文 軍,何 為,譙小艷,李 羅,胡澤文

(1.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室(重慶大學）,重慶 400044;2.四川省電力公司達州供電局,四川達州 635000）

基于嵌入式系統(tǒng)的輸電線舞動在線監(jiān)測系統(tǒng)

文 軍1,何 為1,譙小艷2,李 羅1,胡澤文1

(1.輸配電裝備及系統(tǒng)安全與新技術國家重點實驗室(重慶大學）,重慶 400044;2.四川省電力公司達州供電局,四川達州 635000）

本文研究了一套基于嵌入式系統(tǒng)的輸電線舞動在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計原理與實現(xiàn),該系統(tǒng)是由 USB攝像頭,嵌入式計算機系統(tǒng)和GPRS模塊構成。在嵌入式計算機系統(tǒng)中實現(xiàn)了嵌入式 Linux的裁減,定制和移植,并在此基礎上實現(xiàn)了基于 Qtopia的應用監(jiān)測程序的編寫。該監(jiān)測系統(tǒng)是以嵌入式計算機為載體,以 USB攝像頭采集到的圖像數(shù)據(jù)為基礎。實現(xiàn)了基于無線 GPRS的電力設備的輸電線的遠程實時在線監(jiān)測。

輸電線舞動;嵌入式計算機;USB攝像頭;無線 GPRS

引言

輸電導線舞動是偏心導線在風激勵下產(chǎn)生的一種低頻、大振幅自激振蕩。其振動頻率通常為 0.1～3Hz,其振幅為導線直徑的 5～300倍。近幾年,架空輸電線舞動的現(xiàn)象頻繁發(fā)生,據(jù)現(xiàn)有資料統(tǒng)計,自 1957年至今,我國共發(fā)生舞動約為 70次,涉及10、35、44、66、110、220、500kV等幾乎所有電壓等級的輸電線。導線舞動一旦形成,持續(xù)時間一般可達數(shù)小時,對高壓輸電線路具有極大的破壞作用,從而威脅到輸電線路的安全運行。導線舞動對桿塔、導線、金具及部件的損害,會造成線路頻繁跳閘與停電,對輸電線路安全運行的危害非常大,而且會造成重大的經(jīng)濟損失和社會影響[1]。尤其嚴重的是2008年南方雪災對電網(wǎng)造成了近 200億元的損失,其中由于線路舞動造成的損失占了很大的比例。輸電線舞動監(jiān)控能夠?qū)旊娋€路的安全起到非常關鍵的作用,能夠在輸電線路發(fā)生大舞動、發(fā)生斷線停電等大事故以前及時發(fā)現(xiàn)并對線路進行處理,避免造成重大的損失。但是目前的監(jiān)測大多是基于 PC機完成的,價格昂貴,體積龐大。

嵌入式計算機具有體積小、功耗低、穩(wěn)定性好、可靠性強、處理能力強、成本低廉等特點,而且嵌入式系統(tǒng)的圖形操作界面也越來越成熟,因此把嵌入式計算機系統(tǒng)運用到輸電線舞動在線監(jiān)測系統(tǒng)中具有現(xiàn)實可行的意義[2]。

1 輸電線舞動在線監(jiān)測系統(tǒng)的設計

工作原理:本系統(tǒng)主要是由 USB攝像頭、基于AT91RM9200為核心的嵌入式計算機系統(tǒng)和無線GPRS模塊構成。通過將 USB攝像頭采集到的圖像傳入到嵌入式計算機中,然后對圖像進行壓縮處理,并在嵌入式計算機的 LCD上進行顯示。同時,通過在嵌入式計算機中的應用軟件對此圖像進行分析、處理,計算得出輸電導線偏離桿塔的角度,當此時的角度大于預先設定好的安全角度時,就會發(fā)出預警信號到手機上,從而運行人員就能夠?qū)Υ藯l線路進行處理。

在遠程監(jiān)護中,數(shù)據(jù)通信是非常重要的組成部分。而 GPRS是目前解決移動通信服務的一種完美的業(yè)務,它以數(shù)據(jù)流量計費、覆蓋范圍廣泛、數(shù)據(jù)傳輸速度快等優(yōu)點而得到了廣泛的應用。GPRS是在GSM的基礎上引入了分組控制單元(PCU）、服務支持節(jié)點(SGSN）和網(wǎng)關支持節(jié)點(GGSN）等新部件而構成的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng),其用戶能夠在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)選用西門子公司的 GPRS模塊來傳送預警信號或者輸電導線的擺動角度,GPRS的原理框圖如圖 2所示。GPRS無線模塊作為 GPRS終端的無線收發(fā)模塊,把從 TCP/IP模塊接收 TCP/IP包和從基站接收的 GPRS分組數(shù)據(jù)進行相應的協(xié)議處理后再轉(zhuǎn)發(fā)[3,4]。

圖 1 輸電線舞動在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構框圖Fig.1 Schematic diagram of on-line system for monitoring galloping of transmission line

圖 2 GPRS模塊原理框圖Fig.2 Block diagram of GPRSmodule

2 嵌入式系統(tǒng)的設計

為使輸電線舞動在線監(jiān)測系統(tǒng)具有低功耗等特點,并能提供實時的可視化圖像,本系統(tǒng)采用了基于ARM9的嵌入式計算機平臺,自主研發(fā)的嵌入式計算機主板實物圖如圖 3所示。

圖 3 嵌入式計算機主板Fig.3 Core board ofembedded computer

工作原理:嵌入式系統(tǒng)是由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)構成。嵌入式系統(tǒng)硬件部分的核心部分就是嵌入式處理器,在此選用 AT91RM 9200。嵌入式軟件部分一般來說是由嵌入式操作系統(tǒng)和應用軟件兩部分組成。軟件又可以分成啟動代碼(bootloader）、操作系統(tǒng)內(nèi)核與驅(qū)動、文件系統(tǒng)、圖形界面和應用程序等幾部分[5]。當整個系統(tǒng)上電運行時,AT91RM 9200首先運行固化在 32M中的 bootloader程序,把 64M中的 Linux內(nèi)核搬移到 64M內(nèi)存中運行,完成嵌入式內(nèi)核的啟動,完成對 U盤的掛接和 Qtopia文件系統(tǒng)的啟動,然后進入到嵌入式 Qtopia的用戶界面[6]。

3 USB攝像頭的視頻圖像采集

要實現(xiàn)此監(jiān)測系統(tǒng)圖像的采集是非常重要的,將它分為兩個部分:USB攝像頭驅(qū)動的移植和圖像采集。

3.1 USB攝像頭驅(qū)動的移植

要使舞動監(jiān)測系統(tǒng)中的 USB攝像頭正常工作必須提供設備驅(qū)動,設備驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件之間的接口。設備驅(qū)動程序屏蔽了硬件的細節(jié),這樣在應用程序看來,硬件設備只是一個設備文件,應用程序可以像操作普通文件一樣對硬件設備進行操作。為了縮短開發(fā)時間,本文選擇了在 Linux的系統(tǒng)平臺上移植了流行的攝像頭驅(qū)動 spca5xx,主要的操作步驟如下:

(1）對 Linux-2.4.27-vrs1-ATMEL內(nèi)核打上補丁,拷貝 usb-2.4.31.patch.gz到/Linux-2.4.27/drivers/usb,將其解壓,打上補丁。

(2）重新配置 Linux內(nèi)核,在 Linux內(nèi)核的 USB support-＞USB Multimedia devices中,配置 USBSPCA5XX Sunplus Vimocro Sonix Cameras為 module,讓Linux內(nèi)核支持 usb-ohci和 video for Linux(v4l）。

(3）重新編譯 Linux內(nèi)核:make clean、make dep、make zImage、make modules,在 /Linux-2.4.27/drivers/usb/spca5xx目錄下,可以得到 USB攝像頭的驅(qū)動:spca5xx.o。

(4）拷貝 spca5xx.o到嵌入式 Linux的文件系統(tǒng)的/usr/lib中,在啟動腳本 rcS中添加:insmod/usr/lib/spca5xx.o,這樣在 Linux系統(tǒng)啟動的時候就會自動加載 USB攝像頭驅(qū)動。在 USB攝像頭被識別以后,就可以通過應用程序?qū)崿F(xiàn)圖像的采集。

3.2 圖像的采集

Linux下視頻圖像的截取有兩種方法:一種是Read(）直接讀取;另外一種 mmap(）內(nèi)存映射。Read(）通過內(nèi)核緩沖區(qū)來讀取數(shù)據(jù);而 mmap(）通過把設備文件映射到內(nèi)存中,繞過了內(nèi)核緩沖區(qū),最快的磁盤訪問往往還是慢于最慢的內(nèi)存訪問,所以mmap(）方式加速了 I/O訪問。另外,mmap(）系統(tǒng)調(diào)用使得進程之間通過映射同一文件實現(xiàn)共享內(nèi)存,各個進程可以像訪問普通內(nèi)存一樣對文件進行訪問,訪問時只需要使用指針而不用調(diào)用文件操作函數(shù)[7,8]?；?mmap(）的以上優(yōu)點,所以在程序?qū)崿F(xiàn)中采用了內(nèi)存映射方式,即 mmap(）方式。采集圖像數(shù)據(jù)的流程圖如圖 4所示。

圖 4 采集圖像數(shù)據(jù)的流程圖Fig.4 Flow diagram of image data acquisition

4 基于 Q topia的輸電線舞動監(jiān)測系統(tǒng)的應用軟件設計

本文設計的輸電線舞動監(jiān)測系統(tǒng)采用了多線程的結(jié)構,主線程的主要任務是完成圖形界面用戶接口的響應,數(shù)據(jù)采集線程的主要任務是采集圖像數(shù)據(jù),采集完成后發(fā)送消息給主線程進行圖形化顯示,當圖像采集完成以后,根據(jù)采集到的圖像數(shù)據(jù)分析、計算出此時輸電導線偏離桿塔的角度,將此角度與開始設定好的安全角度作比較,如果大于此安全角度,則通過 GPRS模塊把預警信號發(fā)送到手機上,從而運行人員可以對此條線路進行處理,當然運行人員也可以通過手機發(fā)送短信到 GPRS模塊對此線路的擺動角度進行實時的查詢。整個流程圖如圖 5所示。

圖 5 系統(tǒng)軟件流程圖Fig.5 Flow diagram of system software

5 數(shù)據(jù)的傳輸與實現(xiàn)

該監(jiān)測系統(tǒng)除了能給運行人員發(fā)送預警短信以外,運行人員也可以通過發(fā)送短信到無線 GPRS模塊進行實時的查詢當前輸電導線的擺動角度。當運行人員發(fā)送短信以后,嵌入式計算機首先打開連接在串口 1上的 GPRS模塊,對 GPRS模塊進行初始化設置,當 GPRS模塊與手機建立連接后,通過 AT指令可以對 GPRS模塊進行控制,同時也可以進入到發(fā)送角度的流程。嵌入式計算機系統(tǒng)將收到的圖像數(shù)據(jù)進行分析、處理后,一方面在本地實現(xiàn)圖像的顯示,同時將這些數(shù)據(jù)通過串口 1發(fā)送出去。對于嵌入式計算機而言,因為是在全透明的模式下進行數(shù)據(jù)通信,這種模式下的數(shù)據(jù)通信完全等同于 PC機直接與手機進行串口通信,但是具體的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程卻是通過 GPRS模塊對數(shù)據(jù)進行再次的封裝打包,通過 GPRS網(wǎng)絡,再發(fā)送到手機上。數(shù)據(jù)通信流程如圖 6所示。

圖 6 數(shù)據(jù)通信流程圖Fig.6 Flow diagram of data communication

6 掛網(wǎng)實驗數(shù)據(jù)

2008年 12月 29日天氣:

溫度:11～ 15攝氏度;白天:陰;夜間 :陰 ,小雨 ;北風 1～2級。

江津市 110千伏雙溪線 11～12#:

跨距:683米

呼高:15m,21m

弧垂:15m

2008年 12月 29日10時起連續(xù)采集的 48個數(shù)據(jù)如圖 7所示。

7 結(jié)論

圖 7 2008年 12月 29日 10時起連續(xù)采集的 48個數(shù)據(jù)Fig.7 48 consecutive data since 10:00 12.29 2008

本文研究了嵌入式系統(tǒng)的硬件和軟件組成,基于嵌入式計算機系統(tǒng)下的 USB圖像采集。在此基礎之上研究了通過嵌入式系統(tǒng)對輸電線舞動進行遠程的實時在線監(jiān)測的系統(tǒng)。目前已經(jīng)完成了基于嵌入式計算機的線路舞動監(jiān)測系統(tǒng)的樣機的研制。該系統(tǒng)具有方便、靈活、成本低、體積小、功能強大等特點,使得監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的市場前景,隨著嵌入式計算機系統(tǒng)監(jiān)護終端的完善,把嵌入式遠程終端運用在線路舞動監(jiān)測系統(tǒng)中具有非?，F(xiàn)實可行的意義。此系統(tǒng)可以很好地防止舞動所引起的事故的發(fā)生,減少國民經(jīng)濟的損失,對我國的電力事業(yè)的發(fā)展起著重要的促進作用。

References）:

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On-line system for monitoring galloping of transm ission line based on embedded system

WEN Jun1,HEWei1,QIAO Xiao-yan2,LILuo1,HU Ze-wen1
(1.State Key Lab.of Power Transmission Equipment＆System Security and New Technology(Chongqing University）,Chongqing 400044,China;2.Dazhou Power Supply Bureau,Sichuan Electric Power Company,Dazhou 635000,China）

An on-line system formonitoring galloping of transmission line based on embedded system is presented.It consists of USB camera,embedded computer and GPRSmodule.In the system embedded system Linux is cut down,customized and ported into the embedded system,for which themonitor software based on Qtopia is alsodeveloped.The system isbased on the image data of USB camera acquisition,and using embedded computerasbaseplate.The system can tele-monitor the transmission lines of power equipment through GPRS.

galloping of transmission line;embedded computer;USB camera;wireless GPRS

TM769

A

1003-3076(2010）01-0071-05

2009-04-09

文 軍 (1983-）,男,重慶籍,碩士研究生,研究方向:嵌入式計算機系統(tǒng)在電力設備中的應用;

何 為 (1957-）,男,重慶籍,教授,博士,主攻嵌入式計算機在電力設備及其在醫(yī)療中的應用。