基于嵌入式系统的输电线舞动在线监测系统

文 军,何 为,谯小艳,李 罗,胡泽文

(1.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学）,重庆 400044;2.四川省电力公司达州供电局,四川达州 635000）

基于嵌入式系统的输电线舞动在线监测系统

文 军1,何 为1,谯小艳2,李 罗1,胡泽文1

(1.输配电装备及系统安全与新技术国家重点实验室(重庆大学）,重庆 400044;2.四川省电力公司达州供电局,四川达州 635000）

本文研究了一套基于嵌入式系统的输电线舞动在线监测系统的设计原理与实现,该系统是由 USB摄像头,嵌入式计算机系统和GPRS模块构成。在嵌入式计算机系统中实现了嵌入式 Linux的裁减,定制和移植,并在此基础上实现了基于 Qtopia的应用监测程序的编写。该监测系统是以嵌入式计算机为载体,以 USB摄像头采集到的图像数据为基础。实现了基于无线 GPRS的电力设备的输电线的远程实时在线监测。

输电线舞动;嵌入式计算机;USB摄像头;无线 GPRS

引言

输电导线舞动是偏心导线在风激励下产生的一种低频、大振幅自激振荡。其振动频率通常为 0.1～3Hz,其振幅为导线直径的 5～300倍。近几年,架空输电线舞动的现象频繁发生,据现有资料统计,自 1957年至今,我国共发生舞动约为 70次,涉及10、35、44、66、110、220、500kV等几乎所有电压等级的输电线。导线舞动一旦形成,持续时间一般可达数小时,对高压输电线路具有极大的破坏作用,从而威胁到输电线路的安全运行。导线舞动对杆塔、导线、金具及部件的损害,会造成线路频繁跳闸与停电,对输电线路安全运行的危害非常大,而且会造成重大的经济损失和社会影响[1]。尤其严重的是2008年南方雪灾对电网造成了近 200亿元的损失,其中由于线路舞动造成的损失占了很大的比例。输电线舞动监控能够对输电线路的安全起到非常关键的作用,能够在输电线路发生大舞动、发生断线停电等大事故以前及时发现并对线路进行处理,避免造成重大的损失。但是目前的监测大多是基于 PC机完成的,价格昂贵,体积庞大。

嵌入式计算机具有体积小、功耗低、稳定性好、可靠性强、处理能力强、成本低廉等特点,而且嵌入式系统的图形操作界面也越来越成熟,因此把嵌入式计算机系统运用到输电线舞动在线监测系统中具有现实可行的意义[2]。

1 输电线舞动在线监测系统的设计

工作原理:本系统主要是由 USB摄像头、基于AT91RM9200为核心的嵌入式计算机系统和无线GPRS模块构成。通过将 USB摄像头采集到的图像传入到嵌入式计算机中,然后对图像进行压缩处理,并在嵌入式计算机的 LCD上进行显示。同时,通过在嵌入式计算机中的应用软件对此图像进行分析、处理,计算得出输电导线偏离杆塔的角度,当此时的角度大于预先设定好的安全角度时,就会发出预警信号到手机上,从而运行人员就能够对此条线路进行处理。

在远程监护中,数据通信是非常重要的组成部分。而 GPRS是目前解决移动通信服务的一种完美的业务,它以数据流量计费、覆盖范围广泛、数据传输速度快等优点而得到了广泛的应用。GPRS是在GSM的基础上引入了分组控制单元(PCU）、服务支持节点(SGSN）和网关支持节点(GGSN）等新部件而构成的无线数据传输系统,其用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。本系统选用西门子公司的 GPRS模块来传送预警信号或者输电导线的摆动角度,GPRS的原理框图如图 2所示。GPRS无线模块作为 GPRS终端的无线收发模块,把从 TCP/IP模块接收 TCP/IP包和从基站接收的 GPRS分组数据进行相应的协议处理后再转发[3,4]。

图 1 输电线舞动在线监测系统的结构框图Fig.1 Schematic diagram of on-line system for monitoring galloping of transmission line

图 2 GPRS模块原理框图Fig.2 Block diagram of GPRSmodule

2 嵌入式系统的设计

为使输电线舞动在线监测系统具有低功耗等特点,并能提供实时的可视化图像,本系统采用了基于ARM9的嵌入式计算机平台,自主研发的嵌入式计算机主板实物图如图 3所示。

图 3 嵌入式计算机主板Fig.3 Core board ofembedded computer

工作原理:嵌入式系统是由硬件系统和软件系统构成。嵌入式系统硬件部分的核心部分就是嵌入式处理器,在此选用 AT91RM 9200。嵌入式软件部分一般来说是由嵌入式操作系统和应用软件两部分组成。软件又可以分成启动代码(bootloader）、操作系统内核与驱动、文件系统、图形界面和应用程序等几部分[5]。当整个系统上电运行时,AT91RM 9200首先运行固化在 32M中的 bootloader程序,把 64M中的 Linux内核搬移到 64M内存中运行,完成嵌入式内核的启动,完成对 U盘的挂接和 Qtopia文件系统的启动,然后进入到嵌入式 Qtopia的用户界面[6]。

3 USB摄像头的视频图像采集

要实现此监测系统图像的采集是非常重要的,将它分为两个部分:USB摄像头驱动的移植和图像采集。

3.1 USB摄像头驱动的移植

要使舞动监测系统中的 USB摄像头正常工作必须提供设备驱动,设备驱动程序是操作系统内核与硬件之间的接口。设备驱动程序屏蔽了硬件的细节,这样在应用程序看来,硬件设备只是一个设备文件,应用程序可以像操作普通文件一样对硬件设备进行操作。为了缩短开发时间,本文选择了在 Linux的系统平台上移植了流行的摄像头驱动 spca5xx,主要的操作步骤如下:

(1）对 Linux-2.4.27-vrs1-ATMEL内核打上补丁,拷贝 usb-2.4.31.patch.gz到/Linux-2.4.27/drivers/usb,将其解压,打上补丁。

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

(3）重新编译 Linux内核:make clean、make dep、make zImage、make modules,在 /Linux-2.4.27/drivers/usb/spca5xx目录下,可以得到 USB摄像头的驱动:spca5xx.o。

(4）拷贝 spca5xx.o到嵌入式 Linux的文件系统的/usr/lib中,在启动脚本 rcS中添加:insmod/usr/lib/spca5xx.o,这样在 Linux系统启动的时候就会自动加载 USB摄像头驱动。在 USB摄像头被识别以后,就可以通过应用程序实现图像的采集。

3.2 图像的采集

Linux下视频图像的截取有两种方法:一种是Read(）直接读取;另外一种 mmap(）内存映射。Read(）通过内核缓冲区来读取数据;而 mmap(）通过把设备文件映射到内存中,绕过了内核缓冲区,最快的磁盘访问往往还是慢于最慢的内存访问,所以mmap(）方式加速了 I/O访问。另外,mmap(）系统调用使得进程之间通过映射同一文件实现共享内存,各个进程可以像访问普通内存一样对文件进行访问,访问时只需要使用指针而不用调用文件操作函数[7,8]。基于 mmap(）的以上优点,所以在程序实现中采用了内存映射方式,即 mmap(）方式。采集图像数据的流程图如图 4所示。

图 4 采集图像数据的流程图Fig.4 Flow diagram of image data acquisition

4 基于 Q topia的输电线舞动监测系统的应用软件设计

本文设计的输电线舞动监测系统采用了多线程的结构,主线程的主要任务是完成图形界面用户接口的响应,数据采集线程的主要任务是采集图像数据,采集完成后发送消息给主线程进行图形化显示,当图像采集完成以后,根据采集到的图像数据分析、计算出此时输电导线偏离杆塔的角度,将此角度与开始设定好的安全角度作比较,如果大于此安全角度,则通过 GPRS模块把预警信号发送到手机上,从而运行人员可以对此条线路进行处理,当然运行人员也可以通过手机发送短信到 GPRS模块对此线路的摆动角度进行实时的查询。整个流程图如图 5所示。

图 5 系统软件流程图Fig.5 Flow diagram of system software

5 数据的传输与实现

该监测系统除了能给运行人员发送预警短信以外,运行人员也可以通过发送短信到无线 GPRS模块进行实时的查询当前输电导线的摆动角度。当运行人员发送短信以后,嵌入式计算机首先打开连接在串口 1上的 GPRS模块,对 GPRS模块进行初始化设置,当 GPRS模块与手机建立连接后,通过 AT指令可以对 GPRS模块进行控制,同时也可以进入到发送角度的流程。嵌入式计算机系统将收到的图像数据进行分析、处理后,一方面在本地实现图像的显示,同时将这些数据通过串口 1发送出去。对于嵌入式计算机而言,因为是在全透明的模式下进行数据通信,这种模式下的数据通信完全等同于 PC机直接与手机进行串口通信,但是具体的数据转发过程却是通过 GPRS模块对数据进行再次的封装打包,通过 GPRS网络,再发送到手机上。数据通信流程如图 6所示。

图 6 数据通信流程图Fig.6 Flow diagram of data communication

6 挂网实验数据

2008年 12月 29日天气:

温度:11～ 15摄氏度;白天:阴;夜间 :阴 ,小雨 ;北风 1～2级。

江津市 110千伏双溪线 11～12#:

跨距:683米

呼高:15m,21m

弧垂:15m

2008年 12月 29日10时起连续采集的 48个数据如图 7所示。

7 结论

图 7 2008年 12月 29日 10时起连续采集的 48个数据Fig.7 48 consecutive data since 10:00 12.29 2008

本文研究了嵌入式系统的硬件和软件组成,基于嵌入式计算机系统下的 USB图像采集。在此基础之上研究了通过嵌入式系统对输电线舞动进行远程的实时在线监测的系统。目前已经完成了基于嵌入式计算机的线路舞动监测系统的样机的研制。该系统具有方便、灵活、成本低、体积小、功能强大等特点,使得监测系统具有良好的市场前景,随着嵌入式计算机系统监护终端的完善,把嵌入式远程终端运用在线路舞动监测系统中具有非常现实可行的意义。此系统可以很好地防止舞动所引起的事故的发生,减少国民经济的损失,对我国的电力事业的发展起着重要的促进作用。

References）:

[1]王少华,蒋兴良,孙才新 (Wang Shaohua,Jiang Xingliang,Sun Caixin）.输电线路导线舞动的国内外研究现状(Study status of conductor galloping on transmission line）[J].高电压技术 (High Voltage Eng.）,2005,31(10）:11-14.

[2]D Gajski,SNarayan,F Vahid,et al.Specification and design ofembedded systems[M].Englewood Cliffs:Prentice-Hall,New Jersey,1994.

[3]黄梅英 (Huang Meiying）.无线数据业务 GPRS发展分析及研究 (Analysis and study of wireless data business development）[D].北京:北京邮电大学 (Beijing:Beijing Univ.of Posts＆Telecommunications）,2002.

[4]韩晓冰,韩冰,孙戈 (Han Xiaobing,Han Bing,Sun Ge）.基于嵌入式系统的GPRS数据终端设计与实现 (Design and implementation of GPRSdata term inal based on embedded system）[J].仪器仪表学报(Chinese JScientific Instrument）,2006,27(6）:675-677.

[5]苏东 (Su Dong）.主流ARM嵌入式系统设计技术与实例精解 (Designing technology and solution of examples ARM embedded system）[M].北京:电子工业出版社(Beijing:Electronics Industry Press）,2007.

[6]徐广毅,张晓林,崔迎炜 (Xu Guangyi,Zhang Xiaolin,Cui Yingwei）.Qt/Embedded在嵌入式 Linux系统中的应用(Application of Qt/Embedded in embedded Linux system）[J].单片机与嵌入式系统应用 (Microcontrollers＆Embedded Systems）,2004,(12）:14-17.

[7]Nakajima T.Implication of embedded Linux in Japanese embedded industries[A].6thIEEE International Symposi-um on Object-Oriented Real-Time Distributed Computing[C].2003.41-43.

[8]王滔,于洁 (Wang Tao,Yu Jie）.Linux系统下USB摄像头驱动开发 (Development of USB camera driver in Linux）[J].电子技术应用 (Application of Electronic Technique）,2004,(11）:8-10.

[9]雷鸣,刘刚,杨挺 (Lei Ming,Liu Gang,Yang Ting）.220kV架空分裂导线的应力动态分析 (Dynamic analysis on stress of overhead bundle conductor）[J].电工电能新技术 (Adv.Tech.of Elec.Eng.＆Energy）,2009,28(3）:50-53.

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 军 (1983-）,男,重庆籍,硕士研究生,研究方向:嵌入式计算机系统在电力设备中的应用;

何 为 (1957-）,男,重庆籍,教授,博士,主攻嵌入式计算机在电力设备及其在医疗中的应用。