基于ARM的输电线路雷击监测系统的设计

1、基于ARM的输电线路雷击监测系统的设计1  引言    输电线路遭受雷击后跳闸率高，已严重影响了电网的安全、可靠运行。雷害不仅是国家电网系统的重要隐患，也是当前影响主网线路安全运行的主要因素之一。雷击事故是危及设备安全、系统稳定及供电可靠性的重要因素。然而对线路雷击跳闸事故的查找和分析时候，难以对故障地点和类型准确定位，对雷电流的幅值和波形也无法有效的观察。因此，有必要研制一套输电线路雷击在线监测系统，实时监测避雷线和各相绝缘子串雷电闪络后的电流波形、幅值、极性等雷电参数，对遭受雷击的杆塔和雷击形式直接做出判断。2  总体设计 

2、60;  输电线路雷击数据处理与传输系统的结构图如图1所示。主要由以下五部分构成：雷电流传感器；雷击信号采样单元；数据处理和传输单元；设备供电电源和上位机软件。当雷击发生时，雷击信号传感器及采样装置对杆塔避雷线和绝缘子上的雷击取样电流进行高速数据采样，雷击数据处理和传输系统将其处理和无线传输，给远端计算机提供雷击闪络数据，以实现快速对雷击杆塔所引起的闪络现象的远端无线监测和“反击”、“绕击”的相别、位置等的判定。图1  输电线路雷击在线监测系统结构图3  硬件设计    硬件设计从可靠性、可扩展性、灵活性、实时性、测量高精度的要求出发

3、，围绕以下几部分展开：    （1）雷电流传感器。本文所研制电流传感器采用了传统型罗氏线圈结构，用直径为1.0mm的漆包线绕制而成，在保证较大的自感系数的同时尽量减小线圈的内电阻，采样电阻可以取得较小（如1）。    （2）雷击信号采样部分。信号采集由 “雷击信号采样设备”实现，其原理框图如图2所示。“高速数据采集通道”对应杆塔避雷线和绝缘子上的雷击取样电流的各通道，按并行方式工作（按6路设计，1路备用）。高速数据采集通道的采样方式是：8位双极性采样、10MHz采样速率。“低速数据采集通道”考虑扩展测试环境温湿度、绝缘子串泄漏电流等（

4、设计预留位置）。图2中的单片机微控制器实现各通道的采样控制和采样数据的转存、实时时钟（带GPS校时）、串口发送等。这部分是系统正常工作的核心。信号采样电路使用了高速采样芯片TLC5540。图中的键盘和液晶显示器接口供调试用。RS232通信口用于与数据接收和GPRS传输设备通信，实现采样数据的异步传输。当雷击事件发生后，触发采样板开始采样，采样结束后，采样板将数据通过串口发送出去。图2  雷击信号采集装置结构图    （3）系统电源设计。设备供电电源由“光电池蓄电池”系统构成。在独立的光伏系统中，产生的电能不能完全满足用电负载的需求时，需要用储能装置进行能

5、量调节。电压调整器由DC/DC模块构成，以满足设备的供电需要。DC/DC模块使用了HZD20-12D02N02，输入电压为12V，输出电压为+5V，-5V，分别给雷击信号采样板、ARM板供电。其结构图如图3所示。光电池选用功率40W的高效太阳能电池板，蓄电池为19Ah容量；夏天有太阳时6h可充满电，充满电后无光照情况下可连续工作3天。图3  系统供电部分结构图    （4）ARM核心板的设计。从微处理器内核、工作主频、片内外围电路这几个方面考虑，选择AT91RM9200芯片，此微处理器是一款由ATMEL设计生产的嵌入式ARM微处理器，采用208脚PQFP

6、封装和256脚BGA封装，内含一个ARM920T核和以下片内、外围电路。    电源、晶振、以及复位电路。AT91RM9200的内核电压VDDCORE，晶振工作电压VDDOSC，锁相环电压VDDPLL为1.651.95V。外设I/O电压VDDIOP，存储器I/O电压VDDIOM电压为1.653.6V。对这两种电压等级，本文选用的电压分别是1.8V和3.3V。ARM的输入电压为5V。选用LM1117作为电压转换芯片。此芯片是一个低压差电压调节器系列。其压差在1.2V输出，负载电流为800mA时为1.2V。LM1117有5个固定电压输出（1.8V、2.5V、2.85V

7、、3.3V和5V）。 LM1117提供电流限制和热保护。电路包含1个齐纳调节的带隙参考电压以确保输出电压的精度在±1%以内。输出端需要一个至少10uF的钽电容来改善瞬态响应和稳定性。    SDRAM和Flash电路的设计。这里使用两片HY57V281620组成了数据宽度为32比特的32M字节的SDRAM。图4是 HY57V281620与AT91RM9200总线连接图。从图中可以看出，AT91RM9200通过数据总线、地址总线和控制总线，将两片字长为16bits，容量为16MB的HY57V281620芯片，连接成一个30MB，字长为32bits的SDRA

8、M。对于Flash，采用是Samsung公司生产的K9F1208。它是具有512Mb（64M×8位）NAND Flash存储器。该存储器的工作电压为2.73.6 V，内部存储结构为528字节×32页×4096块，页大小为528字节，块大小为（16 KB+512字节）；可实现程序自动擦写、页程序、块擦除、智能的读写和擦除等操作，一次可以读写或者擦除4页或者块的内容，内部有命令寄存器。该器件按功能可以划分为：存储阵列、输入输出缓冲、命令寄存器、地址译码寄存器和控制逻辑产生。其中，命令寄存器用来确定外部设备对存储器进行操作的类型；地址译码寄存器用于保存被访问的地址并产生

9、相应的译码选通信号。主设备通过8位IO端口分时复用访问器件命令、地址和数据寄存器，完成对芯片内存储器的访问。图4  HY57V281620与AT91RM9200总线连接图    （5）ARM外围接口电路的设计。从整体方案设计可知，ARM板要具有发送短信，通过GPRS模块拨号上网，通过蓝牙设备近程传输文件功能，同时，为了提供一种冗余的通信方式，也要提供USB接口，为USB接口的无线网卡预留，图5是ARM芯片外围的主要电路，它由ARM与SDRAM，Flash一起构成一个完整的“核心板”。图5  ARM板整体结构图   

10、 ARM的串口电路设计。AT91RM9200具有四个同步/异步收发器（USART）。本设计中，蓝牙模块，GPRS模块，均采用了串行接口连接。蓝牙模块使用的是金瓯科技公司的BC04蓝牙模块，模块带有RS232接口和TTL接口，任选一种接口使用，使用3.35V电源。串口对用户而言是透明的，AT91RM9200的I/O供电电压为3.3V，因此，可以使用模块的TTL电平引脚，将模块的Rxd、Txd、GND与AT91RM9200的USART3的Rxd、Txd、GND连接起来。GPRS模块型号为Q2403A ，支持双频EGSMGPRS 900MHz/1800 MHz模式，支持AT指令，短消息功能完备，并支

11、持GPRS功能。Q2403A模块具有60脚的通用接口，非常容易集成到应用产品中；具有SIM卡确认、供电、时钟、复位及IO的3V SIM卡接口，包括SIMVCC、SIMRST、SIMDATA、SIMCLK和SIMPRES等。此外模块提供一个符合V24协议的6线串行通信接口，包括TX、RX、RTS、CTS、DTR、DSR；同时提供DCD和RI信号接口、上电信号PowerONOFF和复位信号RST。模块正常工作要求提供两路电源，其中VBAT提供给RF部分，电压范围为3.34.5 V，最大功率为2W；VDD提供给基带部分，电压范围为3.14.5V，最大功率为0.5W。4  软件设计 

12、;   系统软件设计主要有：在ARM板上建立linux操作系统开发环境，采用多线程的方法，设计雷击数据的接收和发送，数据压缩，通信等软件。并从减少功耗、提高系统稳定性的角度，完善软件的性能。    有几种开发模式可以用于基于嵌入式Linux应用程序的开发，本文采用NFS（Network File System）方式，即网络文件系统方式。这是一种将远程主机上的分区（目录）经网络挂载到本地系统的一种机制，通过对网络文件系统的支持，用户可以在本地系统上像操作本地分区一样来对远程主机的共享分区（目录）进行操作。    雷击

13、数据的构成。罗科夫斯基线圈输出的电流信号，通过精密电阻，被雷击信号采样单元采集，采集时间为48ms，采样速度为10MHz，采样精度为8位。为了方便SDRAM的分页存储，每个通道字节数为1792×256=458752字节，由于48ms的雷击信号中，前7ms记录的是主要信号，后41ms记录的是次要信号，所以将458752字节信号分为两部分：第一部分65536字节，第二部分393216字节。5个罗科夫斯基线圈安装在两路地线，三相相线上，一共有5个通道的采样数据，再加上雷击时间及通道信息，则一次雷击产生数据有2240kB。    ARM板和雷击信号采样单元的通信

14、协议。由于数据是通过串口进行传输，所以速度较慢，为了保证数据的完整性，将数据分段传输，并加上严格的握手型号。ARM板和雷击信号采样单元通过串口传输数据的通信协议如下：    （1）雷击信号采样板在雷击触发采样完成后，关闭雷击触发中断，进入数据处理状态。主动和ARM板联络，进行数据传送。ARM板仅当需回答必要信息的时候，才向雷击信号采样板发送数据。其它情况下，ARM板不主动向雷击信号采样板联络；    （2）雷击信号采样板发送48字节的通道采样信息：秒，分，时，日，月，星期，年，通道号；    （3）ARM

15、板收到48字节的通道采样信息后，请求雷击信号采样板发送第一部分的采样数据；    （4）雷击信号采样板发送第一部分数据：（32768×2=65536），每个通道的前65536字节。上述协议的流程图如图6所示。图6  雷击数据接收流程图    数据接收程序。本文采用查询式的串口操作。即ARM板的CPU AT91RM9200每隔规定的时间，读串口缓冲区一次。检查是否有新的数据，并对新的数据加以判断。程序采用Linux下ANSI C库函数，具有良好的兼容性。    雷击数据的压缩与解压缩。一

16、次雷击的数据，有2240kB，而Flash最大容量是64MB，理论上，ARM板内可存储历史数据大约29次。即发生29次雷击事件后，若没有及时清空ARM板的Flash，则Flash空间已满。再考虑远程无线传输的方式，采用GPRS模块拨号上网。GPRS模块为串行接口，波特率为115200，采用8位数据位，1位起始位，1位停止位，在理想状况下，传输完一组数据时间为约200秒。传输数据量大，传输时间长，增加了数据丢失的风险。这些说明有必要将数据进行压缩，以节省存储空间，降低传输过程中数据丢失的风险。本文采用的LZW(Lempel & Ziv & Welch)压缩算法4，该算法的流程图如

17、图7所示。压缩好的雷击数据，通过FTP(File Transfer Protocal)协议传送到PC机，在Windows操作系统的环境中进行处理。本文采用通过批处理文件调用第三方软件的方式，来实现文件的解压缩。图7  LZW压缩算法流程图    雷击数据的远程传输与接收。雷击事件发生后，采样装置将采集信号，ARM板，CPU执行压缩的代码，将数据压缩为tgz格式的压缩文件，并马上唤醒GPRS模块，将其切换到语音业务模式，给用户发送短信，告知此处杆塔发生雷击事故。发送短信后，将GPRS模块切换到数据业务，以CMNET的方式拨号上网。依照FTP协议，首先完成对FTP服务器的动态域名解析，然后向服务器上传文件，达到没有任何字节丢失的效果。同时，程序采用多线程方式，每当ARM板上的蓝牙模块被用户的手持设备（如具有蓝牙主机的笔记本电脑）唤醒，立即将Flash中