【正文】 成對(duì)故障點(diǎn)準(zhǔn)確位置的確定，為運(yùn)行部門及時(shí)的采取進(jìn)一步的措施奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)；同時(shí)提供了基于 WEB 的信息共享。 系統(tǒng)硬件電路的設(shè)計(jì)我們?cè)谠O(shè)計(jì)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分機(jī)的硬件電路時(shí)，需要考慮以下幾點(diǎn)：1） 低功耗設(shè)計(jì)：因?yàn)榉謾C(jī)以太陽能電池板加蓄電池的方式進(jìn)行供電，為了確保監(jiān)測(cè)分機(jī)的長(zhǎng)期正常工作，在進(jìn)行硬件設(shè)計(jì)時(shí)，我們需要充分考慮低功耗方面的電路設(shè)計(jì)。2） 高可靠性設(shè)計(jì)：通常情況下,監(jiān)測(cè)分機(jī)安裝在距離超高壓輸電線路較近的位置，需要保證在強(qiáng)電磁干擾的干擾下，以及在惡劣氣候環(huán)境中，能夠長(zhǎng)期31穩(wěn)定的運(yùn)行，因此我們?cè)谶M(jìn)行硬件電路設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將這些因素加以考慮，以確保免維護(hù)的目標(biāo)實(shí)現(xiàn)。3） 可靠高效的信息傳輸：分機(jī)必須能夠充分利用無線通訊技術(shù)，對(duì)數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)信息可靠的進(jìn)行收發(fā)。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)分機(jī)硬件電路應(yīng)當(dāng)由數(shù)據(jù)檢測(cè)模塊、泄漏電流傳感器、溫濕度傳感器、數(shù)據(jù)通訊模塊、電源變換及管理模塊等組成，如圖 所示圖 系統(tǒng)硬件框圖因?yàn)楸鞠到y(tǒng)的功能豐富，信息采集量非常多，而且設(shè)備工作環(huán)境比較特殊，放置于野外高壓桿塔上，因此對(duì)硬件的設(shè)計(jì)采用特殊的雙處理器結(jié)構(gòu)是非常有必要的。，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主控芯片是一個(gè)C8051F320單片機(jī)，它完成并實(shí)現(xiàn)氣候數(shù)據(jù)采集、GRPS報(bào)警、泄漏電流報(bào)警、防盜報(bào)警等功能。而由一款A(yù)RM完成主要的數(shù)據(jù)采集(泄漏電流、分布電壓采集和圖像采集)和通信工作，并采用CAN或I2C總線通訊模塊，構(gòu)成一個(gè)功能強(qiáng)大豐富的大平臺(tái)。32 電源系統(tǒng)由于監(jiān)測(cè)終端是放置于桿塔上的，并沒有人監(jiān)護(hù)，那么就對(duì)供電電源的設(shè)計(jì)提出了非常高的要求，主要在以下幾個(gè)方面進(jìn)行考慮：一是整個(gè)電源系統(tǒng)本身必須保證是高效率、低功耗，大大延長(zhǎng)系統(tǒng)連續(xù)工作時(shí)間以及電池使用壽命；二是必須得具有較高的穩(wěn)定性和可靠性，并盡可能的將電源的性能指標(biāo)提高；三是與在線監(jiān)測(cè)技術(shù)結(jié)合起來，進(jìn)行抗干擾和安全保護(hù)設(shè)計(jì)。目前的在線監(jiān)測(cè)技術(shù)供電方式大多采用太陽能和風(fēng)能等，國(guó)內(nèi)少數(shù)公司則采用了導(dǎo)線取能方式。但是這三種取能方式所產(chǎn)生的電能都是間斷且不穩(wěn)定的，特別是太陽能，當(dāng)沒有陽光照耀的時(shí)候，是無法發(fā)電的。因此，為了保證設(shè)備供電的連續(xù)和穩(wěn)定，必須要有蓄電池或可充電電池給予輔助配合，即為監(jiān)測(cè)系統(tǒng)安裝一個(gè)小功率的UPS供電電源。本終端電源系統(tǒng)是針對(duì)野外現(xiàn)場(chǎng)的特殊環(huán)境進(jìn)行設(shè)計(jì)的，將兩塊15W 的太陽能電池板和兩塊容量為12022mah 的聚合物鋰離子電池組合在一起，同時(shí)結(jié)合微控制電路，有效組成了一套獨(dú)立的能量系統(tǒng)， 所示。在此系統(tǒng)中以光伏陣列最大功率點(diǎn)跟蹤（MPPT）為跟蹤方法，同時(shí)針對(duì)蓄電池單元專門設(shè)計(jì)了蓄電池管理子模塊，以及以各子模塊之上的管理策略為基礎(chǔ)，確保系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠運(yùn)行和電源系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。此外還需要將野外高壓惡劣環(huán)境下對(duì)系統(tǒng)的干擾考慮在內(nèi)，使得系統(tǒng)具有一定的干擾性。圖 太陽能光伏電源系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 基于ARM 的數(shù)據(jù)采集處理和傳輸控制器本文在數(shù)據(jù)采集及處理控制器的設(shè)計(jì)中，選用的是飛利浦公司生產(chǎn)的LPC2292，該存儲(chǔ)器基于一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32位ARM7TDMIS CPU 的微控制器，并附帶有256k字節(jié)嵌入的高速Flash存儲(chǔ)器。位寬為128位的存儲(chǔ)器接33口以及獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)能夠使得32位的代碼以最大的時(shí)鐘速率運(yùn)行，其原理圖。因?yàn)長(zhǎng)PC2292 較小、144 腳封裝、極低的功耗、集成2個(gè)32位定時(shí)器、8路10位ADC（）、2路CAN，2路UART（一路帶有MODEM功能），I2C（最大400kHz）、SPI總線，以及多達(dá)9個(gè)外部中斷使該控制器廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和POS 機(jī)。圖 LPC2292 系列 ARM 原理圖ARM7TDMIS是一種通用的32位微處理器，它具有高性能和低功耗的特點(diǎn)。ARM結(jié)構(gòu)是根據(jù)精簡(jiǎn)指令集計(jì)算機(jī)(RISC)原理而設(shè)計(jì)的。指令集以及相關(guān)的譯碼機(jī)制要比復(fù)雜指令集計(jì)算機(jī)要簡(jiǎn)單很多。因此，一個(gè)小的、廉價(jià)的處理器內(nèi)核就可以滿足很高的指令吞吐量和實(shí)時(shí)的中斷響應(yīng)需要。因?yàn)椴捎昧肆魉€技術(shù)，所有關(guān)于處理和存儲(chǔ)系統(tǒng)的部分都可以連續(xù)工作。通常情況下，是在執(zhí)行一條指令的同時(shí)，處理器對(duì)下一條指令進(jìn)行譯碼，并從存儲(chǔ)器中取出第三條指令。LPC2292完成了對(duì)256K的FLASH 存儲(chǔ)器系統(tǒng)的集成，可用作代碼以及存儲(chǔ)數(shù)據(jù)，并通過幾種方法來實(shí)現(xiàn)對(duì)FLASH存儲(chǔ)器的編程：通過串口進(jìn)行在系統(tǒng)編程（ISP）和UART0，通過內(nèi)置的串行JTAG接口，或通過在應(yīng)用編程（IAP）。在使34用在應(yīng)用編程的應(yīng)用程序的時(shí)候，也可以在應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí)對(duì)FLAH 進(jìn)行擦除和/或編程，這樣就提高了數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和現(xiàn)場(chǎng)固件的升級(jí)的靈活性。 無線數(shù)據(jù)傳輸單元設(shè)計(jì)在輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，作為在線監(jiān)測(cè)終端的一個(gè)非常重要的組成部分，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是連接監(jiān)控中心的橋梁，對(duì)采集終端的調(diào)試、功能和通用性有直接的影響。本系統(tǒng)通過GSM/GPRS 網(wǎng)絡(luò)及其通信接口，來完成對(duì)野外輸電線路的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸。 GSM數(shù)據(jù)通信GSM是Global System for Mobile Communications 的英文縮寫，中文意思是全球移動(dòng)通信系統(tǒng)。作為全球主要的蜂窩系統(tǒng)之一，GSM是以窄帶TDMA制式為基礎(chǔ)，允許在一個(gè)射頻內(nèi)8組通話同時(shí)進(jìn)行。從上個(gè)世紀(jì)80年代在歐洲興起以來，在1991年，GSM開始投入使用。截至到1997年底，GSM已經(jīng)在全世界100多個(gè)國(guó)家投入運(yùn)營(yíng)，實(shí)際上已經(jīng)成為了歐洲和亞洲的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，到了2022年，在全世界，已經(jīng)有了162個(gè)國(guó)家建設(shè)了400個(gè)GSM通信網(wǎng)絡(luò)。但是GSM系統(tǒng)有限的容量使得在網(wǎng)絡(luò)用戶發(fā)生過載現(xiàn)象時(shí)，就不得不構(gòu)建出更多的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施以滿足需求。值得欣慰的是GSM除了能夠提供標(biāo)準(zhǔn)化的列表和信令系統(tǒng)之外，還開放了一些比較智能的比如國(guó)際漫游之類的業(yè)務(wù)。GSM手機(jī)的方便之處在于它提供了一個(gè)我們稱之為SIM卡的智能卡，并且可以將機(jī)卡分離，這樣用戶在更換手機(jī)時(shí)十分便利的定制個(gè)人信息了。用戶使用GSM手機(jī)還能夠接收160字長(zhǎng)度的短信息。短消息服務(wù)業(yè)務(wù)SMS(short message service)是GSM的一項(xiàng)非常重要的業(yè)務(wù)，它可以利用GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸一定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)信息。本課題所研究的智能輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以借助GSM網(wǎng)絡(luò)SMS來完成現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)和監(jiān)控中心遠(yuǎn)程遙控命令等小數(shù)量的數(shù)據(jù)傳輸，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。SMS屬于GSM的第一代數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，因?yàn)樗鼉?nèi)在的簡(jiǎn)單性，也導(dǎo)致了它使用范圍的局限性。EMS(enhanced message service)是SMS的下一個(gè)升級(jí)版本，它的優(yōu)勢(shì)在與不僅可以像SMS那樣發(fā)送文本短消息，還能夠發(fā)送很長(zhǎng)的信息，比如簡(jiǎn)單音樂、文本、普通黑白圖以及某些動(dòng)畫等等，很大程度上這些服務(wù)是以現(xiàn)在的SMS為基礎(chǔ)的。在存儲(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制、停道及實(shí)現(xiàn)方式等方面EMS是與SMS一樣的，所以我們不需要對(duì)當(dāng)前的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)設(shè)施進(jìn)行升級(jí)，只要完成對(duì)SMS的擴(kuò)展即可。利用EMS來傳輸35數(shù)據(jù)和靜止或低速率活動(dòng)的圖像，以實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路現(xiàn)場(chǎng)的圖象監(jiān)控。 GPRS 數(shù)據(jù)通信GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service)的英文簡(jiǎn)稱，它是一種GSM 移動(dòng)電話用戶可以使用的移動(dòng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。我們通常將其描述為“”，也就是說這項(xiàng)技術(shù)是一種位于第二代（2G）和第三代（3G）之間的移動(dòng)通訊技術(shù)。它運(yùn)用GSM網(wǎng)絡(luò)中并沒有使用的TDMA信道，來實(shí)現(xiàn)中速的數(shù)據(jù)傳遞。GPRS改變了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維習(xí)慣，通過相應(yīng)功能實(shí)體的增加和對(duì)現(xiàn)有的基站系統(tǒng)的部分改造來完成對(duì)分組交換的改造，雖然相對(duì)來說這種改造的投入并不大，但是卻可以得到的用戶數(shù)據(jù)速率。GPRS作為一種基于全球手機(jī)系統(tǒng)（GSM）的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，是GSM的延續(xù)發(fā)展的結(jié)果。GPRS與以往連續(xù)在頻道傳輸方式的不同之處在與，它是以封包（Packet）式來完成數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，因此是以其傳輸資料單位來計(jì)算使用者所負(fù)擔(dān)的費(fèi)用，而不是使用其整個(gè)頻道，因此在理論上會(huì)降低成本。本課題所研制的智能輸電線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是以GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)為主要數(shù)據(jù)通信方式。在GPRS網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定運(yùn)行的前提下，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)系統(tǒng)配置，定時(shí)對(duì)存儲(chǔ)器中存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳輸。GPRS采用分組交換技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線，具有覆蓋面廣的特點(diǎn)，與短消息的費(fèi)率相比，GPRS的通信費(fèi)用僅僅是短消息費(fèi)率的幾十分之一，在增加傳輸數(shù)據(jù)量的同時(shí)，也大大降低了通信成本。理論上GPRS傳輸速率為170kbps，目前在該系統(tǒng)中一般上傳速率為2030kbps，而下載速率可達(dá)6090kbps 1。 無線通信模塊本設(shè)計(jì)采用 Motorola 公司的G18 手機(jī)模塊，這是一款工業(yè)級(jí)的手機(jī)模塊，具有GSM 和GPRS 功能，適合嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，采用28PIN 接口，可以方便地與微處理器自帶的MODEM 接口進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，支持休眠喚醒功能，另外大量輔助的接口也為設(shè)計(jì)帶來方便 2。G18 ~ 的電壓范圍可以工作，工作時(shí)以脈沖的形式傳送數(shù)據(jù)， 的脈沖，最壞的情況下在，這么大的電流要求PCB 的電源線盡量寬以減1 于曉然，基于 GPRS 的自動(dòng)抄表系統(tǒng)的研究，[學(xué)位論文]，河北工業(yè)大學(xué)，20222Motorola, G18 GSM/GPRS OEM Embedded Module Developer manual，2022 36少線路損耗，另外在電源端需要一個(gè)1000uF（或更大）的電容來減小電壓紋波。圖 G18 手機(jī)模塊通過 ON/OFF 引腳控制開關(guān)操作時(shí)序G18 模塊不會(huì)在有外電源的情況下自動(dòng)開機(jī)，它的開機(jī)方式有兩種，一種是使用ON/OFF引腳，另外一種是使用TS引腳，通過ON/OFF引腳還可以控制模塊的關(guān)機(jī)，這也是廠家推薦的方式。這種方式會(huì)使SIM卡按正確的次序脫離網(wǎng)路；如果直接通過切斷外電源關(guān)機(jī)，則可能造成SIM卡的損壞。ON/OFF 引腳的每一次電平變化，都可能引起手機(jī)模塊狀態(tài)的改變，可以通過DSC_EN 引腳的狀態(tài)判斷手機(jī)模塊的開關(guān)機(jī)狀態(tài)，如果DSC_EN 為高電平，則模塊為開機(jī)狀態(tài)，DSC_EN 為低電平則模塊為關(guān)機(jī)狀態(tài)。使用TS 引腳可以打開G18模塊，但是不能關(guān)閉它，TS 變?yōu)楦唠娖綍r(shí)（至少保持650ms），G18模塊被打開，使用TS 引腳控制的時(shí)候應(yīng)當(dāng)注意當(dāng)TS 為高電平時(shí)，模塊不能進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)。為了減少電流，在空閑時(shí)可以使 G18模塊進(jìn)入休眠模式，通過發(fā)送ATS24=n(n=1,2,3,4 seconds)使G18 在沒有數(shù)據(jù)傳送時(shí)等待n秒后進(jìn)入休眠模式，在這種模式下，MODEM接口被禁止，將電流減小到10mA以下。在休眠模式下主機(jī)要傳送數(shù)據(jù)時(shí)，可以通過拉低 wake up引腳將模塊喚醒，延時(shí)30ms后就可以傳送數(shù)據(jù)了，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，這個(gè)引腳要持續(xù)低電平。當(dāng)G18模塊需要通知主機(jī)有數(shù)據(jù)或進(jìn)入GPRS覆蓋區(qū)域時(shí)，模塊也可以通過wake up引腳通知主機(jī)。wake up 37引腳是一個(gè)雙向接口，圖 G18 手機(jī)模塊雙向喚醒接口示意圖 數(shù)據(jù)采集處理單元設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)采集單元實(shí)現(xiàn)泄漏電流和分布電壓采集，圖像采集，報(bào)警信號(hào)采集和氣候數(shù)據(jù)采集等功能，下面分別敘述。1．泄漏電流和分布電壓的采集泄露電流是一個(gè)動(dòng)態(tài)參數(shù)，在不同的條件下，其變化范圍很大(十幾微安～幾百毫安)，而且整體上幅值較小，普通的電流互感器難以對(duì)其有很好的響應(yīng)，而且由于一般材料的互感器難以對(duì)高頻和低頻同時(shí)有很好的相應(yīng)，且對(duì)于不同頻段的信號(hào)，傳遞函數(shù)也是變化的 3。這樣一個(gè)傳感器在設(shè)計(jì)、計(jì)算和調(diào)試上都存在很大困難。在本設(shè)計(jì)中通過直接將截流環(huán)獲取的泄漏電流引入一個(gè)采樣電阻的方式來產(chǎn)生一個(gè)可以適合的采樣電壓。這種方法實(shí)現(xiàn)方便，安裝簡(jiǎn)單，只要電阻選擇合適，就能獲得適合采樣的電壓信號(hào)，線性度好，無磁化飽和現(xiàn)象，對(duì)任意頻率的信號(hào)均有相應(yīng)，這種設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單可靠，大大降低了設(shè)備的復(fù)雜度和成本。但使用采樣電阻也有一些弊端：（1）有采樣電阻取得的電壓信號(hào)和原始電流信號(hào)時(shí)共地的，沒有任何的隔離，不像電流互感器那樣，原邊和副邊有一定隔離度；（2）電阻阻值隨溫度的變化導(dǎo)致精度降低。3 盛戈皞，江秀臣，曾奕，黃成軍，架空輸電線路運(yùn)行和故障綜合監(jiān)測(cè)評(píng)估系統(tǒng)，高電壓技術(shù)，：p183~18638（3）泄露電流變化范圍很大，在10uA——100mA，這么大的動(dòng)態(tài)范圍，很難選擇一個(gè)合適的采樣電阻使通過它取得的電壓在一個(gè)合適的范圍 4；對(duì)于（1），采用在后端信號(hào)調(diào)理電路中加入光耦隔離的方法，以防止信號(hào)中的干擾進(jìn)入微處理器，干擾系統(tǒng)正常運(yùn)行。對(duì)于（2），系統(tǒng)選取高穩(wěn)定性高精度采樣電阻，溫度系數(shù)為5ppm。對(duì)于（3），采用兩個(gè)采樣電阻串聯(lián)的方式解決泄露電流動(dòng)態(tài)范圍大的弊端。采用一個(gè)大阻值采樣電阻a 和一個(gè)小阻值采樣電阻b 串聯(lián)，選擇合適的電阻，可以在量程上和精度上同時(shí)滿足要求。經(jīng)過采樣電阻后信號(hào)通過由運(yùn)算放大器構(gòu)成的緩沖輸出級(jí)，在這一級(jí)也可以對(duì)信號(hào)做適當(dāng)?shù)姆糯?。為了防止采樣電阻上電壓過高（例如泄露電流很大，即將發(fā)生閃絡(luò)的時(shí)候），在運(yùn)放的輸入端加入了穩(wěn)壓二極管，當(dāng)電壓高于規(guī)定值時(shí)穩(wěn)壓二極管可以保護(hù)運(yùn)放不受破壞。Vref 是一個(gè)偏置電壓，由于后端采用單電源運(yùn)放，不能有負(fù)信號(hào)輸入，所有這里要對(duì)正弦信號(hào)做一個(gè)電壓抬升。由于需要同時(shí)測(cè)量泄漏電流中的工頻分量和脈沖分量，所以當(dāng)采樣電壓信號(hào)Vout1 或Vout2 通過模擬開關(guān)后，需要分別使信號(hào)通過一個(gè)高通濾波器和低通濾波器，分離出工頻分量和脈沖分量。圖 泄露電流兩級(jí)采樣電阻網(wǎng)絡(luò)圖示濾波器電路結(jié)構(gòu)采用 SallenKey 結(jié)構(gòu)，如圖 所示。4 楊巍巍，曾奕，江秀臣，一種絕緣子綜合在狀態(tài)在線測(cè)量裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，電氣應(yīng)用，（07）39圖 SallenK