GIS壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張德才，何　峰，鮑　新，周興福，房　民

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南　250012）

GIS壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張德才，何峰，鮑新，周興福，房民

（國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，濟(jì)南250012）

針對(duì)變電站GIS壓力表巡視耗時(shí)長(zhǎng)、難度大的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一套壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于變電站內(nèi)部局域網(wǎng)絡(luò)，主要由攝像采集模塊、通信傳輸模塊、分析預(yù)警模塊構(gòu)成。實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)讀表正確率達(dá)99.7%，不僅大幅減少了運(yùn)維人員的巡視工作量，顯著提高了GIS巡視效率，而且當(dāng)設(shè)備壓力出現(xiàn)異常時(shí)能夠及時(shí)預(yù)警。

GIS；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；攝像采集模塊；通信傳輸模塊；預(yù)警

0　引言

GIS將斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)、互感器等一次設(shè)備封閉在金屬接地的外殼中，在其內(nèi)部充入具有一定壓力的SF6氣體。因此，GIS具有結(jié)構(gòu)緊湊、占地面積小、可靠性高、安全性強(qiáng)、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于高壓、超高壓領(lǐng)域［1-4］。如果GIS內(nèi)部氣體的壓力過(guò)低，會(huì)使斷路器的滅弧能力降低［5-6］；壓力過(guò)高，會(huì)使斷路器機(jī)械壽命縮短或者內(nèi)部SF6氣體液化［7］。因此，GIS內(nèi)部氣體壓力狀況直接關(guān)系到變電設(shè)備的安全運(yùn)行，是變電運(yùn)維人員巡視的一項(xiàng)重要內(nèi)容。

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，變電站GIS設(shè)備數(shù)量也在大幅增加，GIS壓力表的巡視任務(wù)不僅變得異常繁重，而且還存在很多困難。據(jù)統(tǒng)計(jì)，濟(jì)南電網(wǎng)中位置高于3 m的SF6壓力表數(shù)量占所有SF6壓力表總數(shù)的21.27%，巡視人員只有攀登設(shè)備或借助絕緣梯凳等工具爬到高處才能準(zhǔn)確讀表，不僅費(fèi)力，而且存在著從高處跌落、被設(shè)備碰傷刮傷的危險(xiǎn)。另外，安裝在小于0.5 m縫隙中的SF6壓力表占?jí)毫Ρ砜倲?shù)的7.86%，運(yùn)維人員需要穿過(guò)很窄的縫隙或越過(guò)某些氣室才能巡視，同樣存在被設(shè)備碰傷刮傷的危險(xiǎn)。以上情況也使得GIS設(shè)備的巡視效率低下、誤差過(guò)大。

為提高組合電器壓力表巡視效率，避免出現(xiàn)人身傷害，基于變電站已有通信網(wǎng)絡(luò)，結(jié)合變電運(yùn)維工作實(shí)際，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了GIS組合電器壓力表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)程序發(fā)送指令進(jìn)行SF6表頭的圖像采集，然后將圖像數(shù)據(jù)傳送至系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行表計(jì)識(shí)別和壓力分析。不僅使準(zhǔn)確性、巡視效率有了大幅提升，而且能夠?qū)崟r(shí)進(jìn)行壓力監(jiān)測(cè)和預(yù)警，確保設(shè)備的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1　系統(tǒng)架構(gòu)

GIS壓力表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由攝像采集模塊、通信傳輸模塊、分析預(yù)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(wù)器指令進(jìn)行圖像采集，然后將圖像數(shù)據(jù)壓縮后以無(wú)線的形式發(fā)送給通信傳輸模塊。通信傳輸模塊在收到圖像數(shù)據(jù)后將其轉(zhuǎn)發(fā)給分析預(yù)警模塊，后者將接收到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別，并對(duì)壓力數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和歸檔，如圖1所示。

圖1　壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

該系統(tǒng)的工作流程如圖2所示。系統(tǒng)通電后初始化各個(gè)工作單元，對(duì)各外設(shè)進(jìn)行初始化配置，然后系統(tǒng)進(jìn)入無(wú)線休眠狀態(tài)，等待無(wú)線喚醒命令。當(dāng)系統(tǒng)被喚醒后進(jìn)入測(cè)量狀態(tài)。測(cè)量模式有兩種，分為自動(dòng)定時(shí)測(cè)量模式和手動(dòng)測(cè)量模式。自動(dòng)定時(shí)測(cè)量模式下，用戶根據(jù)需要設(shè)置測(cè)量時(shí)間間隔，然后開始計(jì)時(shí)，一個(gè)時(shí)間周期內(nèi)讀取一次壓力數(shù)據(jù)。手動(dòng)測(cè)量模式下，用戶通過(guò)計(jì)算機(jī)發(fā)送巡視指令，啟動(dòng)系統(tǒng)讀表并給出結(jié)果。在各模式下，用戶根據(jù)實(shí)際需求測(cè)量數(shù)據(jù)。

2　攝像采集模塊

該模塊將單片機(jī)、CMOS傳感器、無(wú)線收發(fā)單元、補(bǔ)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(shí)無(wú)線通信芯片CC1101自動(dòng)喚醒并拍攝儀表的照片，通過(guò)433 MHz無(wú)線技術(shù)把儀表信息上傳到通信傳輸模塊。

2.1攝像采集模塊的設(shè)計(jì)

根據(jù)實(shí)際需要，攝像采集模塊需要完成圖像采集、處理、存儲(chǔ)、輸出、通信等功能。系統(tǒng)采用了ST公司的8位低功耗單片機(jī)完成控制工作，以Flash、CMOS圖像傳感器、CC1101通信單元、LED補(bǔ)光單元等為外圍電路，構(gòu)建壓力表圖像采集器平臺(tái)，如圖4所示。

圖2　系統(tǒng)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(jié)能管理非常重要。系統(tǒng)選用了低功耗的處理器，并且每個(gè)單元的供電采用分別控制的方法，休眠過(guò)程只有CPU和無(wú)線接收間歇性工作，大大節(jié)省工作用電。

圖4　攝像采集模塊功能

2.3COMS圖像采集

系統(tǒng)工作時(shí)原始的圖像數(shù)據(jù)量大，傳輸帶寬大，為了更好地節(jié)省資源，采用壓縮采集于一體分辨率為200萬(wàn)像素的COMS傳感器，圖像以JPEG數(shù)據(jù)輸出，一張壓力表圖像8 kB左右，大大節(jié)省了數(shù)據(jù)流量。

另外，COMS傳感器正常工作過(guò)程中消耗的電量遠(yuǎn)低于CCD的消耗，而且與周邊電路的整合性高。通過(guò)將ADC與信號(hào)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(wú)線傳輸

為更好地保護(hù)網(wǎng)絡(luò)信息安全，系統(tǒng)采用433 M無(wú)線頻段近程通信并選用了TI的無(wú)線通信芯片CC1101。CC1101廣泛應(yīng)用于極低功耗RF應(yīng)用，能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)的自動(dòng)組包與拆包、空閑信道評(píng)估（CCA）、RSSI功能、數(shù)據(jù)緩沖、突發(fā)傳輸、無(wú)線喚醒、交織以及白化等功能，適用于低于1 GHz頻率的RF設(shè)計(jì)。電路如圖5所示。

圖5　CC1101電路

3　通信傳輸模塊的設(shè)計(jì)

通信傳輸模塊主要由單片機(jī)、無(wú)線通信芯片CC1101、以太網(wǎng)接口等硬件組成，負(fù)責(zé)服務(wù)器與攝像采集模塊之間的指令傳送、數(shù)據(jù)傳送，起到圖像近程采集到遠(yuǎn)程傳輸?shù)某猩蠁⑾碌淖饔?，主要功能如圖6所示。

圖6　通信傳輸模塊功能

該系統(tǒng)將單片機(jī)、無(wú)線通信芯片等進(jìn)行封裝，內(nèi)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(shè)備區(qū)內(nèi)，可滿足所有壓力表攝像采集裝置通信傳輸?shù)男枰?/p>

圖7　通信傳輸模塊實(shí)物

4　分析預(yù)警模塊的設(shè)計(jì)

攝像采集模塊拍攝的GIS壓力表圖像，通過(guò)通信傳輸模塊上傳到服務(wù)器，采集結(jié)果以JPEG圖片形式保存。數(shù)據(jù)進(jìn)入系統(tǒng)服務(wù)器后，服務(wù)器采用霍夫變換及中心投影算法進(jìn)行識(shí)別［8-10］。系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)保存了所有壓力表的歷史數(shù)據(jù)，能夠根據(jù)設(shè)備區(qū)溫度數(shù)據(jù)分析當(dāng)前設(shè)備區(qū)壓力是否正常、變化趨勢(shì)等，如遇到壓力突變或持續(xù)變化情況，能夠自動(dòng)報(bào)警，提醒運(yùn)維人員到站檢查，如圖8所示。

5　系統(tǒng)應(yīng)用

2014年6月至2015年10月，該系統(tǒng)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(jìn)行了安裝實(shí)驗(yàn)。采用自動(dòng)定時(shí)測(cè)量模式，時(shí)間間隔設(shè)定為2 h，5座變電站各巡視6 216次，實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表1所示。

圖8　系統(tǒng)軟件界面

表1　系統(tǒng)應(yīng)用數(shù)據(jù)

由表1可以看出，提出的壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，克服了高度、角度、亮度等因素的影響，讀表正確率遠(yuǎn)高于人工巡視；而且巡視時(shí)間減少到原來(lái)的5.62%～7.6%，大幅提高了壓力表的巡視效率和巡視質(zhì)量。

6　結(jié)語(yǔ)

針對(duì)GIS組合電器壓力表巡視中存在的問(wèn)題設(shè)計(jì)壓力表實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。首先由攝像采集模塊采集壓力表圖像，然后將圖像數(shù)據(jù)發(fā)送給通信傳輸模塊，再由通信傳輸模塊轉(zhuǎn)發(fā)給系統(tǒng)服務(wù)器進(jìn)行計(jì)算和分析。實(shí)際應(yīng)用證明，該系統(tǒng)不僅顯著提高了巡視效率、降低了巡視過(guò)程中人身傷害的風(fēng)險(xiǎn)，而且具備壓力實(shí)施監(jiān)測(cè)和預(yù)警的功能，具有良好的推廣前景。

［1］王克挺.氣體絕緣全封閉組合電器應(yīng)用于發(fā)電廠變電站的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析［J］.電力科學(xué)與工程，2010，26（1）：27-29.

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Realtime Monitoring System for the Pressure of GIS

ZHANG Decai，HE Feng，BAO Xin，ZHOU Xingfu，F(xiàn)ANG 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(yùn)維與管理方面的工作；

何峰（1973），男，高級(jí)技師，從事變電運(yùn)維與管理方面的工作；

鮑新（1968），男，工程師，從事變電運(yùn)維與管理方面的工作；

周興福（1983），男，工程師，從事變電運(yùn)維與管理方面的工作；

房民（1963），男，高級(jí)技師，從事變電運(yùn)維與管理方面的工作。