电力线路停电检修挂接地线监测单元的研制

刘家军，刘超，王睿

（西安理工大学水利水电学院，陕西西安 710048）

电力线路停电检修挂接地线监测单元的研制

刘家军，刘超，王睿

（西安理工大学水利水电学院，陕西西安 710048）

挂接地线是电力停电检修作业保障人员及设备安全的重要环节。针对电力线路停电检修作业挂接地线时常产生误挂的情况，设计了一种基于高性能的32位ARM处理器STM32F103ZET6为控制核心，结合超声波测距、数据通信等技术于一体的电力检修作业挂接地线监测单元。软件上配合μC/OS-II嵌入式操作系统的应用，实现了地线挂接状态及接地状态的实时远方监测，可有效防止挂接地线误送电等事故发生，为现场作业人员的安全防护提供安全保障。

电力检修作业；挂接地线；ARM；μC/OS-II；接地检测

电力线路的安全是保证电力系统正常运行的条件之一，而电力线路的安全与否，在一定意义上取决于线路的日常维护管理。接地线是从事线路维护、检修工作的一种安全工具，可防止线路残压以及突然来电对检修人员及设备造成危害。但是传统的接地线监测单元功能简单，易受干扰，通讯串口比较少，而且人为因素比较多，这样就给工作人员带来不便，比如要用按键触发才能发送采集信息[1-2]。因此，目前的挂接地线监测单元在可靠性、实时性及工作效率等方面都不能满足需要，存在着很大的漏洞和误操作等安全隐患。

针对以上问题，本文开发了一种基于ARM嵌入式系统的电力线路停电检修作业挂接地线监测单元。该单元采用了高性能的32位ARM处理器，有效提高了监测单元的数据处理速度；软件上结合μC/OS-II嵌入式操作系统的应用，使得挂接地线监测单元整体运行的实时性和可靠性得到了大大的提高。再配合超声波测距模块、摄像头模块、GPS定位模块、TR800通信模块以及地线接地检测等模块可以实现对接地线挂接状态和接地状况进行实时、高效、可靠的监控。

1 监测单元总体设计方案及工作原理

该单元主要由处理器、GPRS通信模块、接地检测模块、显示与键盘输入模块等如图1所示模块组成；处理器采用ARM芯片STM32F103ZET6，完成对各个模块的控制、数据处理以及模块之间的配合，从而实现挂接地线监测单元的整体功能。该单元的硬件设计框图如图1所示。

图1 单元硬件结构框图Fig.1 Block diagram of unit hardware structure

其工作原理与判据如下：当进行线路停电检修作业时，将该单元安装在便携式接地线的绝缘杆上并挂接于检修线路上，由于电力线路上方除了输电线路没有其他物体，因此利用超声波测距模块测量单元与输电线路之间的距离，当测得的距离到达一稳定值并在一段时间保持不变（考虑到实际情况中风引起的晃动，允许小幅度变动），就可以判定接地线已成功挂接在线路上；当测得的距离值由之前的稳定值开始逐渐变大，并持续一段时间后，此时就可以判定接地线已经拆除。在检测接地线挂接状态的同时，利用接地检测模块采集接地线的接地信息并传递给接地线监测单元实现接地判定。在该单元中还设计了一个微型摄像头，拍摄作业现场的图片，在发送地线挂接及接地信息的同时将图片数据发往调度中心，大大提高了地线状态监测的可靠性；并通过GPS定位获取挂接地线的位置信息[3-5]。

2 监测单元的硬件设计

2.1 主处理器模块

硬件电路的设计以ARM Cortex-M3为内核的STM32F103ZET6处理器为控制核心。它是由意法半导体公司推出的一款低功耗的增强型32位微处理器，其工作频率为72 MHz，具有高达512 kB的FLASH存储器和64 kB RAM内存，运行μC/OS-II嵌入式操作系统的应用程序绰绰有余；采用的是ARM V7架构，不但支持Thumb-2指令集，并且拥有许多新特性，与ARM7 TDMI相比，Cortex-M3具有性能更强、代码密度更高、成本及功耗低、可嵌套中断以及位带操作等众多优势[6]。其外设丰富、开发简单、价格低等特点，特别适合工业产品控制。

2.2 接地检测模块

如果接地线仅仅挂接在检修线路上而没有可靠地接地，同样起不到保护的作用，因此本次设计加入了接地线接地检测的功能。接地检测模块主要由压力传感器模块和短距离无线通信模块组成，由于其通信距离在10 m左右且是点对点的通信，因此最终选用蓝牙无线通信方式，其结构示意图如图2所示。其工作原理如下：当接地线与接地桩进行连接时，首先由压力传感器采集其连接处的压力值，经转换处理后再通过蓝牙无线通信模块将数据传递给接地线监测单元进行接地状态判定，从而实现接地检测的功能[7-8]。

图2 接地检测模块结构示意图Fig.2 Structure diagram of grounding detection module

由于该设计中的压力传感器采集的压力信号需进行处理后再进行无线数据传输，因此所选蓝牙模块需要有CPU单元以及模数转换电路。通过对比发现，以CC2540芯片为核心的蓝牙模块能够满足以上功能。CC2540集成一个工业标准的增强型8051微控制器，具有8 kB采用超低功耗技术的SRAM和256 kB的Flash，包含模拟数字转换器（ADC）及32 kHz晶振。CC2540采用蓝牙V4.0版本规范，最大传输距离可达100 m，支持无线串口透传技术，采用较少的外围电路即可实现信号的处理及通信收发功能[8]。

2.2.1 压力数据采集及发送电路设计

压力数据采集及发送电路主要由蓝牙从机模块和压力传感器组成，其连接原理图如图3所示。该部分安装在接地夹处由电池单独供电。其中压力传感器采用FSR402型传感器，当其表面受到挤压时，其输出电阻值会随表面受的压力增大而减小，从而获取压力信息。

其中，将CC2540蓝牙模块具有A/D转换功能的A0端口与压力传感器的电压信号输出端相连，由于A0端口的测量范围为0～3.3 V，因此为了保证压力传感器测得最大压力时输出的电压不超过3.3 V，在传感器信号输出端与A0端口之间加入了电压跟踪放大器进行隔离，并且加入了10 kΩ的分压电阻进行分压。

图3 压力数据采集及发送电路Fig.3 Pressure data acquisition and transmission circuit

2.2.2 监测单元与蓝牙主机模块的连接电路

蓝牙主机模块负责接收蓝牙从机发送过来的压力信息并通过串口传递给接地线监测单元，实现接地状态的判定。蓝牙主机模块的串口与ARM处理器的串口3相连，其连接示意图如图4所示。

图4 单元与蓝牙主机模块的连接示意图Fig.4 Schematic diagram of connection of unit and Bluetooth host module

2.3 其他模块

图像采集模块选用的是ZSV-01P串口摄像头，具有RS232和RS485接口，内含有图像JPEG压缩功能，工作电压为直流4.5～5.5 V。由于该摄像头内置了图像采集的指令库及数据协议，因此可以直接通过串口对摄像头进行控制操作及数据的传输。

通信模块选用的是IWOW公司的TR800无线模块，它支持4个频段（GSM850、EGSM900、DCS1800、PCS1900），具有标准的AT指令集接口，同时也兼容ESTI GSM Phase2+的标准，正常的工作电压在3.4～5.5 V之间，而且其体积小巧、功耗低，非常适合电池供电的应用[9-10]。TR800在正常工作时，即可实现通讯功能，如打电话、发送短信等，满足本单元所采集的各类信息在GPRS网络下实时发送的要求。

GPS模块型号为U-BLOX6，其体积小，集成度高，硬件简单，定位速度极快，在30～40 s内便可完成搜星任务；而且采用了u-blox最新的微弱信号获取技术，可以使采用这种模块的设备在各种恶劣条件下都能获得最佳的定位性能[11]。该模块内部集成了标准的NMEA0183协议和UBX二进制协议，大大降低了u-blox6的开发难度，通过UART串口与ARM芯片相连接，就可以实现GPS与ARM处理器的简单通信，获取挂接地线的位置信息。

3 监测单元的软件开发

由于挂接地线在电力线路停电检修作业时对保障检修人员及设备安全起着至关重要的作用，因此对挂接地线监测单元的可靠性要求非常高。在进行监测单元设计时，不仅要从硬件设计方面提高其信号抗干扰能力，还要从软件方面提高其可靠性。针对硬件电路以ARM处理器为控制核心，软件上配合使用嵌入式操作系统可有效提高单元运行的实时性及可靠性。根据本次系统设计要求，该单元最终选用μC/OS-II嵌入式实时操作系统[12-13]。

接地线监测单元软件设计的工作主要是μC/OS-II操作系统的移植以及用户应用程序的开发。根据嵌入式操作系统编程的特点以及监测单元所要实现的功能，应用程序采用了多任务的设计方法，如图5所示，将整个与用户相关的应用程序模块划分为图像采集与处理、温度测量（进行温度报警，防止温度过高影响器件的正常工作）、地线状态监测、按键输入、短信发送、GPS定位、异常事件处理、GPRS数据通讯等用户任务模块。

图5 软件结构示意图Fig.5 Sketch map of the software structure

3.1 主程序

如图6所示，当系统开始运行时，首先对硬件及软件进行相关初始化设置，其次创建消息队列、消息邮箱等通信方式以完成任务间的通信，再次根据要求创建相应任务，分配任务堆栈及任务优先级的大小，并将所有创建的任务置为就绪态，等待任务的执行，最后启动多任务调度，程序将从优先级最高的任务开始执行。

图6 主程序流程图Fig.6 The flow chart of the main program

在接地线监测单元运行的过程中，操作系统的主要功能是实现任务间的通信以及对任务的优先级进行管理，使得系统能够及时响应优先级较高的任务。异常事件处理任务可以修复甚至清除因外界干扰而遭到破坏的任务，从而避免导致整个系统的崩溃[14]，提高了监测单元运行的实时性和可靠性。

3.2 任务间的通信设计

μC/OS-II嵌入式实时操作系统提供5种任务间的通信方式，分别为：事件标志组、互斥信号量、信号量、消息队列和消息邮箱。根据本次软件设计需求，共采用了其中的3种通信方式，分别为：信号量、消息队列和消息邮箱，通信设计如图7所示。

图7 任务间通信Fig.7 Communication between tasks

程序运行时，μC/OS-II内核通过信号量的通信方式把信号发送给主任务，主任务检测哪一个任务被触发并利用消息队列的通信方式把触发的信息发送到相应任务。各任务在运行时之间的通信则采用消息邮箱的方式，如图7所示，图像采集及处理任务将获取的作业现场的图像数据、地线状态检测任务将接地线的挂接及接地状态信息以及GPS定位任务将接地线的位置信息通过消息邮箱发送给GPRS数据传输任务，从而实现信息的发送；同样地，GPRS数据传输任务与短信发送任务之间的通信也是通过消息邮箱的方式。

3.3 接地线状态检测程序

该单元主要是通过超声波测距以及压力传感器来判断接地线状态，并控制信息的发送。超声波测距完成接地线挂接状态的判定，压力传感器完成接地线接地状态的判定，当判定的结果为接地线已挂接并接地，则发送接地线挂接成功的短信；当判定的结果为接地线已摘除，则发送接地线已摘下的短信。同时，为了保证本单元先发挂接成功短信后发摘下短信，程序中加入了允许发送标志位F3。图8为接地线状态检测流程图。

图8 地线状态检测任务流程图Fig.8 Task flow chart of grounding state detection

4 系统测试

利用键盘设定线路号、支柱号以及接收信息的目标电话号码，并将挂接地线监测单元安装于便携式接地线的绝缘杆上并挂接于线路上进行测试，监测单元如图9所示。

图9 挂接地线监测单元Fig.9 Ground wire monitoring unit

利用手机作为相关信息接收的客户端来接收监测单元发送的检测结果，以判断监测单元是否工作正常及发送信息的准确性。测试结果表明，只有当地线挂接状态判据与接地状态判据同时满足条件时，挂接地线监测单元才发送地线挂接成功短信以及检修作业现场的图像信息和位置信息；当地线挂接状态判据结果为摘下时，则发送地线摘除短信，测试结果符合预期设计要求，手机接收到的信息如图10所示。

确保监测单元工作正常后就可以进行整个接地线监控系统的测试，以验证接地线监测单元在整个系统中的功能。进行实验前，先搭建系统实验平台，主要包括：地线监测单元（下位机）、信息收集装置（上位机）[15]、电脑（安装有接地线可视化管理系统）[16]，如图11所示。

图11 接地线监控系统示意图Fig.11 Schematic diagram of grounding wire monitoring system

实验开始时，如图12所示，由接地线可视化管理系统通过上位机以短信的方式将操作票（接地线挂接的具体线路号及支柱号）发送给监测单元（如图12中绿色框内所示区域），操作票的短信格式为“线路×××××××支柱×××”，其中具体数字根据实际的检修作业位置进行设定。

图12 操作票发送界面Fig.12 Operation ticket sending interface

接地线监测单元收到操作票后将具体的线路号、支柱号及目标电话号码解析出来并在图9液晶屏相应位置显示，接下来将接地线挂接于操作票中的具体线路的具体支柱处，并利用监测单元进行接地线挂接状态的检测及检测结果的发送。当信息传递失败时，接地线可视化管理系统还可以控制上位机发送相关指令给相应的监测单元（如图12中红色框内所示区域），要求其重新发送；监测单元收到指令后首先解析出需要重新发送的内容，其次进行采集并重新发送，这样大大提高了地线监测的可靠性。

实验结果表明，接地线监测单元可以正确的判定接地线的挂接及接地状态并将检测结果传递给接地线可视化管理系统，实现了对接地线的可靠监控及有效管理。

5 结语

本文开发了一种基于ARM嵌入式系统的电力线路停电检修挂接地线监测单元。该单元采用高性能的32位ARM处理器STM32F103ZET6为控制核心，软件上配合μC/OS-II嵌入式实时操作系统的应用，有效的提高了系统运行的实时性和可靠性；结合超声波测距技术、图像采集及处理技术、GPS定位技术、GPRS数据通信技术以及蓝牙无线通信技术，可以实现调度中心及相关人员对接地线的挂接及接地状态和挂接位置进行实时远程监控，并可通过图片信息直观的看到作业现场的实际情况，提高了地线监测结果的可靠性，极大地减少误操作等安全隐患，为现场检修人员及设备提供一道安全保障。该单元将在西安铁路局西安供电段华山电力工区管内的电力线路停电检修作业中使用。

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（编辑 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

图10 接收到的信息 Fig.10 information

陕西省科技统筹创新工程计划项目（2013KTCQ01-14）；陕西省教育厅服务地方专项计划项目（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。

刘家军（1967—），男，博士，教授，博士生导师，主要研究方向为电力系统运行与控制、电力系统监控与调度自动化；

刘 超（1990—），男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统的测量、控制与保护；

王 睿（1993—），男，硕士研究生，主要研究方向为电力系统的测量、控制与保护。