基于Cortex-M3處理器的輸電線路狀態監測數據采集器的系統設計

文/國網電力科學研究院 湯祥林 曹翊軍 李桂平/

0 引言

智能電網由智能電廠、智能輸電網及智能售用電等組成，智能輸電網是其中的重要一環，因此對輸電設備管理的要求會更高。維護和管理輸電設備的安全運行的工作會面臨更大的挑戰。大容量、超高壓、遠距離、北電南送、西電東送的大電網對輸變電設備的運行和維護，以及管理的要求更高。電網的通道微氣象、微地形特征明顯，強雷暴、覆冰雪、颮線風等極端天氣較為多發，嚴重威脅設備的安全運行。因此有必要引入信息通信領域新技術，積極自主創新，建設特大電網輸電線路狀態監測系統，提高特大電網輸電線路管理控制水平和應急快速處置能力。

在線監測系統中，數據傳輸要求可靠，實時。如何建立高速可靠的通信方式，確保監測數據實時準確回傳是狀態監測系統建設需重點考慮的問題。

相同或類似的產品在公開刊物上沒有明顯的報道，一般是在單一傳感器中集中數據采集和通訊模塊，每個單一傳感都要配備一套通訊器件，這樣需要多個或多種傳感器時，產品的通訊方式單一，產品成本和通訊成本較大，也不利于數據管理等。

最大限度的優化資源配置，降低裝置成本、降低通信費用、提高裝置可靠性、降低裝置功耗、提高監測精度。將近年來才出現的ARM Cotex-M3處理器新技術應用在輸電線路數據采集裝置中，并與嵌入式操作系統結合，使本項目中所涉及的技術新型、可靠、低功耗等優點，順應電網智能化的發展趨勢，這些特點使其能夠廣泛的運用于輸電線路在線監測領域，保障輸電線路的安全和可靠。

1 輸電線路狀態監測通信系統架構

1.1 通信系統總體架構

根據國家電網公司頒布的《輸變電設備狀態監測系統技術導則》和《輸電線路狀態監測代理技術規范》，輸電線路狀態監測通信系統總體框圖如圖1所示。

圖1 輸電線路狀態監測通信結構框圖

圖1所示，系統中有三個重要的組成部分：主站（含CAG）、CMA和CMD。主站系統 Master Station System（MSS），能接入各類輸變電設備狀態監測信息，并進行集中存儲、統一處理和應用的一種計算機系統。主站系統包括集中數據庫、CAG、數據加工、數據服務及各種狀態監測應用模塊。CAG（Condition Acquisition Gateway）狀態接入網關機，是一種關口設備，部署在主站系統側，遠程連接CMA（狀態監測代理）的一種計算機。它可從CMA獲取各種狀態信息并由校驗功能，而且可對控制CMA。在智能電網系統中，有線路CAG和變電CAG兩種。在輸電線路狀態監測系統中，采用線路CAG。CMA（Condition Monitoring Agent）狀態監測代理，具有協調局部區域內的各種輸電線路狀態監測裝置的作用，收集狀態監測裝置采集到的數據，可替代狀態監測裝置同主站系統進行可靠的數據通信。不同廠家、不同類型、不同線路上的狀態監測裝置都可接入CMA，這樣可對各種狀態監測裝置實現實現智能、標準和安全的接入。CMD（Condition Monitoring Device）狀態監測裝置，同樣有輸電CMD和變電CMD,輸電CMD安裝在被監測的輸電設備桿塔附近或桿塔上。輸電CMD一方面采集被監測設備的狀態數據，處理并保存；另一方面和狀態監測代理、綜合監測單元等進行數據交換。另外其本身直接連接傳感器，采集數據、處理數據。同時輸電CMD可以通過命令方式控制數據采集單元。

1.2 狀態監測裝置系統結構

數據采集器是狀態監測裝置（CMD）的一個組成部分，上聯各種通訊終端，與狀態監測代理（CMA）數據通信，下接各種狀態量傳感裝置，控制并收集各狀態量數據。

圖2是狀態監測裝置(CMD)的系統結構圖，核心部分是數據采集器，各種狀態數據主要來自覆冰監測、風偏監測、微風振動、桿塔傾斜、導線弧垂和導線溫度等測量裝置。數據采集器通過通訊協議I1向狀態監測代理接收命令和發送數據。主要通訊終端有衛星終端、GPRS終端、WIFI終端和VHF終端。根據實際情況，采用多種供電方式，一種或多種方式同時采用，包括光伏供電、風機供電和市電方式供電。

圖2 狀態監測裝置 CMD）系統圖

2 數據采集器主要功能

2.1 具有掉電數據保護功能，系統失電后，裝置內的監測數據及各種工作、測量用參數不丟失。

2.2 支持在系統升級，即在不拆卸設備外殼、不改變設備硬件狀態的前提下可對其進行軟件功能升級或維護。

2.3 支持主信道，備用信道雙信道通訊, 采用I1層協議,遠程傳輸數據到狀態監測代理（CMA）,通信終端可以是VHF、PSTN、GPRS、CDMA、北斗衛星等。同時也支持Ethernet遠程通訊.

2.4 具有定時測量、自報、蘇醒、心跳等功能，測量結果可形成文件，通過SD卡保存并交換。

3 數據采集器系統結構

系統采用嵌入式操作系統, 該系統是一個完整的可移植的操作系統。用戶能結合自身的功能裁減，固化操作系統。主要有以下特點：

1）可移植性 可以移植到多種CPU上。

2）可固化 可以固化到嵌入式系統中。

3）可裁減 可以定制嵌入式操作系統，使用少量的系統服務。

4）可剝奪性 嵌入式操作系統是完全可剝奪的實時內核，操作系統總是運行優先級最高的就緒任務。

5）多任務運行 操作系統的可以管理最多256個任務。每個任務要求有不同的任務優先級，系統調度不支持時間片輪轉。

6）可確定性 操作系統的函數調用和系統服務的執行時間可以確定。

7）任務棧 每個任務都有自己的單獨的棧，而且每個任務棧空間的大小可以不一樣。

8）系統服務 操作系統有很多系統服務，如信號量、時間標志、消息郵箱、消息隊列、時間管理等等。

圖3為數據采集器系統結構圖，其中CPU為ARM Cortex-M3處理器,使用外部SRAM, 提供操作系統運行的數據空間，Nand Flash為系統存放數據文件，以太網采用工級以太網芯片。系統具備5個RS232通信口，分別用于主信道、輔信道、本地通信、SDI接口及RS485通訊。

圖3 數據采集器系統結構圖

系統采用ARM Cortex－M3處理器[1]，它包括所有的16位Thumb指令集和基本的32位Thumb-2指令集架構，它擁有功耗低、成本低、性能高的優點。性能是ARM7性能的2倍，功耗比ARM7低1/3。哈佛結構，分離的指令總線和數據總線，取指和取值互不影響，運算速度快。其主要特點有：

1）采用了基于哈佛架構的3級流水線內部核心[2]，集成了單周期乘法、分支預測、硬件除法等眾多功能強大的特點。運行速度達到1.25DMIPS/MHz,而功耗僅為0.19mW/MHz。

2）采用Thumb-2指令集具有更強的性能河更高的指令效率。Thumb-2指令集結合了16位指令的代碼密度和32位指令的性能，其低層關鍵特性使得C代碼的執行更加自然，無需交互使用ARM代碼和Thumb代碼。

3）Cortex-M3具有豐富的中斷和豐富的中斷優先級。通過搶占、尾鏈、遲到（Late-arriving）技術，使得對中斷事件的響應更加迅速，從低功耗模式喚醒時間只需6個CPU周期。

4 低功耗設計

低功耗設計是保證野外環境下系統可靠運行和方便安裝維護的關鍵技術。電子產品的功耗主要與工作頻率、電源電壓及節點電容等因素相關，需要考慮元器件選型和接口電路處理等[3]。系統采用3.3V供電，主要考慮主要器件的選型上采用低功耗器件，包括處理器，網絡通信及串口通信器件。

系統采用ARM Cortex-M3處理器內核，功耗低。在內核級支持睡眠模式和深度睡眠模式。通過使用等待中斷指令和等待事件指令，內核可以進入睡眠模式，并且以不同的方式喚醒。另外，模塊的時鐘是盡可能地分別提供，所以在睡眠時可以把Cortex-M3的大多數功能模塊停掉。采用ARM Cortex-M3內核的處理器有三種低功耗模式[4]，睡眠模式、停止模式和待機模式。為了保證系統低功耗，又能及時處理外部中斷，使處理器平時處于掉電模式，在相應的事件觸發后立即進入全速運行狀態，任務完成后自動返回掉電模式。

網絡芯片的功耗一般是低功耗系統中主要耗電器件，因此選用一款既可靠，又能進入理想低功耗狀態的芯片是系統設計的關鍵。網絡芯片采用3.3V工作電壓，支持三種低功耗模式，硬件待機、硬件掛起和軟件掛起,所有三種模式都由軟件控制實現。在網絡芯片不工作時，使其進入硬件待機模式，使芯片處在最低功耗方式，其最高功耗不大于100uA。

串口通訊是系統的主要通訊方式。串口數量多且通訊工作時間長，因此處理好串口通訊的功耗，就基本解決了系統的低功耗問題。采用低功耗的RS232轉換器件，能夠在應用程序控制下，自動地打開和關閉串口器件，器件掉電時，最小電流僅為1uA。當外部有數據請求時，會觸發系統中斷，打開串口器件，進行通訊。

5 結語

數據采集和數據傳輸在輸電線路狀態監測中是重要一環，輸電線狀態監測涉及的傳感器種類多，數量大；參數具有多樣性和復雜性。文章結合ARM Cortex-M3系統特點，將Cortex-M3的技術特點充分應用在輸電線路數據采集器設計中，并通過合理的功能設計，研制的一種功耗低、功能強、安裝方便、便于使用的數據采集器，為輸電線路狀態監測提供了可靠、有效的基礎數據來源。

[1]ARM Cortex-M3Revision: r1p1 Technical Reference Manual .

[2]ARM ARM-v7-M Architecture Reference Manual.

[3]曹年紅.水利水電與電網氣象綜合監測系統.水電自動化與大壩監測.2010.3.

[4]ST STM32F103 Reference manual.