王 瑋，黃在朝

(國(guó)網(wǎng)電力科學(xué)研究院信通所，江蘇南京211106)

輸電線路的可靠運(yùn)行對(duì)于電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定具有非常重要的意義。為充分保障輸電線路的可靠運(yùn)行，有必要采用狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)[1]。按照國(guó)網(wǎng)公司堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的工作安排，將依托生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)（PMS）建立和推廣輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，各類狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)。輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸終端是輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚和傳輸?shù)闹匾M成部分。需要設(shè)計(jì)一種統(tǒng)一的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸裝置，不僅能在局部范圍內(nèi)管理和協(xié)同各類輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置、匯集各類監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)，集中與主站系統(tǒng)進(jìn)行安全雙向數(shù)據(jù)通信，而且可跨專業(yè)、跨廠家甚至跨線路接入狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，實(shí)現(xiàn)在輸電線路特殊環(huán)境下各類狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化接入、安全接入和智能化接入。

輸電線路的可靠運(yùn)行對(duì)于電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定具有非常重要的意義。為充分保障輸電線路的可靠運(yùn)行，有必要采用狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)[1]。按照國(guó)網(wǎng)公司堅(jiān)強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)的工作安排，將依托生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)（PMS）建立和推廣輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，各類狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)集中存儲(chǔ)。輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸終端是輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)匯聚和傳輸?shù)闹匾M成部分。需要設(shè)計(jì)一種統(tǒng)一的狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸裝置，不僅能在局部范圍內(nèi)管理和協(xié)同各類輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置、匯集各類監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)，集中與主站系統(tǒng)進(jìn)行安全雙向數(shù)據(jù)通信，而且可跨專業(yè)、跨廠家甚至跨線路接入狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息，實(shí)現(xiàn)在輸電線路特殊環(huán)境下各類狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化接入、安全接入和智能化接入。

1監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信方式

1.1無(wú)線公網(wǎng)

國(guó)內(nèi)開(kāi)展輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)的應(yīng)用比較早，一般采用無(wú)線公網(wǎng)的通信方式。無(wú)線公網(wǎng)通信主要包括GPRS、CDMA、3G等[2]。隨著網(wǎng)絡(luò)的負(fù)荷越來(lái)越大，同時(shí)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量、實(shí)時(shí)性和安全性要求越來(lái)越高，無(wú)線公網(wǎng)的通信方式已經(jīng)很難滿足需求。

1.2光纖專網(wǎng)

輸電線路的狀態(tài)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位于各個(gè)輸電桿塔上，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主站需要和每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)建立通信，隨著光纖復(fù)合架空地線（OPGW）的廣泛使用[3]，利用光纖實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的傳輸成為發(fā)展的必由之路。光通信方式在通信容量、實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性等方面與其他通信方式相比具有較大優(yōu)勢(shì)，目前較常用的光通信技術(shù)包括無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（xPON）技術(shù)和光纖工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)。

xPON技術(shù)是一種點(diǎn)到多點(diǎn)的光纖接入技術(shù)，它由光線路終端（OLT）、光網(wǎng)絡(luò)單元（ONU）以及光分配網(wǎng)絡(luò)（ODN）組成[4]。以太網(wǎng)無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)（EPON）、吉比特?zé)o源光網(wǎng)絡(luò)（GPON）是目前xPON技術(shù)的主流方式。EPON技術(shù)成熟，已經(jīng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備芯片級(jí)和系統(tǒng)級(jí)互通，價(jià)格大幅度下降，公網(wǎng)已經(jīng)大規(guī)模部署。

光纖工業(yè)以太網(wǎng)是指在技術(shù)上與商業(yè)以太網(wǎng)（即IEEE802.3標(biāo)準(zhǔn)）兼容，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)能夠滿足工業(yè)控制現(xiàn)場(chǎng)的需要，也就是滿足實(shí)時(shí)性、可靠性、安全性以及安裝方便等要求的以太網(wǎng)。

1.3無(wú)線專網(wǎng)

由于不是每個(gè)桿塔上都有光纜接續(xù)盒可以融纖接入，因此光通信設(shè)備只能放置在有光纜接續(xù)盒的桿塔上。從各個(gè)桿塔上的監(jiān)測(cè)終端到光纜接續(xù)盒的這段距離，最方便的通信方式就是無(wú)線專網(wǎng)通信。在有光纜接續(xù)盒的桿塔上放置EPON設(shè)備和無(wú)線接入點(diǎn)，在沒(méi)有光纜接續(xù)盒的桿塔上放置無(wú)線接入客戶端，就可以通過(guò)無(wú)線信號(hào)的覆蓋實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)終端數(shù)據(jù)的接入。

WiFi技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，因此可以利用WiFi技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)輸電線路的無(wú)線覆蓋。無(wú)線專網(wǎng)還可以使用Wimax等技術(shù)。Wimax覆蓋范圍比WiFi大，但是設(shè)備相對(duì)昂貴。

1.4組網(wǎng)方式

運(yùn)用不同的通信技術(shù)，常用的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信組網(wǎng)方式有以下幾種：（1）無(wú)線公網(wǎng)方式；（2）EPON+WiFi/Wimax方式；（3）工業(yè)以太網(wǎng)交換機(jī)+WiFi/Wimax 方式；（4）Wimax+WiFi方式。

不同的通信組網(wǎng)方式使用不同的通信設(shè)備，同一測(cè)量點(diǎn)甚至需要準(zhǔn)備多種通信設(shè)備，因此需要設(shè)計(jì)一種統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸終端，集中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信，不僅可以節(jié)省遠(yuǎn)程通信資源，而且可以為各狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置屏蔽復(fù)雜的遠(yuǎn)程通信問(wèn)題。

使用了統(tǒng)一的數(shù)據(jù)傳輸終端的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2數(shù)據(jù)傳輸終端硬件設(shè)計(jì)

2.1遠(yuǎn)程通信及加密功能

針對(duì)不同的通信組網(wǎng)方式，數(shù)據(jù)傳輸終端需要具有以下通信接口和模塊以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸：（1）2路工業(yè)以太網(wǎng)光接口，滿足光纖工業(yè)以太網(wǎng)的通信要求。（2）1路無(wú)源光網(wǎng)絡(luò)ONU接口，滿足EPON的通信要求。（3）1個(gè)無(wú)線公網(wǎng)模塊，可以根據(jù)需求安裝GPRS或CDMA等無(wú)線公網(wǎng)通信模塊。（4）1個(gè)WiFi模塊，用于實(shí)現(xiàn)全部監(jiān)測(cè)點(diǎn)的無(wú)線覆蓋。

在無(wú)線通信中，為保證數(shù)據(jù)的安全性，終端應(yīng)具有對(duì)所有數(shù)據(jù)進(jìn)行加密和解密的功能，加密和解密都采用USB連接硬件加密模塊的方式實(shí)現(xiàn)。

2.2數(shù)據(jù)采集功能

數(shù)據(jù)傳輸終端可以通過(guò)監(jiān)測(cè)終端取得輸電線路的各項(xiàng)狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，主要包括線路圖像視頻、微氣象、導(dǎo)線覆冰舞動(dòng)、絕緣子風(fēng)偏、導(dǎo)地線振動(dòng)、導(dǎo)線溫度、絕緣子污穢度、桿塔傾斜等監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。各個(gè)廠家監(jiān)測(cè)終端的通信接口多種多樣，有RS232、RS485、以太網(wǎng)和微功率無(wú)線等，因此數(shù)據(jù)傳輸終端必須具備以下數(shù)據(jù)采集接口：（1）2路以太網(wǎng)接口，連接智能監(jiān)測(cè)終端、攝像頭等。（2）2路RS232/RS485自適應(yīng)接口，連接各種監(jiān)測(cè)終端。（3）1個(gè)微功率無(wú)線模塊，連接具有微功率無(wú)線接口的監(jiān)測(cè)終端。

2.3 AT91SAM9260處理器

AT91SAM9260是與基于ARM9的微控制器系列產(chǎn)品針腳兼容的產(chǎn)品[5]，具有豐富的系統(tǒng)與應(yīng)用外設(shè)及標(biāo)準(zhǔn)接口，具備8 KB指令以及8 KB數(shù)據(jù)緩存，包含了8 KB SRAM以及32 KB ROM，在190 MHz時(shí)鐘頻率下運(yùn)行時(shí)性能可達(dá)210 MIPS，從而為低功耗、低成本、高性能的應(yīng)用提供一個(gè)單片解決方案。AT91SAM9260可以完成與應(yīng)用所要求的片外存儲(chǔ)器和內(nèi)部存儲(chǔ)器映射外設(shè)配置的無(wú)縫連接，同時(shí)集成了許多標(biāo)準(zhǔn)接口，包括USB 2.0全速主機(jī)和設(shè)備端口及與多數(shù)外設(shè)和在網(wǎng)絡(luò)層廣泛使用的10/100 Base-T以太網(wǎng)媒體訪問(wèn)控制器（MAC）。此外，它還提供一系列符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的外設(shè)，這些功能使得數(shù)據(jù)傳輸終端可以擴(kuò)展豐富的接口和功能。為完善性能，AT91SAM9260集成了包括JTAG-ICE、專門UART調(diào)試通道（DBGU）及嵌入式的實(shí)時(shí)追蹤的一系列調(diào)試功能，這使得數(shù)據(jù)傳輸終端的開(kāi)發(fā)和調(diào)試極其方便。

2.4太陽(yáng)能供電系統(tǒng)

由于數(shù)據(jù)傳輸終端放置在桿塔上，傳統(tǒng)供電方式無(wú)法滿足現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的需求，電源是一個(gè)突出的問(wèn)題。高壓輸電線上取電存在絕緣隔離及電源干擾問(wèn)題，難度較大。目前應(yīng)用最多的供電方式是太陽(yáng)能供電[6]，因此采用太陽(yáng)能供電系統(tǒng)為塔上設(shè)備供電。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)選用模塊化設(shè)計(jì)的獨(dú)立系統(tǒng)，具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。

2.5低功耗設(shè)計(jì)

終端采用太陽(yáng)能供電的方式，在遇見(jiàn)較長(zhǎng)的雨雪天氣時(shí)可能存在供電不足的情況，因此需進(jìn)一步降低終端的功耗。設(shè)計(jì)盡量選用低功耗器件，采用1.8 V的存儲(chǔ)芯片，并將終端中的每一功能模塊單獨(dú)供電，通過(guò)使用多路電源控制降低功耗。處理器根據(jù)配置和工作情況動(dòng)態(tài)控制終端中各個(gè)功能模塊的供電和工作狀態(tài)，可以分別使各個(gè)模塊進(jìn)入低功耗的休眠狀態(tài)或停止工作的斷電狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)終端整體的低功耗運(yùn)行。

2.6終端硬件結(jié)構(gòu)

本文設(shè)計(jì)的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸終端的硬件采用模塊化設(shè)計(jì)，硬件功能框圖如圖2所示。

AT91SAM9260通過(guò)MII接口和交換芯片88E6095相連，可以提供2個(gè)千兆口和8個(gè)百兆口實(shí)現(xiàn)EPON和以太網(wǎng)通信。同時(shí)，AT91SAM9260可以提供多路串口連接GPRS/CDMA模塊、WiFi模塊及RS232/RS485電路。GPRS/CDMA模塊、EPON接口和光纖以太網(wǎng)接口用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳，RS232/RS485、以太網(wǎng)接口和微功率無(wú)線模塊用于實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集，WiFi模塊用于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的無(wú)線覆蓋，如果現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用需要Wimax通信方式，可以采用通過(guò)以太網(wǎng)接口連接外置Wimax模塊的方法實(shí)現(xiàn)。

圖2數(shù)據(jù)傳輸終端硬件結(jié)構(gòu)

3數(shù)據(jù)傳輸終端軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件架構(gòu)

數(shù)據(jù)傳輸終端的軟件基于ARM Linux 2.6.19實(shí)現(xiàn)，由軟件支撐平臺(tái)、交換配置管理、應(yīng)用軟件和系統(tǒng)管理組成。

軟件支撐平臺(tái)包括 bootloader、ARM L inux 2.6.19及文件系統(tǒng)、各種外設(shè)驅(qū)動(dòng)等，交換配置管理基于購(gòu)買的中間件網(wǎng)絡(luò)協(xié)議集ZebOS 7.7.1進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，應(yīng)用軟件完成終端的各項(xiàng)功能，系統(tǒng)管理完成系統(tǒng)時(shí)間的讀取與設(shè)置、NTP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)以及歷史告警日志的保存與讀取。終端提供串口CLI、Telnet CLI、WEB和SNMP的設(shè)備配置管理方式，對(duì)設(shè)備內(nèi)各個(gè)功能模塊使用統(tǒng)一的接口。

3.2 Linux操作系統(tǒng)

Linux具有內(nèi)核小，效率高，源代碼開(kāi)放，內(nèi)核直接提供網(wǎng)絡(luò)支持等優(yōu)點(diǎn)。但嵌入式系統(tǒng)的硬件資源畢竟有限，不能直接把Linux作為操作系統(tǒng)，需要針對(duì)具體的應(yīng)用通過(guò)配置內(nèi)核、裁減shell和嵌入式庫(kù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定制，使整個(gè)系統(tǒng)能夠存放到容量較小的Flash中。

Linux的動(dòng)態(tài)模塊加載，使Linux的裁減極為方便，高度模塊化的部件使添加非常容易，最重要的是使用Linux文件系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸終端可以方便地支持在線更新。

3.3終端軟件功能

數(shù)據(jù)傳輸終端需要采集和存儲(chǔ)不同監(jiān)測(cè)設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并通過(guò)不同的通信組網(wǎng)方式和主站完成數(shù)據(jù)和指令的傳輸。終端軟件主要完成以下功能。

（1）數(shù)據(jù)采集。采集現(xiàn)場(chǎng)各狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)分散數(shù)據(jù)的集中。同時(shí)支持狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置的自動(dòng)采集方式與受控采集方式。

（2）數(shù)據(jù)通信。根據(jù)配置的組網(wǎng)通信方式，集中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程，不僅可以節(jié)省遠(yuǎn)程通信資源，而且可以為各狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置屏蔽復(fù)雜的遠(yuǎn)程通信問(wèn)題。在遠(yuǎn)程通道通信中斷時(shí)緩存監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，在遠(yuǎn)處通信通道恢復(fù)時(shí)將緩存的歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上送主站。

（3）規(guī)約轉(zhuǎn)換。根據(jù)配置的規(guī)約庫(kù)完成數(shù)據(jù)的規(guī)約轉(zhuǎn)換，可以接入不同廠家的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并以統(tǒng)一的格式處理、存儲(chǔ)和上傳。

（4）低功耗控制。處理器動(dòng)態(tài)控制終端中各個(gè)功能模塊的供電和工作狀態(tài)，可以使各個(gè)模塊進(jìn)入低功耗的休眠狀態(tài)或停止工作的斷電狀態(tài)。

（5）其他功能。數(shù)據(jù)加密、參數(shù)配置、事件存儲(chǔ)、在線升級(jí)和本地維護(hù)等。

4結(jié)束語(yǔ)

目前，單獨(dú)采用EPON技術(shù)作為遠(yuǎn)程傳輸通道的試點(diǎn)項(xiàng)目已完成建設(shè)，運(yùn)行良好。通過(guò)基于ARM

的輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳輸終端，實(shí)現(xiàn)了分散數(shù)據(jù)的集中和遠(yuǎn)傳，節(jié)省遠(yuǎn)程通信資源，而且可以為各狀態(tài)監(jiān)測(cè)裝置屏蔽復(fù)雜的遠(yuǎn)程通信問(wèn)題，從而實(shí)現(xiàn)了在輸電線路特殊環(huán)境下各類狀態(tài)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在不同的通信組網(wǎng)方式中的標(biāo)準(zhǔn)化接入、安全接入和智能化接入，對(duì)于輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的建設(shè)具有重要的意義。

[1]王曉希.特高壓輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)的應(yīng)用[J].電網(wǎng)技術(shù)，2007，31(22)：7-11.

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[6]李先志，杜 林，陳偉根，等.輸電線路狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)取能電源的設(shè)計(jì)新原理[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2008，32(1)：76-80.