劉家軍，劉超，王睿

（西安理工大學水利水電學院，陜西西安 710048）

電力線路停電檢修掛接地線監(jiān)測單元的研制

劉家軍，劉超，王睿

（西安理工大學水利水電學院，陜西西安 710048）

掛接地線是電力停電檢修作業(yè)保障人員及設(shè)備安全的重要環(huán)節(jié)。針對電力線路停電檢修作業(yè)掛接地線時常產(chǎn)生誤掛的情況，設(shè)計了一種基于高性能的32位ARM處理器STM32F103ZET6為控制核心，結(jié)合超聲波測距、數(shù)據(jù)通信等技術(shù)于一體的電力檢修作業(yè)掛接地線監(jiān)測單元。軟件上配合μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用，實現(xiàn)了地線掛接狀態(tài)及接地狀態(tài)的實時遠方監(jiān)測，可有效防止掛接地線誤送電等事故發(fā)生，為現(xiàn)場作業(yè)人員的安全防護提供安全保障。

電力檢修作業(yè)；掛接地線；ARM；μC/OS-II；接地檢測

電力線路的安全是保證電力系統(tǒng)正常運行的條件之一，而電力線路的安全與否，在一定意義上取決于線路的日常維護管理。接地線是從事線路維護、檢修工作的一種安全工具，可防止線路殘壓以及突然來電對檢修人員及設(shè)備造成危害。但是傳統(tǒng)的接地線監(jiān)測單元功能簡單，易受干擾，通訊串口比較少，而且人為因素比較多，這樣就給工作人員帶來不便，比如要用按鍵觸發(fā)才能發(fā)送采集信息[1-2]。因此，目前的掛接地線監(jiān)測單元在可靠性、實時性及工作效率等方面都不能滿足需要，存在著很大的漏洞和誤操作等安全隱患。

針對以上問題，本文開發(fā)了一種基于ARM嵌入式系統(tǒng)的電力線路停電檢修作業(yè)掛接地線監(jiān)測單元。該單元采用了高性能的32位ARM處理器，有效提高了監(jiān)測單元的數(shù)據(jù)處理速度；軟件上結(jié)合μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用，使得掛接地線監(jiān)測單元整體運行的實時性和可靠性得到了大大的提高。再配合超聲波測距模塊、攝像頭模塊、GPS定位模塊、TR800通信模塊以及地線接地檢測等模塊可以實現(xiàn)對接地線掛接狀態(tài)和接地狀況進行實時、高效、可靠的監(jiān)控。

1 監(jiān)測單元總體設(shè)計方案及工作原理

該單元主要由處理器、GPRS通信模塊、接地檢測模塊、顯示與鍵盤輸入模塊等如圖1所示模塊組成；處理器采用ARM芯片STM32F103ZET6，完成對各個模塊的控制、數(shù)據(jù)處理以及模塊之間的配合，從而實現(xiàn)掛接地線監(jiān)測單元的整體功能。該單元的硬件設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 單元硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Block diagram of unit hardware structure

其工作原理與判據(jù)如下：當進行線路停電檢修作業(yè)時，將該單元安裝在便攜式接地線的絕緣桿上并掛接于檢修線路上，由于電力線路上方除了輸電線路沒有其他物體，因此利用超聲波測距模塊測量單元與輸電線路之間的距離，當測得的距離到達一穩(wěn)定值并在一段時間保持不變（考慮到實際情況中風引起的晃動，允許小幅度變動），就可以判定接地線已成功掛接在線路上；當測得的距離值由之前的穩(wěn)定值開始逐漸變大，并持續(xù)一段時間后，此時就可以判定接地線已經(jīng)拆除。在檢測接地線掛接狀態(tài)的同時，利用接地檢測模塊采集接地線的接地信息并傳遞給接地線監(jiān)測單元實現(xiàn)接地判定。在該單元中還設(shè)計了一個微型攝像頭，拍攝作業(yè)現(xiàn)場的圖片，在發(fā)送地線掛接及接地信息的同時將圖片數(shù)據(jù)發(fā)往調(diào)度中心，大大提高了地線狀態(tài)監(jiān)測的可靠性；并通過GPS定位獲取掛接地線的位置信息[3-5]。

2 監(jiān)測單元的硬件設(shè)計

2.1 主處理器模塊

硬件電路的設(shè)計以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F103ZET6處理器為控制核心。它是由意法半導體公司推出的一款低功耗的增強型32位微處理器，其工作頻率為72 MHz，具有高達512 kB的FLASH存儲器和64 kB RAM內(nèi)存，運行μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)的應(yīng)用程序綽綽有余；采用的是ARM V7架構(gòu)，不但支持Thumb-2指令集，并且擁有許多新特性，與ARM7 TDMI相比，Cortex-M3具有性能更強、代碼密度更高、成本及功耗低、可嵌套中斷以及位帶操作等眾多優(yōu)勢[6]。其外設(shè)豐富、開發(fā)簡單、價格低等特點，特別適合工業(yè)產(chǎn)品控制。

2.2 接地檢測模塊

如果接地線僅僅掛接在檢修線路上而沒有可靠地接地，同樣起不到保護的作用，因此本次設(shè)計加入了接地線接地檢測的功能。接地檢測模塊主要由壓力傳感器模塊和短距離無線通信模塊組成，由于其通信距離在10 m左右且是點對點的通信，因此最終選用藍牙無線通信方式，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。其工作原理如下：當接地線與接地樁進行連接時，首先由壓力傳感器采集其連接處的壓力值，經(jīng)轉(zhuǎn)換處理后再通過藍牙無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳遞給接地線監(jiān)測單元進行接地狀態(tài)判定，從而實現(xiàn)接地檢測的功能[7-8]。

圖2 接地檢測模塊結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Structure diagram of grounding detection module

由于該設(shè)計中的壓力傳感器采集的壓力信號需進行處理后再進行無線數(shù)據(jù)傳輸，因此所選藍牙模塊需要有CPU單元以及模數(shù)轉(zhuǎn)換電路。通過對比發(fā)現(xiàn)，以CC2540芯片為核心的藍牙模塊能夠滿足以上功能。CC2540集成一個工業(yè)標準的增強型8051微控制器，具有8 kB采用超低功耗技術(shù)的SRAM和256 kB的Flash，包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）及32 kHz晶振。CC2540采用藍牙V4.0版本規(guī)范，最大傳輸距離可達100 m，支持無線串口透傳技術(shù)，采用較少的外圍電路即可實現(xiàn)信號的處理及通信收發(fā)功能[8]。

2.2.1 壓力數(shù)據(jù)采集及發(fā)送電路設(shè)計

壓力數(shù)據(jù)采集及發(fā)送電路主要由藍牙從機模塊和壓力傳感器組成，其連接原理圖如圖3所示。該部分安裝在接地夾處由電池單獨供電。其中壓力傳感器采用FSR402型傳感器，當其表面受到擠壓時，其輸出電阻值會隨表面受的壓力增大而減小，從而獲取壓力信息。

其中，將CC2540藍牙模塊具有A/D轉(zhuǎn)換功能的A0端口與壓力傳感器的電壓信號輸出端相連，由于A0端口的測量范圍為0～3.3 V，因此為了保證壓力傳感器測得最大壓力時輸出的電壓不超過3.3 V，在傳感器信號輸出端與A0端口之間加入了電壓跟蹤放大器進行隔離，并且加入了10 kΩ的分壓電阻進行分壓。

圖3 壓力數(shù)據(jù)采集及發(fā)送電路Fig.3 Pressure data acquisition and transmission circuit

2.2.2 監(jiān)測單元與藍牙主機模塊的連接電路

藍牙主機模塊負責接收藍牙從機發(fā)送過來的壓力信息并通過串口傳遞給接地線監(jiān)測單元，實現(xiàn)接地狀態(tài)的判定。藍牙主機模塊的串口與ARM處理器的串口3相連，其連接示意圖如圖4所示。

圖4 單元與藍牙主機模塊的連接示意圖Fig.4 Schematic diagram of connection of unit and Bluetooth host module

2.3 其他模塊

圖像采集模塊選用的是ZSV-01P串口攝像頭，具有RS232和RS485接口，內(nèi)含有圖像JPEG壓縮功能，工作電壓為直流4.5～5.5 V。由于該攝像頭內(nèi)置了圖像采集的指令庫及數(shù)據(jù)協(xié)議，因此可以直接通過串口對攝像頭進行控制操作及數(shù)據(jù)的傳輸。

通信模塊選用的是IWOW公司的TR800無線模塊，它支持4個頻段（GSM850、EGSM900、DCS1800、PCS1900），具有標準的AT指令集接口，同時也兼容ESTI GSM Phase2+的標準，正常的工作電壓在3.4～5.5 V之間，而且其體積小巧、功耗低，非常適合電池供電的應(yīng)用[9-10]。TR800在正常工作時，即可實現(xiàn)通訊功能，如打電話、發(fā)送短信等，滿足本單元所采集的各類信息在GPRS網(wǎng)絡(luò)下實時發(fā)送的要求。

GPS模塊型號為U-BLOX6，其體積小，集成度高，硬件簡單，定位速度極快，在30～40 s內(nèi)便可完成搜星任務(wù)；而且采用了u-blox最新的微弱信號獲取技術(shù)，可以使采用這種模塊的設(shè)備在各種惡劣條件下都能獲得最佳的定位性能[11]。該模塊內(nèi)部集成了標準的NMEA0183協(xié)議和UBX二進制協(xié)議，大大降低了u-blox6的開發(fā)難度，通過UART串口與ARM芯片相連接，就可以實現(xiàn)GPS與ARM處理器的簡單通信，獲取掛接地線的位置信息。

3 監(jiān)測單元的軟件開發(fā)

由于掛接地線在電力線路停電檢修作業(yè)時對保障檢修人員及設(shè)備安全起著至關(guān)重要的作用，因此對掛接地線監(jiān)測單元的可靠性要求非常高。在進行監(jiān)測單元設(shè)計時，不僅要從硬件設(shè)計方面提高其信號抗干擾能力，還要從軟件方面提高其可靠性。針對硬件電路以ARM處理器為控制核心，軟件上配合使用嵌入式操作系統(tǒng)可有效提高單元運行的實時性及可靠性。根據(jù)本次系統(tǒng)設(shè)計要求，該單元最終選用μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)[12-13]。

接地線監(jiān)測單元軟件設(shè)計的工作主要是μC/OS-II操作系統(tǒng)的移植以及用戶應(yīng)用程序的開發(fā)。根據(jù)嵌入式操作系統(tǒng)編程的特點以及監(jiān)測單元所要實現(xiàn)的功能，應(yīng)用程序采用了多任務(wù)的設(shè)計方法，如圖5所示，將整個與用戶相關(guān)的應(yīng)用程序模塊劃分為圖像采集與處理、溫度測量（進行溫度報警，防止溫度過高影響器件的正常工作）、地線狀態(tài)監(jiān)測、按鍵輸入、短信發(fā)送、GPS定位、異常事件處理、GPRS數(shù)據(jù)通訊等用戶任務(wù)模塊。

圖5 軟件結(jié)構(gòu)示意圖Fig.5 Sketch map of the software structure

3.1 主程序

如圖6所示，當系統(tǒng)開始運行時，首先對硬件及軟件進行相關(guān)初始化設(shè)置，其次創(chuàng)建消息隊列、消息郵箱等通信方式以完成任務(wù)間的通信，再次根據(jù)要求創(chuàng)建相應(yīng)任務(wù)，分配任務(wù)堆棧及任務(wù)優(yōu)先級的大小，并將所有創(chuàng)建的任務(wù)置為就緒態(tài)，等待任務(wù)的執(zhí)行，最后啟動多任務(wù)調(diào)度，程序?qū)膬?yōu)先級最高的任務(wù)開始執(zhí)行。

圖6 主程序流程圖Fig.6 The flow chart of the main program

在接地線監(jiān)測單元運行的過程中，操作系統(tǒng)的主要功能是實現(xiàn)任務(wù)間的通信以及對任務(wù)的優(yōu)先級進行管理，使得系統(tǒng)能夠及時響應(yīng)優(yōu)先級較高的任務(wù)。異常事件處理任務(wù)可以修復(fù)甚至清除因外界干擾而遭到破壞的任務(wù)，從而避免導致整個系統(tǒng)的崩潰[14]，提高了監(jiān)測單元運行的實時性和可靠性。

3.2 任務(wù)間的通信設(shè)計

μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)提供5種任務(wù)間的通信方式，分別為：事件標志組、互斥信號量、信號量、消息隊列和消息郵箱。根據(jù)本次軟件設(shè)計需求，共采用了其中的3種通信方式，分別為：信號量、消息隊列和消息郵箱，通信設(shè)計如圖7所示。

圖7 任務(wù)間通信Fig.7 Communication between tasks

程序運行時，μC/OS-II內(nèi)核通過信號量的通信方式把信號發(fā)送給主任務(wù)，主任務(wù)檢測哪一個任務(wù)被觸發(fā)并利用消息隊列的通信方式把觸發(fā)的信息發(fā)送到相應(yīng)任務(wù)。各任務(wù)在運行時之間的通信則采用消息郵箱的方式，如圖7所示，圖像采集及處理任務(wù)將獲取的作業(yè)現(xiàn)場的圖像數(shù)據(jù)、地線狀態(tài)檢測任務(wù)將接地線的掛接及接地狀態(tài)信息以及GPS定位任務(wù)將接地線的位置信息通過消息郵箱發(fā)送給GPRS數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)，從而實現(xiàn)信息的發(fā)送；同樣地，GPRS數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)與短信發(fā)送任務(wù)之間的通信也是通過消息郵箱的方式。

3.3 接地線狀態(tài)檢測程序

該單元主要是通過超聲波測距以及壓力傳感器來判斷接地線狀態(tài)，并控制信息的發(fā)送。超聲波測距完成接地線掛接狀態(tài)的判定，壓力傳感器完成接地線接地狀態(tài)的判定，當判定的結(jié)果為接地線已掛接并接地，則發(fā)送接地線掛接成功的短信；當判定的結(jié)果為接地線已摘除，則發(fā)送接地線已摘下的短信。同時，為了保證本單元先發(fā)掛接成功短信后發(fā)摘下短信，程序中加入了允許發(fā)送標志位F3。圖8為接地線狀態(tài)檢測流程圖。

圖8 地線狀態(tài)檢測任務(wù)流程圖Fig.8 Task flow chart of grounding state detection

4 系統(tǒng)測試

利用鍵盤設(shè)定線路號、支柱號以及接收信息的目標電話號碼，并將掛接地線監(jiān)測單元安裝于便攜式接地線的絕緣桿上并掛接于線路上進行測試，監(jiān)測單元如圖9所示。

圖9 掛接地線監(jiān)測單元Fig.9 Ground wire monitoring unit

利用手機作為相關(guān)信息接收的客戶端來接收監(jiān)測單元發(fā)送的檢測結(jié)果，以判斷監(jiān)測單元是否工作正常及發(fā)送信息的準確性。測試結(jié)果表明，只有當?shù)鼐€掛接狀態(tài)判據(jù)與接地狀態(tài)判據(jù)同時滿足條件時，掛接地線監(jiān)測單元才發(fā)送地線掛接成功短信以及檢修作業(yè)現(xiàn)場的圖像信息和位置信息；當?shù)鼐€掛接狀態(tài)判據(jù)結(jié)果為摘下時，則發(fā)送地線摘除短信，測試結(jié)果符合預(yù)期設(shè)計要求，手機接收到的信息如圖10所示。

確保監(jiān)測單元工作正常后就可以進行整個接地線監(jiān)控系統(tǒng)的測試，以驗證接地線監(jiān)測單元在整個系統(tǒng)中的功能。進行實驗前，先搭建系統(tǒng)實驗平臺，主要包括：地線監(jiān)測單元（下位機）、信息收集裝置（上位機）[15]、電腦（安裝有接地線可視化管理系統(tǒng)）[16]，如圖11所示。

圖11 接地線監(jiān)控系統(tǒng)示意圖Fig.11 Schematic diagram of grounding wire monitoring system

實驗開始時，如圖12所示，由接地線可視化管理系統(tǒng)通過上位機以短信的方式將操作票（接地線掛接的具體線路號及支柱號）發(fā)送給監(jiān)測單元（如圖12中綠色框內(nèi)所示區(qū)域），操作票的短信格式為“線路×××××××支柱×××”，其中具體數(shù)字根據(jù)實際的檢修作業(yè)位置進行設(shè)定。

圖12 操作票發(fā)送界面Fig.12 Operation ticket sending interface

接地線監(jiān)測單元收到操作票后將具體的線路號、支柱號及目標電話號碼解析出來并在圖9液晶屏相應(yīng)位置顯示，接下來將接地線掛接于操作票中的具體線路的具體支柱處，并利用監(jiān)測單元進行接地線掛接狀態(tài)的檢測及檢測結(jié)果的發(fā)送。當信息傳遞失敗時，接地線可視化管理系統(tǒng)還可以控制上位機發(fā)送相關(guān)指令給相應(yīng)的監(jiān)測單元（如圖12中紅色框內(nèi)所示區(qū)域），要求其重新發(fā)送；監(jiān)測單元收到指令后首先解析出需要重新發(fā)送的內(nèi)容，其次進行采集并重新發(fā)送，這樣大大提高了地線監(jiān)測的可靠性。

實驗結(jié)果表明，接地線監(jiān)測單元可以正確的判定接地線的掛接及接地狀態(tài)并將檢測結(jié)果傳遞給接地線可視化管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了對接地線的可靠監(jiān)控及有效管理。

5 結(jié)語

本文開發(fā)了一種基于ARM嵌入式系統(tǒng)的電力線路停電檢修掛接地線監(jiān)測單元。該單元采用高性能的32位ARM處理器STM32F103ZET6為控制核心，軟件上配合μC/OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)的應(yīng)用，有效的提高了系統(tǒng)運行的實時性和可靠性；結(jié)合超聲波測距技術(shù)、圖像采集及處理技術(shù)、GPS定位技術(shù)、GPRS數(shù)據(jù)通信技術(shù)以及藍牙無線通信技術(shù)，可以實現(xiàn)調(diào)度中心及相關(guān)人員對接地線的掛接及接地狀態(tài)和掛接位置進行實時遠程監(jiān)控，并可通過圖片信息直觀的看到作業(yè)現(xiàn)場的實際情況，提高了地線監(jiān)測結(jié)果的可靠性，極大地減少誤操作等安全隱患，為現(xiàn)場檢修人員及設(shè)備提供一道安全保障。該單元將在西安鐵路局西安供電段華山電力工區(qū)管內(nèi)的電力線路停電檢修作業(yè)中使用。

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（編輯 李沈）

Development of the Monitoring Unit of the Ground Wire for Power Outage Maintenance

LIU Jiajun，LIU Chao，WANG Rui
（Institute of Water Resources and Hydro-Electric Engineering，Xi’an University of Technology Xi’an 710048，Shaanxi，China）

Hanging the ground wire is an important part of the power outage maintenance work to guarantee safety of personnel and equipment.In view of the situation that the ground wire of the power outage maintenance operation is often mishung，we have designed a monitoring unit for hanging the ground wire in power maintenance operation，which is based on a high-performance 32-bit ARM processor STM32F103ZET6 as the control core and combined with the technology of ultrasonic distance measurement，data communication and etc.The application of the embedded operating system based on μC/OS-II software facilitates the real-time remote monitoring of the wire hanging state and the grounding state，which can effectively prevent miscarriage of electricity by the hung ground wire and guarantee safety of operators on the job-site.

electric power maintenance operation；hanging ground wire；ARM；μC/OS-II；grounding detection

圖10 接收到的信息 Fig.10 information

陜西省科技統(tǒng)籌創(chuàng)新工程計劃項目（2013KTCQ01-14）；陜西省教育廳服務(wù)地方專項計劃項目（16JF020）。

Project Supported by the Coordinated Science and Technology Innovation Project of Shanxi Province（2013KTCQ01-14）；the Special Program of Serving the Local of Shaanxi Province Department of Education（16JF020）.

1674-3814（2016）10-0028-06

TM764

A

2016-01-20。

劉家軍（1967—），男，博士，教授，博士生導師，主要研究方向為電力系統(tǒng)運行與控制、電力系統(tǒng)監(jiān)控與調(diào)度自動化；

劉 超（1990—），男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)的測量、控制與保護；

王 睿（1993—），男，碩士研究生，主要研究方向為電力系統(tǒng)的測量、控制與保護。