基于ARM的输电线路状态监测数据传输终端

王 玮，黄在朝

(国网电力科学研究院信通所，江苏南京211106)

输电线路的可靠运行对于电网的安全和稳定具有非常重要的意义。为充分保障输电线路的可靠运行，有必要采用状态监测技术[1]。按照国网公司坚强智能电网建设的工作安排，将依托生产管理信息系统（PMS）建立和推广输电线路状态监测系统，各类状态监测数据集中存储。输电线路状态监测数据传输终端是输电线路状态监测系统实现数据汇聚和传输的重要组成部分。需要设计一种统一的状态监测数据传输装置，不仅能在局部范围内管理和协同各类输电线路状态监测装置、汇集各类监测装置的数据，集中与主站系统进行安全双向数据通信，而且可跨专业、跨厂家甚至跨线路接入状态监测信息，实现在输电线路特殊环境下各类状态监测数据的标准化接入、安全接入和智能化接入。

输电线路的可靠运行对于电网的安全和稳定具有非常重要的意义。为充分保障输电线路的可靠运行，有必要采用状态监测技术[1]。按照国网公司坚强智能电网建设的工作安排，将依托生产管理信息系统（PMS）建立和推广输电线路状态监测系统，各类状态监测数据集中存储。输电线路状态监测数据传输终端是输电线路状态监测系统实现数据汇聚和传输的重要组成部分。需要设计一种统一的状态监测数据传输装置，不仅能在局部范围内管理和协同各类输电线路状态监测装置、汇集各类监测装置的数据，集中与主站系统进行安全双向数据通信，而且可跨专业、跨厂家甚至跨线路接入状态监测信息，实现在输电线路特殊环境下各类状态监测数据的标准化接入、安全接入和智能化接入。

1监测数据远程通信方式

1.1无线公网

国内开展输电线路状态监测的应用比较早，一般采用无线公网的通信方式。无线公网通信主要包括GPRS、CDMA、3G等[2]。随着网络的负荷越来越大，同时状态监测数据传输的数据量、实时性和安全性要求越来越高，无线公网的通信方式已经很难满足需求。

1.2光纤专网

输电线路的状态监测点位于各个输电杆塔上，监测系统的主站需要和每个监测点建立通信，随着光纤复合架空地线（OPGW）的广泛使用[3]，利用光纤实现监测数据的传输成为发展的必由之路。光通信方式在通信容量、实时性、可靠性、安全性等方面与其他通信方式相比具有较大优势，目前较常用的光通信技术包括无源光网络（xPON）技术和光纤工业以太网技术。

xPON技术是一种点到多点的光纤接入技术，它由光线路终端（OLT）、光网络单元（ONU）以及光分配网络（ODN）组成[4]。以太网无源光网络（EPON）、吉比特无源光网络（GPON）是目前xPON技术的主流方式。EPON技术成熟，已经实现设备芯片级和系统级互通，价格大幅度下降，公网已经大规模部署。

光纤工业以太网是指在技术上与商业以太网（即IEEE802.3标准）兼容，在产品设计时能够满足工业控制现场的需要，也就是满足实时性、可靠性、安全性以及安装方便等要求的以太网。

1.3无线专网

由于不是每个杆塔上都有光缆接续盒可以融纤接入，因此光通信设备只能放置在有光缆接续盒的杆塔上。从各个杆塔上的监测终端到光缆接续盒的这段距离，最方便的通信方式就是无线专网通信。在有光缆接续盒的杆塔上放置EPON设备和无线接入点，在没有光缆接续盒的杆塔上放置无线接入客户端，就可以通过无线信号的覆盖实现监测终端数据的接入。

WiFi技术已经广泛应用于各个领域，因此可以利用WiFi技术实现对整个输电线路的无线覆盖。无线专网还可以使用Wimax等技术。Wimax覆盖范围比WiFi大，但是设备相对昂贵。

1.4组网方式

运用不同的通信技术，常用的监测数据远程通信组网方式有以下几种：（1）无线公网方式；（2）EPON+WiFi/Wimax方式；（3）工业以太网交换机+WiFi/Wimax 方式；（4）Wimax+WiFi方式。

不同的通信组网方式使用不同的通信设备，同一测量点甚至需要准备多种通信设备，因此需要设计一种统一的数据传输终端，集中实现数据远程通信，不仅可以节省远程通信资源，而且可以为各状态监测装置屏蔽复杂的远程通信问题。

使用了统一的数据传输终端的监测数据远程通信系统结构如图1所示。

图1监测数据远程通信系统结构

2数据传输终端硬件设计

2.1远程通信及加密功能

针对不同的通信组网方式，数据传输终端需要具有以下通信接口和模块以实现监测数据传输：（1）2路工业以太网光接口，满足光纤工业以太网的通信要求。（2）1路无源光网络ONU接口，满足EPON的通信要求。（3）1个无线公网模块，可以根据需求安装GPRS或CDMA等无线公网通信模块。（4）1个WiFi模块，用于实现全部监测点的无线覆盖。

在无线通信中，为保证数据的安全性，终端应具有对所有数据进行加密和解密的功能，加密和解密都采用USB连接硬件加密模块的方式实现。

2.2数据采集功能

数据传输终端可以通过监测终端取得输电线路的各项状态监测数据，主要包括线路图像视频、微气象、导线覆冰舞动、绝缘子风偏、导地线振动、导线温度、绝缘子污秽度、杆塔倾斜等监测数据。各个厂家监测终端的通信接口多种多样，有RS232、RS485、以太网和微功率无线等，因此数据传输终端必须具备以下数据采集接口：（1）2路以太网接口，连接智能监测终端、摄像头等。（2）2路RS232/RS485自适应接口，连接各种监测终端。（3）1个微功率无线模块，连接具有微功率无线接口的监测终端。

2.3 AT91SAM9260处理器

AT91SAM9260是与基于ARM9的微控制器系列产品针脚兼容的产品[5]，具有丰富的系统与应用外设及标准接口，具备8 KB指令以及8 KB数据缓存，包含了8 KB SRAM以及32 KB ROM，在190 MHz时钟频率下运行时性能可达210 MIPS，从而为低功耗、低成本、高性能的应用提供一个单片解决方案。AT91SAM9260可以完成与应用所要求的片外存储器和内部存储器映射外设配置的无缝连接，同时集成了许多标准接口，包括USB 2.0全速主机和设备端口及与多数外设和在网络层广泛使用的10/100 Base-T以太网媒体访问控制器（MAC）。此外，它还提供一系列符合工业标准的外设，这些功能使得数据传输终端可以扩展丰富的接口和功能。为完善性能，AT91SAM9260集成了包括JTAG-ICE、专门UART调试通道（DBGU）及嵌入式的实时追踪的一系列调试功能，这使得数据传输终端的开发和调试极其方便。

2.4太阳能供电系统

由于数据传输终端放置在杆塔上，传统供电方式无法满足现场环境的需求，电源是一个突出的问题。高压输电线上取电存在绝缘隔离及电源干扰问题，难度较大。目前应用最多的供电方式是太阳能供电[6]，因此采用太阳能供电系统为塔上设备供电。太阳能供电系统选用模块化设计的独立系统，具有优异的稳定性。

2.5低功耗设计

终端采用太阳能供电的方式，在遇见较长的雨雪天气时可能存在供电不足的情况，因此需进一步降低终端的功耗。设计尽量选用低功耗器件，采用1.8 V的存储芯片，并将终端中的每一功能模块单独供电，通过使用多路电源控制降低功耗。处理器根据配置和工作情况动态控制终端中各个功能模块的供电和工作状态，可以分别使各个模块进入低功耗的休眠状态或停止工作的断电状态，从而实现终端整体的低功耗运行。

2.6终端硬件结构

本文设计的输电线路状态监测数据传输终端的硬件采用模块化设计，硬件功能框图如图2所示。

AT91SAM9260通过MII接口和交换芯片88E6095相连，可以提供2个千兆口和8个百兆口实现EPON和以太网通信。同时，AT91SAM9260可以提供多路串口连接GPRS/CDMA模块、WiFi模块及RS232/RS485电路。GPRS/CDMA模块、EPON接口和光纤以太网接口用于实现监测数据远传，RS232/RS485、以太网接口和微功率无线模块用于实现监测数据采集，WiFi模块用于监测点的无线覆盖，如果现场应用需要Wimax通信方式，可以采用通过以太网接口连接外置Wimax模块的方法实现。

图2数据传输终端硬件结构

3数据传输终端软件设计

3.1软件架构

数据传输终端的软件基于ARM Linux 2.6.19实现，由软件支撑平台、交换配置管理、应用软件和系统管理组成。

软件支撑平台包括 bootloader、ARM L inux 2.6.19及文件系统、各种外设驱动等，交换配置管理基于购买的中间件网络协议集ZebOS 7.7.1进行二次开发，应用软件完成终端的各项功能，系统管理完成系统时间的读取与设置、NTP协议的实现以及历史告警日志的保存与读取。终端提供串口CLI、Telnet CLI、WEB和SNMP的设备配置管理方式，对设备内各个功能模块使用统一的接口。

3.2 Linux操作系统

Linux具有内核小，效率高，源代码开放，内核直接提供网络支持等优点。但嵌入式系统的硬件资源毕竟有限，不能直接把Linux作为操作系统，需要针对具体的应用通过配置内核、裁减shell和嵌入式库对系统进行定制，使整个系统能够存放到容量较小的Flash中。

Linux的动态模块加载，使Linux的裁减极为方便，高度模块化的部件使添加非常容易，最重要的是使用Linux文件系统的数据传输终端可以方便地支持在线更新。

3.3终端软件功能

数据传输终端需要采集和存储不同监测设备的监测数据，并通过不同的通信组网方式和主站完成数据和指令的传输。终端软件主要完成以下功能。

（1）数据采集。采集现场各状态监测装置发送的数据，实现分散数据的集中。同时支持状态监测装置的自动采集方式与受控采集方式。

（2）数据通信。根据配置的组网通信方式，集中实现数据远程，不仅可以节省远程通信资源，而且可以为各状态监测装置屏蔽复杂的远程通信问题。在远程通道通信中断时缓存监测数据，在远处通信通道恢复时将缓存的历史监测数据上送主站。

（3）规约转换。根据配置的规约库完成数据的规约转换，可以接入不同厂家的监测数据并以统一的格式处理、存储和上传。

（4）低功耗控制。处理器动态控制终端中各个功能模块的供电和工作状态，可以使各个模块进入低功耗的休眠状态或停止工作的断电状态。

（5）其他功能。数据加密、参数配置、事件存储、在线升级和本地维护等。

4结束语

目前，单独采用EPON技术作为远程传输通道的试点项目已完成建设，运行良好。通过基于ARM

的输电线路状态监测数据传输终端，实现了分散数据的集中和远传，节省远程通信资源，而且可以为各状态监测装置屏蔽复杂的远程通信问题，从而实现了在输电线路特殊环境下各类状态监测数据在不同的通信组网方式中的标准化接入、安全接入和智能化接入，对于输电线路状态监测系统的建设具有重要的意义。

[1]王晓希.特高压输电线路状态监测技术的应用[J].电网技术，2007，31(22)：7-11.

[2]姜 海.用电信息采集系统远程通信方案[J].电力系统通信，2010，31(4)：14-17.

[3]高志欣，李志斌.OPGW在电力通信网中的应用[J].农村电气化，2006(10)：33-35.

[4]张 浩，宪 德，郭经红.EPON技术在用电信息采集系统中的应用[J].电力系统通信，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，陈伟根，等.输电线路状态监测系统取能电源的设计新原理[J].电力系统自动化，2008，32(1)：76-80.