基于嵌入式系統(tǒng)的輸電線舞動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

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(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué)）,重慶 400044;2.四川省電力公司達(dá)州供電局,四川達(dá)州 635000）

基于嵌入式系統(tǒng)的輸電線舞動(dòng)在線監(jiān)測(cè)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(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(重慶大學(xué)）,重慶 400044;2.四川省電力公司達(dá)州供電局,四川達(dá)州 635000）

本文研究了一套基于嵌入式系統(tǒng)的輸電線舞動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理與實(shí)現(xiàn),該系統(tǒng)是由 USB攝像頭,嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)和GPRS模塊構(gòu)成。在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了嵌入式 Linux的裁減,定制和移植,并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了基于 Qtopia的應(yīng)用監(jiān)測(cè)程序的編寫。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以嵌入式計(jì)算機(jī)為載體,以 USB攝像頭采集到的圖像數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)。實(shí)現(xiàn)了基于無(wú)線 GPRS的電力設(shè)備的輸電線的遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)。

輸電線舞動(dòng);嵌入式計(jì)算機(jī);USB攝像頭;無(wú)線 GPRS

引言

輸電導(dǎo)線舞動(dòng)是偏心導(dǎo)線在風(fēng)激勵(lì)下產(chǎn)生的一種低頻、大振幅自激振蕩。其振動(dòng)頻率通常為 0.1～3Hz,其振幅為導(dǎo)線直徑的 5～300倍。近幾年,架空輸電線舞動(dòng)的現(xiàn)象頻繁發(fā)生,據(jù)現(xiàn)有資料統(tǒng)計(jì),自 1957年至今,我國(guó)共發(fā)生舞動(dòng)約為 70次,涉及10、35、44、66、110、220、500kV等幾乎所有電壓等級(jí)的輸電線。導(dǎo)線舞動(dòng)一旦形成,持續(xù)時(shí)間一般可達(dá)數(shù)小時(shí),對(duì)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(yùn)行。導(dǎo)線舞動(dòng)對(duì)桿塔、導(dǎo)線、金具及部件的損害,會(huì)造成線路頻繁跳閘與停電,對(duì)輸電線路安全運(yùn)行的危害非常大,而且會(huì)造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響[1]。尤其嚴(yán)重的是2008年南方雪災(zāi)對(duì)電網(wǎng)造成了近 200億元的損失,其中由于線路舞動(dòng)造成的損失占了很大的比例。輸電線舞動(dòng)監(jiān)控能夠?qū)旊娋€路的安全起到非常關(guān)鍵的作用,能夠在輸電線路發(fā)生大舞動(dòng)、發(fā)生斷線停電等大事故以前及時(shí)發(fā)現(xiàn)并對(duì)線路進(jìn)行處理,避免造成重大的損失。但是目前的監(jiān)測(cè)大多是基于 PC機(jī)完成的,價(jià)格昂貴,體積龐大。

嵌入式計(jì)算機(jī)具有體積小、功耗低、穩(wěn)定性好、可靠性強(qiáng)、處理能力強(qiáng)、成本低廉等特點(diǎn),而且嵌入式系統(tǒng)的圖形操作界面也越來(lái)越成熟,因此把嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)運(yùn)用到輸電線舞動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中具有現(xiàn)實(shí)可行的意義[2]。

1 輸電線舞動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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(jì)算機(jī)系統(tǒng)和無(wú)線GPRS模塊構(gòu)成。通過(guò)將 USB攝像頭采集到的圖像傳入到嵌入式計(jì)算機(jī)中,然后對(duì)圖像進(jìn)行壓縮處理,并在嵌入式計(jì)算機(jī)的 LCD上進(jìn)行顯示。同時(shí),通過(guò)在嵌入式計(jì)算機(jī)中的應(yīng)用軟件對(duì)此圖像進(jìn)行分析、處理,計(jì)算得出輸電導(dǎo)線偏離桿塔的角度,當(dāng)此時(shí)的角度大于預(yù)先設(shè)定好的安全角度時(shí),就會(huì)發(fā)出預(yù)警信號(hào)到手機(jī)上,從而運(yùn)行人員就能夠?qū)Υ藯l線路進(jìn)行處理。

在遠(yuǎn)程監(jiān)護(hù)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(dòng)通信服務(wù)的一種完美的業(yè)務(wù),它以數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)、覆蓋范圍廣泛、數(shù)據(jù)傳輸速度快等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛的應(yīng)用。GPRS是在GSM的基礎(chǔ)上引入了分組控制單元(PCU）、服務(wù)支持節(jié)點(diǎn)(SGSN）和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)(GGSN）等新部件而構(gòu)成的無(wú)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(lái)傳送預(yù)警信號(hào)或者輸電導(dǎo)線的擺動(dòng)角度,GPRS的原理框圖如圖 2所示。GPRS無(wú)線模塊作為 GPRS終端的無(wú)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(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議處理后再轉(zhuǎn)發(fā)[3,4]。

圖 1 輸電線舞動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)

為使輸電線舞動(dòng)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有低功耗等特點(diǎn),并能提供實(shí)時(shí)的可視化圖像,本系統(tǒng)采用了基于ARM9的嵌入式計(jì)算機(jī)平臺(tái),自主研發(fā)的嵌入式計(jì)算機(jī)主板實(shí)物圖如圖 3所示。

圖 3 嵌入式計(jì)算機(jī)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(gòu)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(lái)說(shuō)是由嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件兩部分組成。軟件又可以分成啟動(dòng)代碼(bootloader）、操作系統(tǒng)內(nèi)核與驅(qū)動(dòng)、文件系統(tǒng)、圖形界面和應(yīng)用程序等幾部分[5]。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)上電運(yùn)行時(shí),AT91RM 9200首先運(yùn)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(yùn)行,完成嵌入式內(nèi)核的啟動(dòng),完成對(duì) U盤的掛接和 Qtopia文件系統(tǒng)的啟動(dòng),然后進(jìn)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(shí)現(xiàn)此監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖像的采集是非常重要的,將它分為兩個(gè)部分:USB攝像頭驅(qū)動(dòng)的移植和圖像采集。

3.1 USB攝像頭驅(qū)動(dòng)的移植

要使舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的 USB攝像頭正常工作必須提供設(shè)備驅(qū)動(dòng),設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與硬件之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié),這樣在應(yīng)用程序看來(lái),硬件設(shè)備只是一個(gè)設(shè)備文件,應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣對(duì)硬件設(shè)備進(jìn)行操作。為了縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間,本文選擇了在 Linux的系統(tǒng)平臺(tái)上移植了流行的攝像頭驅(qū)動(dòng) spca5xx,主要的操作步驟如下:

(1）對(duì) Linux-2.4.27-vrs1-ATMEL內(nèi)核打上補(bǔ)丁,拷貝 usb-2.4.31.patch.gz到/Linux-2.4.27/drivers/usb,將其解壓,打上補(bǔ)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(dòng):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(dòng)腳本 rcS中添加:insmod/usr/lib/spca5xx.o,這樣在 Linux系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候就會(huì)自動(dòng)加載 USB攝像頭驅(qū)動(dòng)。在 USB攝像頭被識(shí)別以后,就可以通過(guò)應(yīng)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(guò)內(nèi)核緩沖區(qū)來(lái)讀取數(shù)據(jù);而 mmap(）通過(guò)把設(shè)備文件映射到內(nèi)存中,繞過(guò)了內(nèi)核緩沖區(qū),最快的磁盤訪問(wèn)往往還是慢于最慢的內(nèi)存訪問(wèn),所以mmap(）方式加速了 I/O訪問(wèn)。另外,mmap(）系統(tǒng)調(diào)用使得進(jìn)程之間通過(guò)映射同一文件實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存,各個(gè)進(jìn)程可以像訪問(wèn)普通內(nèi)存一樣對(duì)文件進(jìn)行訪問(wèn),訪問(wèn)時(shí)只需要使用指針而不用調(diào)用文件操作函數(shù)[7,8]。基于 mmap(）的以上優(yōu)點(diǎn),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(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的輸電線舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)采用了多線程的結(jié)構(gòu),主線程的主要任務(wù)是完成圖形界面用戶接口的響應(yīng),數(shù)據(jù)采集線程的主要任務(wù)是采集圖像數(shù)據(jù),采集完成后發(fā)送消息給主線程進(jìn)行圖形化顯示,當(dāng)圖像采集完成以后,根據(jù)采集到的圖像數(shù)據(jù)分析、計(jì)算出此時(shí)輸電導(dǎo)線偏離桿塔的角度,將此角度與開(kāi)始設(shè)定好的安全角度作比較,如果大于此安全角度,則通過(guò) GPRS模塊把預(yù)警信號(hào)發(fā)送到手機(jī)上,從而運(yùn)行人員可以對(duì)此條線路進(jìn)行處理,當(dāng)然運(yùn)行人員也可以通過(guò)手機(jī)發(fā)送短信到 GPRS模塊對(duì)此線路的擺動(dòng)角度進(jìn)行實(shí)時(shí)的查詢。整個(gè)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(shí)現(xiàn)

該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)除了能給運(yùn)行人員發(fā)送預(yù)警短信以外,運(yùn)行人員也可以通過(guò)發(fā)送短信到無(wú)線 GPRS模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)的查詢當(dāng)前輸電導(dǎo)線的擺動(dòng)角度。當(dāng)運(yùn)行人員發(fā)送短信以后,嵌入式計(jì)算機(jī)首先打開(kāi)連接在串口 1上的 GPRS模塊,對(duì) GPRS模塊進(jìn)行初始化設(shè)置,當(dāng) GPRS模塊與手機(jī)建立連接后,通過(guò) AT指令可以對(duì) GPRS模塊進(jìn)行控制,同時(shí)也可以進(jìn)入到發(fā)送角度的流程。嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將收到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理后,一方面在本地實(shí)現(xiàn)圖像的顯示,同時(shí)將這些數(shù)據(jù)通過(guò)串口 1發(fā)送出去。對(duì)于嵌入式計(jì)算機(jī)而言,因?yàn)槭窃谌该鞯哪Ｊ较逻M(jìn)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(jī)直接與手機(jī)進(jìn)行串口通信,但是具體的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程卻是通過(guò) GPRS模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行再次的封裝打包,通過(guò) GPRS網(wǎng)絡(luò),再發(fā)送到手機(jī)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(shí)驗(yàn)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(fēng) 1～2級(jí)。

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(shí)起連續(xù)采集的 48個(gè)數(shù)據(jù)如圖 7所示。

7 結(jié)論

圖 7 2008年 12月 29日 10時(shí)起連續(xù)采集的 48個(gè)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)下的 USB圖像采集。在此基礎(chǔ)之上研究了通過(guò)嵌入式系統(tǒng)對(duì)輸電線舞動(dòng)進(jìn)行遠(yuǎn)程的實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)。目前已經(jīng)完成了基于嵌入式計(jì)算機(jī)的線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的樣機(jī)的研制。該系統(tǒng)具有方便、靈活、成本低、體積小、功能強(qiáng)大等特點(diǎn),使得監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有良好的市場(chǎng)前景,隨著嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)監(jiān)護(hù)終端的完善,把嵌入式遠(yuǎn)程終端運(yùn)用在線路舞動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中具有非?，F(xiàn)實(shí)可行的意義。此系統(tǒng)可以很好地防止舞動(dòng)所引起的事故的發(fā)生,減少國(guó)民經(jīng)濟(jì)的損失,對(duì)我國(guó)的電力事業(yè)的發(fā)展起著重要的促進(jìn)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)在電力設(shè)備中的應(yīng)用;

何 為 (1957-）,男,重慶籍,教授,博士,主攻嵌入式計(jì)算機(jī)在電力設(shè)備及其在醫(yī)療中的應(yīng)用。