小波變換在小區(qū)變監(jiān)控系統(tǒng)圖像輸出上的應(yīng)用

顏 昕

（國網(wǎng)南京供電公司，江蘇 南京 210000）

隨著國民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，城市的工業(yè)和民用負(fù)荷增長很快，對(duì)供電企業(yè)安全可靠供電的要求也越來越高。但由于小區(qū)變電站分布廣、數(shù)量大，供電企業(yè)往往難以及時(shí)發(fā)現(xiàn)其運(yùn)行中出現(xiàn)的問題，致使因其設(shè)備故障或事故導(dǎo)致用戶停電的情況時(shí)有發(fā)生。由于計(jì)算機(jī)和通訊技術(shù)的發(fā)展，加之人們對(duì)自動(dòng)化理論認(rèn)知的深化，一種基于無線公網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)解決了小區(qū)變電站難以有效管理這一長期以來困擾供電企業(yè)的難題，并已經(jīng)在實(shí)際應(yīng)用中取得了良好的效果。

1 小區(qū)變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的作用

小區(qū)變遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在小區(qū)變電站可實(shí)現(xiàn)以下監(jiān)控作用。

(1)將安保和消防等功能融為一體。針對(duì)當(dāng)前小區(qū)變無人值守的狀況，通過增加防盜報(bào)警、火災(zāi)報(bào)警、SF6氣體泄漏報(bào)警、缺氧報(bào)警等功能，及時(shí)將小區(qū)變的異常情況告知運(yùn)行維護(hù)人員，以及時(shí)消除事故隱患，提高運(yùn)行管理水平。

(2)實(shí)現(xiàn)小區(qū)變電站運(yùn)行狀態(tài)的監(jiān)測及保護(hù)。保護(hù)方式有以下幾種：過電流保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、電流速斷保護(hù)、零序電流保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)。

(3)解決了電力系統(tǒng)對(duì)小區(qū)變難以集中管理的難題。通過對(duì)多個(gè)小區(qū)變無線組網(wǎng)，用1臺(tái)終端即可監(jiān)測網(wǎng)內(nèi)所有的小區(qū)變，實(shí)現(xiàn)對(duì)所轄小區(qū)變集中遙信、遙測和遙控。

2 小區(qū)變監(jiān)控系統(tǒng)組成

小區(qū)變綜合監(jiān)控系統(tǒng)由門禁功能、防盜報(bào)警功能、火災(zāi)報(bào)警功能、SF6氣體泄漏檢測報(bào)警功能、無線遠(yuǎn)程遙測功能、圖像顯示等功能組成。小區(qū)變綜合監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示，系統(tǒng)采用ARM+DSP架構(gòu)。ARM運(yùn)行Linux系統(tǒng)，接收SF6變送器、防盜探測器、門禁讀卡器、DSP串口數(shù)據(jù)等信號(hào)，并驅(qū)動(dòng)相應(yīng)的空調(diào)、大門、通風(fēng)機(jī)、開關(guān)柜和GPRS無線射頻模塊等設(shè)備。DSP用于控制監(jiān)控系統(tǒng)，采集現(xiàn)場圖像并通過算法壓縮圖像經(jīng)串口發(fā)送至ARM。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

圖1中最小系統(tǒng)負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場各項(xiàng)檢測信號(hào)，并將采集到的現(xiàn)場檢測信號(hào)進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換、分析運(yùn)算，完成相應(yīng)外設(shè)驅(qū)動(dòng)功能。GPRS傳輸模塊負(fù)責(zé)將經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)或?qū)崟r(shí)的報(bào)警信號(hào)通過無線公網(wǎng)上傳至集控中心上位機(jī)。集控中心上位機(jī)主要由監(jiān)控計(jì)算機(jī)(上位機(jī))和監(jiān)控管理軟件組成，1臺(tái)管理終端單元可對(duì)數(shù)十個(gè)小區(qū)變電所進(jìn)行集中監(jiān)控，可對(duì)各種監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行分類管理，并可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的遙測、遙信和遙控功能。

3 小波壓縮算法

小區(qū)變綜合監(jiān)控系統(tǒng)需要將變電站現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸至集控中心上位機(jī)，監(jiān)控系統(tǒng)在遇到突發(fā)情況，如防盜報(bào)警、事故異常等情況時(shí)，將及時(shí)啟動(dòng)監(jiān)控視頻探頭抓拍現(xiàn)場情況。由于圖片數(shù)據(jù)量一般較大，而目前的GPRS帶寬和資費(fèi)問題，有必要將圖片數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理。由于圖片的二維編碼信息中包含較大的冗余細(xì)節(jié)成分，所以考慮采用小波包分析算法對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮。在同樣的通信容量下，如果將圖像數(shù)據(jù)壓縮后再傳輸，就可以傳輸更多的圖像。

圖像壓縮的要求是：壓縮后的圖像要有合適的信噪比，在壓縮、傳輸、恢復(fù)過程中要求圖像的失真小。

基于多分辨分析的小波變換可以對(duì)信號(hào)進(jìn)行有效的時(shí)頻分解，小波分析能夠?yàn)樾盘?hào)提供一種更精細(xì)的分析方法。它將頻帶進(jìn)行多層次劃分，對(duì)多分辨率分析沒有細(xì)分的高頻部分進(jìn)一步分解，并能夠根據(jù)被分析信號(hào)的特征，自適應(yīng)地選擇相應(yīng)頻帶，使之與信號(hào)頻譜相匹配，從而提高了時(shí)-頻分辨率。因此小波變換具有更廣泛的應(yīng)用價(jià)值。小波分析可以表示為圖2的小波樹狀結(jié)構(gòu)。

圖2 小波分解結(jié)構(gòu)

在圖2中，A表示低頻，D表示高頻，末尾的序號(hào)數(shù)表示小波分解的層樹。其分解關(guān)系為：S=AAA3+DAA3+ADA3+DDA3+AAD3+DAD3+ADD3+DDD3。由于圖像經(jīng)過小波分解后，可得到不同分辨率的子成分，而不同分辨率的子成分對(duì)應(yīng)的頻率是不相同的。對(duì)一個(gè)圖像來說，表現(xiàn)一個(gè)圖像最主要的部分是低頻部分，所以一個(gè)最簡單的壓縮方法是利用小波分解，去掉圖像的高頻部分而只保留低頻部分。

以圖3所示的小區(qū)變監(jiān)控圖片為例，采用sym3小波進(jìn)行2層小波樹分解，可得到圖4所示的分解結(jié)構(gòu)。

圖3 變電站監(jiān)控圖片

圖4 二維離散小波變換分解效果

考慮到算法的復(fù)雜度，采用全局閾值200，壓縮能量百分比為99.16 %，置0個(gè)數(shù)百分比為93.13 %，壓縮重構(gòu)圖像如圖5所示。圖6為重構(gòu)后的圖像，表1為壓縮后的數(shù)據(jù)量。

圖5 重構(gòu)效果

圖6 重構(gòu)后圖像

表1 壓縮后數(shù)據(jù)量

從表1可以看到，通過小波包壓縮得到的全值閾值化的壓縮圖片中，能量幾乎沒有損失，且零系數(shù)成分相對(duì)較高。對(duì)于高頻成分很多的圖像，小波分解尤其能發(fā)揮其優(yōu)勢。

4 總結(jié)

在整個(gè)小區(qū)變監(jiān)控系統(tǒng)中使用小波壓縮后，減小了數(shù)據(jù)的傳輸量，并通過仿真驗(yàn)證了小波壓縮后的圖片在數(shù)據(jù)量明顯減小的情況下能較好地保證圖像的質(zhì)量。使用該小區(qū)變電站綜合監(jiān)控系統(tǒng)，能夠保障小區(qū)變的安全可靠供電，提高小區(qū)變的安全管理水平。

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