GIS壓力實時監測系統設計與實現

張德才，何　峰，鮑　新，周興福，房　民

（國網山東省電力公司濟南供電公司，濟南　250012）

GIS壓力實時監測系統設計與實現

張德才，何峰，鮑新，周興福，房民

（國網山東省電力公司濟南供電公司，濟南250012）

針對變電站GIS壓力表巡視耗時長、難度大的現狀，設計了一套壓力實時監測系統。該系統基于變電站內部局域網絡，主要由攝像采集模塊、通信傳輸模塊、分析預警模塊構成。實際應用證明，該系統讀表正確率達99.7%，不僅大幅減少了運維人員的巡視工作量，顯著提高了GIS巡視效率，而且當設備壓力出現異常時能夠及時預警。

GIS；實時監測；攝像采集模塊；通信傳輸模塊；預警

0　引言

GIS將斷路器、隔離開關、接地開關、互感器等一次設備封閉在金屬接地的外殼中，在其內部充入具有一定壓力的SF6氣體。因此，GIS具有結構緊湊、占地面積小、可靠性高、安全性強、環境適應能力強等諸多優點，廣泛應用于高壓、超高壓領域［1-4］。如果GIS內部氣體的壓力過低，會使斷路器的滅弧能力降低［5-6］；壓力過高，會使斷路器機械壽命縮短或者內部SF6氣體液化［7］。因此，GIS內部氣體壓力狀況直接關系到變電設備的安全運行，是變電運維人員巡視的一項重要內容。

隨著電網規模的不斷擴大，變電站GIS設備數量也在大幅增加，GIS壓力表的巡視任務不僅變得異常繁重，而且還存在很多困難。據統計，濟南電網中位置高于3 m的SF6壓力表數量占所有SF6壓力表總數的21.27%，巡視人員只有攀登設備或借助絕緣梯凳等工具爬到高處才能準確讀表，不僅費力，而且存在著從高處跌落、被設備碰傷刮傷的危險。另外，安裝在小于0.5 m縫隙中的SF6壓力表占壓力表總數的7.86%，運維人員需要穿過很窄的縫隙或越過某些氣室才能巡視，同樣存在被設備碰傷刮傷的危險。以上情況也使得GIS設備的巡視效率低下、誤差過大。

為提高組合電器壓力表巡視效率，避免出現人身傷害，基于變電站已有通信網絡，結合變電運維工作實際，設計實現了GIS組合電器壓力表實時監測系統。該系統通過程序發送指令進行SF6表頭的圖像采集，然后將圖像數據傳送至系統服務器進行表計識別和壓力分析。不僅使準確性、巡視效率有了大幅提升，而且能夠實時進行壓力監測和預警，確保設備的安全穩定運行。

1　系統架構

GIS壓力表實時監測系統由攝像采集模塊、通信傳輸模塊、分析預警模塊3部分組成。其中，攝像采集模塊固定于SF6壓力表上，能夠接收服務器指令進行圖像采集，然后將圖像數據壓縮后以無線的形式發送給通信傳輸模塊。通信傳輸模塊在收到圖像數據后將其轉發給分析預警模塊，后者將接收到的圖像數據進行識別，并對壓力數據進行分析和歸檔，如圖1所示。

圖1　壓力實時監測系統架構

該系統的工作流程如圖2所示。系統通電后初始化各個工作單元，對各外設進行初始化配置，然后系統進入無線休眠狀態，等待無線喚醒命令。當系統被喚醒后進入測量狀態。測量模式有兩種，分為自動定時測量模式和手動測量模式。自動定時測量模式下，用戶根據需要設置測量時間間隔，然后開始計時，一個時間周期內讀取一次壓力數據。手動測量模式下，用戶通過計算機發送巡視指令，啟動系統讀表并給出結果。在各模式下，用戶根據實際需求測量數據。

2　攝像采集模塊

該模塊將單片機、CMOS傳感器、無線收發單元、補光單元等組合在一起，然后安裝固定在壓力表頭上，如圖3所示。該模塊在收到讀表指令時無線通信芯片CC1101自動喚醒并拍攝儀表的照片，通過433 MHz無線技術把儀表信息上傳到通信傳輸模塊。

2.1攝像采集模塊的設計

根據實際需要，攝像采集模塊需要完成圖像采集、處理、存儲、輸出、通信等功能。系統采用了ST公司的8位低功耗單片機完成控制工作，以Flash、CMOS圖像傳感器、CC1101通信單元、LED補光單元等為外圍電路，構建壓力表圖像采集器平臺，如圖4所示。

圖2　系統流程

圖3　攝像采集模塊

2.2電源管理

攝像采集模塊采用電池供電，所以電源節能管理非常重要。系統選用了低功耗的處理器，并且每個單元的供電采用分別控制的方法，休眠過程只有CPU和無線接收間歇性工作，大大節省工作用電。

圖4　攝像采集模塊功能

2.3COMS圖像采集

系統工作時原始的圖像數據量大，傳輸帶寬大，為了更好地節省資源，采用壓縮采集于一體分辨率為200萬像素的COMS傳感器，圖像以JPEG數據輸出，一張壓力表圖像8 kB左右，大大節省了數據流量。

另外，COMS傳感器正常工作過程中消耗的電量遠低于CCD的消耗，而且與周邊電路的整合性高。通過將ADC與信號處理器整合在一起，使模塊的體積大幅縮小，取得最佳效果。

2.4無線傳輸

為更好地保護網絡信息安全，系統采用433 M無線頻段近程通信并選用了TI的無線通信芯片CC1101。CC1101廣泛應用于極低功耗RF應用，能夠進行數據的自動組包與拆包、空閑信道評估（CCA）、RSSI功能、數據緩沖、突發傳輸、無線喚醒、交織以及白化等功能，適用于低于1 GHz頻率的RF設計。電路如圖5所示。

圖5　CC1101電路

3　通信傳輸模塊的設計

通信傳輸模塊主要由單片機、無線通信芯片CC1101、以太網接口等硬件組成，負責服務器與攝像采集模塊之間的指令傳送、數據傳送，起到圖像近程采集到遠程傳輸的承上啟下的作用，主要功能如圖6所示。

圖6　通信傳輸模塊功能

該系統將單片機、無線通信芯片等進行封裝，內置可充電電池，也可以外接電源，如圖7所示。該裝置固定在GIS設備區內，可滿足所有壓力表攝像采集裝置通信傳輸的需要。

圖7　通信傳輸模塊實物

4　分析預警模塊的設計

攝像采集模塊拍攝的GIS壓力表圖像，通過通信傳輸模塊上傳到服務器，采集結果以JPEG圖片形式保存。數據進入系統服務器后，服務器采用霍夫變換及中心投影算法進行識別［8-10］。系統數據庫保存了所有壓力表的歷史數據，能夠根據設備區溫度數據分析當前設備區壓力是否正常、變化趨勢等，如遇到壓力突變或持續變化情況，能夠自動報警，提醒運維人員到站檢查，如圖8所示。

5　系統應用

2014年6月至2015年10月，該系統在220 kV興隆站、220 kV水屯站、220 kV賢文站、220 kV安康站和220 kV繡江站進行了安裝實驗。采用自動定時測量模式，時間間隔設定為2 h，5座變電站各巡視6 216次，實驗統計數據如表1所示。

圖8　系統軟件界面

表1　系統應用數據

由表1可以看出，提出的壓力實時監測系統，克服了高度、角度、亮度等因素的影響，讀表正確率遠高于人工巡視；而且巡視時間減少到原來的5.62%～7.6%，大幅提高了壓力表的巡視效率和巡視質量。

6　結語

針對GIS組合電器壓力表巡視中存在的問題設計壓力表實時監測系統。首先由攝像采集模塊采集壓力表圖像，然后將圖像數據發送給通信傳輸模塊，再由通信傳輸模塊轉發給系統服務器進行計算和分析。實際應用證明，該系統不僅顯著提高了巡視效率、降低了巡視過程中人身傷害的風險，而且具備壓力實施監測和預警的功能，具有良好的推廣前景。

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［3］胡邦基.全封閉組合電器在電力系統的應用［J］.華北電力技術，1994（7）：45-49.

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［7］劉亞坤.SF6封閉式組合電器氣室安全設計研究［D］.大連：大連理工大學，2010.

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［10］何智杰，張彬，金連文.高精度指針儀表自動讀數識別方法［J］.計算機輔助工程，2006，15（3）：9-1.

Realtime Monitoring System for the Pressure of GIS

ZHANG Decai，HE Feng，BAO Xin，ZHOU Xingfu，FANG Min
（State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

A realtime-monitoring system for the pressure of GIS is proposed in view of the present situation of difficult and inefficient routine inspection.Based on the substation internal local area network，the system is constructed of image capture，communication，and the analysis and warning modules.Practical applications prove that the accuracy of the pressure gauges recognition of the system is over 99.7%.which reduces the workload of the operators considerably，increases the efficiency of routine inspection markedly，and more，can give an early warning when the pressure of GIS is abnormal.

gas insulated substation（GIS）；realtime-monitoring；image capture module；communication module；early warning

TM732

B

1007－9904（2016）08－0046－04

2016-03-12

張德才（1985），男，工程師，從事變電運維與管理方面的工作；

何峰（1973），男，高級技師，從事變電運維與管理方面的工作；

鮑新（1968），男，工程師，從事變電運維與管理方面的工作；

周興福（1983），男，工程師，從事變電運維與管理方面的工作；

房民（1963），男，高級技師，從事變電運維與管理方面的工作。