基于ARM的輸電線路雷擊監(jiān)測系統(tǒng)的設計

1、基于ARM的輸電線路雷擊監(jiān)測系統(tǒng)的設計1  引言    輸電線路遭受雷擊后跳閘率高，已嚴重影響了電網(wǎng)的安全、可靠運行。雷害不僅是國家電網(wǎng)系統(tǒng)的重要隱患，也是當前影響主網(wǎng)線路安全運行的主要因素之一。雷擊事故是危及設備安全、系統(tǒng)穩(wěn)定及供電可靠性的重要因素。然而對線路雷擊跳閘事故的查找和分析時候，難以對故障地點和類型準確定位，對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)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測避雷線和各相絕緣子串雷電閃絡后的電流波形、幅值、極性等雷電參數(shù)，對遭受雷擊的桿塔和雷擊形式直接做出判斷。2  總體設計 

2、60;  輸電線路雷擊數(shù)據(jù)處理與傳輸系統(tǒng)的結構圖如圖1所示。主要由以下五部分構成：雷電流傳感器；雷擊信號采樣單元；數(shù)據(jù)處理和傳輸單元；設備供電電源和上位機軟件。當雷擊發(fā)生時，雷擊信號傳感器及采樣裝置對桿塔避雷線和絕緣子上的雷擊取樣電流進行高速數(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，給遠端計算機提供雷擊閃絡數(shù)據(jù)，以實現(xiàn)快速對雷擊桿塔所引起的閃絡現(xiàn)象的遠端無線監(jiān)測和“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)測系統(tǒng)結構圖3  硬件設計    硬件設計從可靠性、可擴展性、靈活性、實時性、測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)型羅氏線圈結構，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）雷擊信號采樣部分。信號采集由 “雷擊信號采樣設備”實現(xiàn)，其原理框圖如圖2所示?！案咚贁?shù)據(jù)采集通道”對應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路設計，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?！暗退贁?shù)據(jù)采集通道”考慮擴展測試環(huán)境溫濕度、絕緣子串泄漏電流等（

4、設計預留位置）。圖2中的單片機微控制器實現(xiàn)各通道的采樣控制和采樣數(shù)據(jù)的轉存、實時時鐘（帶GPS校時）、串口發(fā)送等。這部分是系統(tǒng)正常工作的核心。信號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傳輸設備通信，實現(xiàn)采樣數(shù)據(jù)的異步傳輸。當雷擊事件發(fā)生后，觸發(fā)采樣板開始采樣，采樣結束后，采樣板將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送出去。圖2  雷擊信號采集裝置結構圖    （3）系統(tǒng)電源設計。設備供電電源由“光電池蓄電池”系統(tǒng)構成。在獨立的光伏系統(tǒng)中，產(chǎn)生的電能不能完全滿足用電負載的需求時，需要用儲能裝置進行能

5、量調(diào)節(jié)。電壓調(diào)整器由DC/DC模塊構成，以滿足設備的供電需要。DC/DC模塊使用了HZD20-12D02N02，輸入電壓為12V，輸出電壓為+5V，-5V，分別給雷擊信號采樣板、ARM板供電。其結構圖如圖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)供電部分結構圖    （4）ARM核心板的設計。從微處理器內(nèi)核、工作主頻、片內(nèi)外圍電路這幾個方面考慮，選擇AT91RM9200芯片，此微處理器是一款由ATMEL設計生產(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ARM920T核和以下片內(nèi)、外圍電路。    電源、晶振、以及復位電路。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I/O電壓VDDIOP，存儲器I/O電壓VDDIOM電壓為1.653.6V。對這兩種電壓等級，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作為電壓轉換芯片。此芯片是一個低壓差電壓調(diào)節(jié)器系列。其壓差在1.2V輸出，負載電流為800mA時為1.2V。LM1117有5個固定電壓輸出（1.8V、2.5V、2.85V

7、、3.3V和5V）。 LM1117提供電流限制和熱保護。電路包含1個齊納調(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)。輸出端需要一個至少10uF的鉭電容來改善瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性。    SDRAM和Flash電路的設計。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，將兩片字長為16bits，容量為16MB的HY57V281620芯片，連接成一個30MB，字長為32bits的SDRA

8、M。對于Flash，采用是Samsung公司生產(chǎn)的K9F1208。它是具有512Mb（64M×8位）NAND Flash存儲器。該存儲器的工作電壓為2.73.6 V，內(nèi)部存儲結構為528字節(jié)×32頁×4096塊，頁大小為528字節(jié)，塊大小為（16 KB+512字節(jié)）；可實現(xiàn)程序自動擦寫、頁程序、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備對存儲器進行操作的類型；地址譯碼寄存器用于保存被訪問的地址并產(chǎn)生

9、相應的譯碼選通信號。主設備通過8位IO端口分時復用訪問器件命令、地址和數(shù)據(jù)寄存器，完成對芯片內(nèi)存儲器的訪問。圖4  HY57V281620與AT91RM9200總線連接圖    （5）ARM外圍接口電路的設計。從整體方案設計可知，ARM板要具有發(fā)送短信，通過GPRS模塊撥號上網(wǎng)，通過藍牙設備近程傳輸文件功能，同時，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一起構成一個完整的“核心板”。圖5  ARM板整體結構圖   

10、 ARM的串口電路設計。AT91RM9200具有四個同步/異步收發(fā)器（USART）。本設計中，藍牙模塊，GPRS模塊，均采用了串行接口連接。藍牙模塊使用的是金甌科技公司的BC04藍牙模塊，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，非常容易集成到應用產(chǎn)品中；具有SIM卡確認、供電、時鐘、復位及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；同時提供DCD和RI信號接口、上電信號PowerONOFF和復位信號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  軟件設計 

12、;   系統(tǒng)軟件設計主要有：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，設計雷擊數(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應用程序的開發(fā)，本文采用NFS（Network File System）方式，即網(wǎng)絡文件系統(tǒng)方式。這是一種將遠程主機上的分區(qū)（目錄）經(jīng)網(wǎng)絡掛載到本地系統(tǒng)的一種機制，通過對網(wǎng)絡文件系統(tǒng)的支持，用戶可以在本地系統(tǒng)上像操作本地分區(qū)一樣來對遠程主機的共享分區(qū)（目錄）進行操作。    雷擊

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

14、協(xié)議。由于數(shù)據(jù)是通過串口進行傳輸，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，并加上嚴格的握手型號。ARM板和雷擊信號采樣單元通過串口傳輸數(shù)據(jù)的通信協(xié)議如下：    （1）雷擊信號采樣板在雷擊觸發(fā)采樣完成后，關閉雷擊觸發(fā)中斷，進入數(shù)據(jù)處理狀態(tài)。主動和ARM板聯(lián)絡，進行數(shù)據(jù)傳送。ARM板僅當需回答必要信息的時候，才向雷擊信號采樣板發(fā)送數(shù)據(jù)。其它情況下，ARM板不主動向雷擊信號采樣板聯(lián)絡；    （2）雷擊信號采樣板發(fā)送48字節(jié)的通道采樣信息：秒，分，時，日，月，星期，年，通道號；    （3）ARM

15、板收到48字節(jié)的通道采樣信息后，請求雷擊信號采樣板發(fā)送第一部分的采樣數(shù)據(jù)；    （4）雷擊信號采樣板發(fā)送第一部分數(shù)據(jù)：（32768×2=65536），每個通道的前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)定的時間，讀串口緩沖區(qū)一次。檢查是否有新的數(shù)據(jù)，并對新的數(shù)據(jù)加以判斷。程序采用Linux下ANSI C庫函數(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，若沒有及時清空ARM板的Flash，則Flash空間已滿。再考慮遠程無線傳輸?shù)姆绞?，采用GPRS模塊撥號上網(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)時間為約200秒。傳輸數(shù)據(jù)量大，傳輸時間長，增加了數(shù)據(jù)丟失的風險。這些說明有必要將數(shù)據(jù)進行壓縮，以節(jié)省存儲空間，降低傳輸過程中數(shù)據(jù)丟失的風險。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，在Windows操作系統(tǒng)的環(huán)境中進行處理。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)的遠程傳輸與接收。雷擊事件發(fā)生后，采樣裝置將采集信號，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，以CMNET的方式撥號上網(wǎng)。依照FTP協(xié)議，首先完成對FTP服務器的動態(tài)域名解析，然后向服務器上傳文件，達到?jīng)]有任何字節(jié)丟失的效果。同時，程序采用多線程方式，每當ARM板上的藍牙模塊被用戶的手持設備（如具有藍牙主機的筆記本電腦）喚醒，立即將Flash中