基于智能可視化管理的變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

鄭雪娜 陶家元 王瑞雪 沈國杰

摘? 要： 傳統(tǒng)的變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)不能具體顯示出存在異常的線路，需要依靠人工分析。為此，設(shè)計基于智能可視化管理的變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計視頻采集卡捕捉異常情況，將結(jié)果展示在可視化模塊中，通過該模塊管理采集的圖像確定異常原因和位置完成系統(tǒng)硬件設(shè)計;設(shè)計圖像處理模塊保證采集的視頻圖像清晰，將數(shù)據(jù)保存在狀態(tài)數(shù)據(jù)庫中，為用戶提供實時數(shù)據(jù)，實現(xiàn)智能監(jiān)控，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計;結(jié)合硬件和軟件設(shè)計完成整個系統(tǒng)的設(shè)計。測試結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)相比，設(shè)計的基于智能可視化管理的變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)⒋嬖诋惓Ｇ闆r的線路完整地顯示出來，減輕了對人工分析的依賴程度，該系統(tǒng)更適合應(yīng)用在變電站智能監(jiān)控中。

關(guān)鍵詞： 變電站; 智能監(jiān)控; 系統(tǒng)設(shè)計; 可視化管理; 圖像處理; 模塊管理

Abstract： As the traditional substation intelligent monitoring system can′t specifically show the abnormal lines， and needs to rely on manual analysis， a substation intelligent monitoring system based on intelligent visual management is designed. The video capture card is designed to capture abnormal conditions， and the results are displayed in the visualization module. The collected images are managed by the visualization module to determine the cause and location of the abnormal conditions， so that the system hardware design is completed. The image processing module is designed to ensure that the collected video images are clear， and the data is stored in the state database to provide real?time data for users， so as to realize intelligent monitoring and complete the software design. The overall system design is completed in combination of the hardware design and software design. The testing results show that， in comparison with the traditional monitoring system， the designed substation intelligent monitoring system based on intelligent visual management can display the line with abnormal conditions completely and reduce the dependence on manual analysis. The system is more suitable for the substation intelligent monitoring.

Keywords： substation; intelligent monitoring; system design; visual management; picture processing; module management

0? 引? 言

電能是使用最為廣泛的二次能源，是目前人們生活最不能缺少的一種能源形式。電力相關(guān)部門將各種形式的一次能源轉(zhuǎn)換為相對清潔的電能，利用電網(wǎng)從發(fā)電廠傳輸至各級用戶[1]。

隨著電網(wǎng)的不斷發(fā)展，逐漸產(chǎn)生了一些嚴(yán)重的問題，變電站作為電網(wǎng)中的重要一環(huán)，其安全與否影響電網(wǎng)的整體運行情況[2]。變電站主要工作包括正常操作、狀態(tài)檢測、事故判斷和處理，但變電站是高強度高輻射場所，工作人員長期工作在此環(huán)境下，影響身體健康。而智能監(jiān)控系統(tǒng)可以遠(yuǎn)距離對變電站的電氣設(shè)備及運行狀態(tài)進行監(jiān)控，保證工作人員的身體健康[3]。但目前變電站使用的監(jiān)控系統(tǒng)，僅具有遠(yuǎn)程監(jiān)控能力，還需要人工來分析和解決問題[4]。因此，本文設(shè)計基于智能可視化管理的變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)。

可視化管理可以實現(xiàn)管理的可視化、透明化。采用傳感器遠(yuǎn)程監(jiān)控變電站，通過智能移動終端實時監(jiān)控變電站，并通過更具體的圖像信息來表達實時監(jiān)控情況，使工作人員直觀了解變電站的運行狀態(tài)。為此，實現(xiàn)基于智能可視化管理的變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計。

1? 變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示，其中服務(wù)器端主要作為業(yè)務(wù)能力的存儲中心，采用瀏覽器作為客戶端，根據(jù)智能變電站信息共享和可靠運行的實際需求，通過服務(wù)器實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控管理[5]。

遠(yuǎn)程監(jiān)控管理用戶通過Web瀏覽器訪問服務(wù)器，移動終端通過無線網(wǎng)絡(luò)獲得監(jiān)控數(shù)據(jù)，并傳送到數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫對數(shù)據(jù)進行保存。

2? 變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1? 視頻采集卡設(shè)計

采集數(shù)據(jù)是監(jiān)控系統(tǒng)最重要的工作，在變電站的周界、重要設(shè)備、開關(guān)處安裝高清攝像頭，由遠(yuǎn)程控制中心下達指令，通過視頻監(jiān)控準(zhǔn)確地顯示出現(xiàn)異常情況的位置和圖像，并傳送至可視化模塊。其異常情況的捕捉主要通過視頻采集卡實現(xiàn)，視頻采集卡將采集的模擬視頻信號、電平信號實時轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，并且進行壓縮編碼，將視頻信號轉(zhuǎn)換為MPEG格式保存在數(shù)據(jù)庫中。視頻采集卡為24位，采集速度每秒30幀，分辨率640×480，能實時動態(tài)地采集視頻信號，具有性能穩(wěn)定、圖像清晰的優(yōu)點。

采用PCI總線技術(shù)，在計算機中同時安裝4張視頻采集卡，每張均可采集4個方向的數(shù)據(jù)，以擴大系統(tǒng)監(jiān)控的范圍。視頻采集卡實物圖如圖2所示。

2.2? 可視化模塊設(shè)計

可視化模塊是智能監(jiān)控系統(tǒng)的用戶交互模塊，遠(yuǎn)程控制中心將得到的數(shù)據(jù)或記錄顯示在用戶交互界面[6]。為詳細(xì)顯示變電站設(shè)備運行狀況，采用SVG接線圖來展示設(shè)備圖像、連接線路[7]。

利用JS修改SVG圖形的transform和viewBox等屬性來實現(xiàn)對接線圖的放大、縮小和移動等操作，使可視化屏幕顯示出清晰的圖像。向設(shè)備圖形添加deviceType屬性，控制圖形的隱藏和顯示，可同時顯示幾種設(shè)備的監(jiān)控情況[8]。為保證用戶實時掌握變電站設(shè)備的運行情況，數(shù)據(jù)采集后，調(diào)用系統(tǒng)中的Web服務(wù)，將數(shù)據(jù)保存至狀態(tài)數(shù)據(jù)庫并展示在交互面上。設(shè)備接線顯示如圖3所示。

設(shè)備接線通過可視化模塊顯示，用戶可通過適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，觀察到圖像中的細(xì)節(jié)，準(zhǔn)確地找到變電站發(fā)生異常的問題和位置。

3? 變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1? 監(jiān)控圖像處理

攝像機采集的圖像為二值圖像[px，y]，結(jié)構(gòu)元素二值模板為[lu，v]，腐蝕算法原理如下：

式中，[fx，y]和[zx，y]分別為經(jīng)過腐蝕和膨脹后的圖像。其中，腐蝕是利用結(jié)構(gòu)元素掃描圖像中的像素，用結(jié)構(gòu)元素與其對應(yīng)覆蓋的二值圖像進行“與”操作，獲得運算結(jié)果為1的像素，組成新圖像。此過程可以去除細(xì)小的前景塊，使采集的圖像更清晰[9?10]。膨脹是利用結(jié)構(gòu)元素掃描像素，執(zhí)行“或”運算，保留運算結(jié)果為0的像素，目的是填充前景空洞，將相近的前景塊黏合在一起[11]。最后將兩個結(jié)果通過算法處理獲得最終的采集圖像，將其傳送至遠(yuǎn)程控制中心，保存至數(shù)據(jù)庫中。

3.2? 狀態(tài)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

狀態(tài)數(shù)據(jù)庫可以維護變電站各個監(jiān)控設(shè)備的詳細(xì)數(shù)據(jù)和封裝基本數(shù)據(jù)庫。通過Connection Ptr連接對象指針mCon，利用StartUp啟動數(shù)據(jù)庫服務(wù)，Connect連接數(shù)據(jù)庫，通過SQL執(zhí)行語句實現(xiàn)數(shù)據(jù)的增刪改查功能;用戶操作完成后利用void Close Connect關(guān)閉數(shù)據(jù)庫。表1為保存在數(shù)據(jù)庫中的設(shè)備運行狀態(tài)信息表。

4? 變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)仿真測試

4.1? 測試準(zhǔn)備

測試使用Java編程語言實現(xiàn)測試人員操作界面和變電站監(jiān)控可視化顯示，使用基于Windows操作系統(tǒng)的主機實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的通信連接。測試在局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進行，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置3套網(wǎng)絡(luò)中心，防止外在因素對測試的干擾，使測試過程更穩(wěn)定安全。

4.2? 通信距離測試

測試通過調(diào)整監(jiān)控節(jié)點的發(fā)射功率，在空曠和有障礙物兩種環(huán)境中查看在不同的距離和環(huán)境下，系統(tǒng)通信是否正常。測試使用的設(shè)備有終端節(jié)點、上位機和SmartRF04EB仿真器。系統(tǒng)硬件中視頻采集卡的信號輸出功率由寄存器控制，寄存器值與輸出功率的具體內(nèi)容如表2所示。

從系統(tǒng)中提供的API函數(shù)獲取接收信號強度指數(shù)。通過仿真器下載程序至終端節(jié)點，測試該節(jié)點在空曠和有障礙物兩種環(huán)境下的可靠通信距離，通過上位機串口，查看不同發(fā)射功率和終端節(jié)點在不同距離發(fā)送至上位機的接收信號強度指數(shù)，根據(jù)結(jié)果判斷不同功率所對應(yīng)的可靠通信距離。通信距離測試結(jié)果見表3。

通過分析測試結(jié)果可知，輸出功率越大，可靠通信距離越遠(yuǎn)，故在后續(xù)系統(tǒng)測試中將輸出功率設(shè)置為10 dBm，保證系統(tǒng)通信可靠。

4.3? 監(jiān)控結(jié)果對比及分析

在相同測試環(huán)境下，使用與變電站設(shè)備屬性相同的5個測試裝置，利用上位機修改其中1個裝置的參數(shù)，使其變?yōu)榇嬖诋惓Ｇ闆r的設(shè)備。使用設(shè)計的智能監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控以上裝置，通過可視化模塊顯示出結(jié)果，同時為了更好地驗證該系統(tǒng)的性能，引用傳統(tǒng)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)，在相同的條件下同時測試，對比測試結(jié)果見圖4。

從圖4a）中可以看出，該系統(tǒng)準(zhǔn)確地監(jiān)控到了存在異常情況的設(shè)備，同時顯示出具體的位置，但是并沒有明確地顯示出存在異常的線路，需要依靠人工排查。而圖4b）中的設(shè)計系統(tǒng)不僅監(jiān)控到了存在異常情況的設(shè)備，其監(jiān)控到的位置也更具體。通過鼠標(biāo)點擊設(shè)備可顯示出存在異常問題的線路，這是因為在系統(tǒng)中添加了可視化模塊，使問題更具體地顯示出來。兩者相比，本設(shè)計系統(tǒng)監(jiān)控能力更優(yōu)越，更適合長期發(fā)展和應(yīng)用。

5? 結(jié)? 語

變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)通過攝像機實時監(jiān)控變電站設(shè)備運行狀態(tài)，利用視頻采集卡將模擬視頻信號、電平信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，經(jīng)過處理后將監(jiān)控結(jié)果傳送至可視化模塊，展示在用戶面前，完成基于智能可視化管理的變電站監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計。通過仿真測試，證實了該系統(tǒng)可有效地解決傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)中存在的問題，適合長遠(yuǎn)發(fā)展。

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