以太網通信。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接口和光纖以太網接口用于實現監測數據遠傳，RS232/RS485、以太網接口和微功率無線模塊用于實現監測數據采集，WiFi模塊用于監測點的無線覆蓋，如果現場應用需要Wimax通信方式，可以采用通過以太網接口連接外置Wimax模塊的方法實現。

圖2數據傳輸終端硬件結構

3數據傳輸終端軟件設計

3.1軟件架構

數據傳輸終端的軟件基于ARM Linux 2.6.19實現，由軟件支撐平臺、交換配置管理、應用軟件和系統管理組成。

軟件支撐平臺包括 bootloader、ARM L inux 2.6.19及文件系統、各種外設驅動等，交換配置管理基于購買的中間件網絡協議集ZebOS 7.7.1進行二次開發，應用軟件完成終端的各項功能，系統管理完成系統時間的讀取與設置、NTP協議的實現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的設備配置管理方式，對設備內各個功能模塊使用統一的接口。

3.2 Linux操作系統

Linux具有內核小，效率高，源代碼開放，內核直接提供網絡支持等優點。但嵌入式系統的硬件資源畢竟有限，不能直接把Linux作為操作系統，需要針對具體的應用通過配置內核、裁減shell和嵌入式庫對系統進行定制，使整個系統能夠存放到容量較小的Flash中。

Linux的動態模塊加載，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文件系統的數據傳輸終端可以方便地支持在線更新。

3.3終端軟件功能

數據傳輸終端需要采集和存儲不同監測設備的監測數據，并通過不同的通信組網方式和主站完成數據和指令的傳輸。終端軟件主要完成以下功能。

（1）數據采集。采集現場各狀態監測裝置發送的數據，實現分散數據的集中。同時支持狀態監測裝置的自動采集方式與受控采集方式。

（2）數據通信。根據配置的組網通信方式，集中實現數據遠程，不僅可以節省遠程通信資源，而且可以為各狀態監測裝置屏蔽復雜的遠程通信問題。在遠程通道通信中斷時緩存監測數據，在遠處通信通道恢復時將緩存的歷史監測數據上送主站。

（3）規約轉換。根據配置的規約庫完成數據的規約轉換，可以接入不同廠家的監測數據并以統一的格式處理、存儲和上傳。

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

（5）其他功能。數據加密、參數配置、事件存儲、在線升級和本地維護等。

4結束語

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

的輸電線路狀態監測數據傳輸終端，實現了分散數據的集中和遠傳，節省遠程通信資源，而且可以為各狀態監測裝置屏蔽復雜的遠程通信問題，從而實現了在輸電線路特殊環境下各類狀態監測數據在不同的通信組網方式中的標準化接入、安全接入和智能化接入，對于輸電線路狀態監測系統的建設具有重要的意義。

[1]王曉希.特高壓輸電線路狀態監測技術的應用[J].電網技術，2007，31(22)：7-11.

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

[3]高志欣，李志斌.OPGW在電力通信網中的應用[J].農村電氣化，2006(10)：33-35.

[4]張 浩，憲 德，郭經紅.EPON技術在用電信息采集系統中的應用[J].電力系統通信，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.輸電線路狀態監測系統取能電源的設計新原理[J].電力系統自動化，2008，32(1)：76-80.