基于Cortex-M3处理器的输电线路状态监测数据采集器的系统设计

文/国网电力科学研究院 汤祥林 曹翊军 李桂平/

0 引言

智能电网由智能电厂、智能输电网及智能售用电等组成，智能输电网是其中的重要一环，因此对输电设备管理的要求会更高。维护和管理输电设备的安全运行的工作会面临更大的挑战。大容量、超高压、远距离、北电南送、西电东送的大电网对输变电设备的运行和维护，以及管理的要求更高。电网的通道微气象、微地形特征明显，强雷暴、覆冰雪、飑线风等极端天气较为多发，严重威胁设备的安全运行。因此有必要引入信息通信领域新技术，积极自主创新，建设特大电网输电线路状态监测系统，提高特大电网输电线路管理控制水平和应急快速处置能力。

在线监测系统中，数据传输要求可靠，实时。如何建立高速可靠的通信方式，确保监测数据实时准确回传是状态监测系统建设需重点考虑的问题。

相同或类似的产品在公开刊物上没有明显的报道，一般是在单一传感器中集中数据采集和通讯模块，每个单一传感都要配备一套通讯器件，这样需要多个或多种传感器时，产品的通讯方式单一，产品成本和通讯成本较大，也不利于数据管理等。

最大限度的优化资源配置，降低装置成本、降低通信费用、提高装置可靠性、降低装置功耗、提高监测精度。将近年来才出现的ARM Cotex-M3处理器新技术应用在输电线路数据采集装置中，并与嵌入式操作系统结合，使本项目中所涉及的技术新型、可靠、低功耗等优点，顺应电网智能化的发展趋势，这些特点使其能够广泛的运用于输电线路在线监测领域，保障输电线路的安全和可靠。

1 输电线路状态监测通信系统架构

1.1 通信系统总体架构

根据国家电网公司颁布的《输变电设备状态监测系统技术导则》和《输电线路状态监测代理技术规范》，输电线路状态监测通信系统总体框图如图1所示。

图1 输电线路状态监测通信结构框图

图1所示，系统中有三个重要的组成部分：主站（含CAG）、CMA和CMD。主站系统 Master Station System（MSS），能接入各类输变电设备状态监测信息，并进行集中存储、统一处理和应用的一种计算机系统。主站系统包括集中数据库、CAG、数据加工、数据服务及各种状态监测应用模块。CAG（Condition Acquisition Gateway）状态接入网关机，是一种关口设备，部署在主站系统侧，远程连接CMA（状态监测代理）的一种计算机。它可从CMA获取各种状态信息并由校验功能，而且可对控制CMA。在智能电网系统中，有线路CAG和变电CAG两种。在输电线路状态监测系统中，采用线路CAG。CMA（Condition Monitoring Agent）状态监测代理，具有协调局部区域内的各种输电线路状态监测装置的作用，收集状态监测装置采集到的数据，可替代状态监测装置同主站系统进行可靠的数据通信。不同厂家、不同类型、不同线路上的状态监测装置都可接入CMA，这样可对各种状态监测装置实现实现智能、标准和安全的接入。CMD（Condition Monitoring Device）状态监测装置，同样有输电CMD和变电CMD,输电CMD安装在被监测的输电设备杆塔附近或杆塔上。输电CMD一方面采集被监测设备的状态数据，处理并保存；另一方面和状态监测代理、综合监测单元等进行数据交换。另外其本身直接连接传感器，采集数据、处理数据。同时输电CMD可以通过命令方式控制数据采集单元。

1.2 状态监测装置系统结构

数据采集器是状态监测装置（CMD）的一个组成部分，上联各种通讯终端，与状态监测代理（CMA）数据通信，下接各种状态量传感装置，控制并收集各状态量数据。

图2是状态监测装置(CMD)的系统结构图，核心部分是数据采集器，各种状态数据主要来自覆冰监测、风偏监测、微风振动、杆塔倾斜、导线弧垂和导线温度等测量装置。数据采集器通过通讯协议I1向状态监测代理接收命令和发送数据。主要通讯终端有卫星终端、GPRS终端、WIFI终端和VHF终端。根据实际情况，采用多种供电方式，一种或多种方式同时采用，包括光伏供电、风机供电和市电方式供电。

图2 状态监测装置 CMD）系统图

2 数据采集器主要功能

2.1 具有掉电数据保护功能，系统失电后，装置内的监测数据及各种工作、测量用参数不丢失。

2.2 支持在系统升级，即在不拆卸设备外壳、不改变设备硬件状态的前提下可对其进行软件功能升级或维护。

2.3 支持主信道，备用信道双信道通讯, 采用I1层协议,远程传输数据到状态监测代理（CMA）,通信终端可以是VHF、PSTN、GPRS、CDMA、北斗卫星等。同时也支持Ethernet远程通讯.

2.4 具有定时测量、自报、苏醒、心跳等功能，测量结果可形成文件，通过SD卡保存并交换。

3 数据采集器系统结构

系统采用嵌入式操作系统, 该系统是一个完整的可移植的操作系统。用户能结合自身的功能裁减，固化操作系统。主要有以下特点：

1）可移植性 可以移植到多种CPU上。

2）可固化 可以固化到嵌入式系统中。

3）可裁减 可以定制嵌入式操作系统，使用少量的系统服务。

4）可剥夺性 嵌入式操作系统是完全可剥夺的实时内核，操作系统总是运行优先级最高的就绪任务。

5）多任务运行 操作系统的可以管理最多256个任务。每个任务要求有不同的任务优先级，系统调度不支持时间片轮转。

6）可确定性 操作系统的函数调用和系统服务的执行时间可以确定。

7）任务栈 每个任务都有自己的单独的栈，而且每个任务栈空间的大小可以不一样。

8）系统服务 操作系统有很多系统服务，如信号量、时间标志、消息邮箱、消息队列、时间管理等等。

图3为数据采集器系统结构图，其中CPU为ARM Cortex-M3处理器,使用外部SRAM, 提供操作系统运行的数据空间，Nand Flash为系统存放数据文件，以太网采用工级以太网芯片。系统具备5个RS232通信口，分别用于主信道、辅信道、本地通信、SDI接口及RS485通讯。

图3 数据采集器系统结构图

系统采用ARM Cortex－M3处理器[1]，它包括所有的16位Thumb指令集和基本的32位Thumb-2指令集架构，它拥有功耗低、成本低、性能高的优点。性能是ARM7性能的2倍，功耗比ARM7低1/3。哈佛结构，分离的指令总线和数据总线，取指和取值互不影响，运算速度快。其主要特点有：

1）采用了基于哈佛架构的3级流水线内部核心[2]，集成了单周期乘法、分支预测、硬件除法等众多功能强大的特点。运行速度达到1.25DMIPS/MHz,而功耗仅为0.19mW/MHz。

2）采用Thumb-2指令集具有更强的性能河更高的指令效率。Thumb-2指令集结合了16位指令的代码密度和32位指令的性能，其低层关键特性使得C代码的执行更加自然，无需交互使用ARM代码和Thumb代码。

3）Cortex-M3具有丰富的中断和丰富的中断优先级。通过抢占、尾链、迟到（Late-arriving）技术，使得对中断事件的响应更加迅速，从低功耗模式唤醒时间只需6个CPU周期。

4 低功耗设计

低功耗设计是保证野外环境下系统可靠运行和方便安装维护的关键技术。电子产品的功耗主要与工作频率、电源电压及节点电容等因素相关，需要考虑元器件选型和接口电路处理等[3]。系统采用3.3V供电，主要考虑主要器件的选型上采用低功耗器件，包括处理器，网络通信及串口通信器件。

系统采用ARM Cortex-M3处理器内核，功耗低。在内核级支持睡眠模式和深度睡眠模式。通过使用等待中断指令和等待事件指令，内核可以进入睡眠模式，并且以不同的方式唤醒。另外，模块的时钟是尽可能地分别提供，所以在睡眠时可以把Cortex-M3的大多数功能模块停掉。采用ARM Cortex-M3内核的处理器有三种低功耗模式[4]，睡眠模式、停止模式和待机模式。为了保证系统低功耗，又能及时处理外部中断，使处理器平时处于掉电模式，在相应的事件触发后立即进入全速运行状态，任务完成后自动返回掉电模式。

网络芯片的功耗一般是低功耗系统中主要耗电器件，因此选用一款既可靠，又能进入理想低功耗状态的芯片是系统设计的关键。网络芯片采用3.3V工作电压，支持三种低功耗模式，硬件待机、硬件挂起和软件挂起,所有三种模式都由软件控制实现。在网络芯片不工作时，使其进入硬件待机模式，使芯片处在最低功耗方式，其最高功耗不大于100uA。

串口通讯是系统的主要通讯方式。串口数量多且通讯工作时间长，因此处理好串口通讯的功耗，就基本解决了系统的低功耗问题。采用低功耗的RS232转换器件，能够在应用程序控制下，自动地打开和关闭串口器件，器件掉电时，最小电流仅为1uA。当外部有数据请求时，会触发系统中断，打开串口器件，进行通讯。

5 结语

数据采集和数据传输在输电线路状态监测中是重要一环，输电线状态监测涉及的传感器种类多，数量大；参数具有多样性和复杂性。文章结合ARM Cortex-M3系统特点，将Cortex-M3的技术特点充分应用在输电线路数据采集器设计中，并通过合理的功能设计，研制的一种功耗低、功能强、安装方便、便于使用的数据采集器，为输电线路状态监测提供了可靠、有效的基础数据来源。

[1]ARM Cortex-M3Revision: r1p1 Technical Reference Manual .

[2]ARM ARM-v7-M Architecture Reference Manual.

[3]曹年红.水利水电与电网气象综合监测系统.水电自动化与大坝监测.2010.3.

[4]ST STM32F103 Reference manual.