基于TCP/IP的變電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邢俊鑫，王 亮

(江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院藝術(shù)與電子信息學(xué)院，江蘇南通226001)

基于TCP/IP的變電站監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

邢俊鑫，王 亮

(江蘇商貿(mào)職業(yè)學(xué)院藝術(shù)與電子信息學(xué)院，江蘇南通226001)

針對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)的變電站監(jiān)控系統(tǒng)中存在的數(shù)據(jù)傳輸問題，研究了變電站中的各種數(shù)據(jù)的表達(dá)方式，重點(diǎn)分析了利用圖像處理的方式對(duì)現(xiàn)場(chǎng)狀態(tài)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的技術(shù)方法。該系統(tǒng)基于TCP/IP協(xié)議，采用典型的客戶服務(wù)器模式，采用文件流技術(shù)讀取并寫入數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)流技術(shù)傳送和接收數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)了傳輸速率的最大化，為變電站監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)圖像監(jiān)測(cè)提供了有力的技術(shù)支撐。

變電站；實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；TCP/IP協(xié)議；客戶服務(wù)器模式

變電站是電力系統(tǒng)中的重要組成部分，其安全性對(duì)整個(gè)電力系統(tǒng)起到了至關(guān)重要的作用，因此，采用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)控是必要的保障措施。

隨著電力行業(yè)的發(fā)展，變電站的內(nèi)部設(shè)備越來(lái)越復(fù)雜，這對(duì)相應(yīng)的監(jiān)控技術(shù)也提出了越來(lái)越高的要求，智能化的檢測(cè)和識(shí)別分析成為保證變電站安全運(yùn)行的手段之一。

智能化的檢測(cè)和識(shí)別離不開對(duì)視頻及圖像的監(jiān)控。本文利用TCP/IP協(xié)議構(gòu)建了數(shù)據(jù)傳輸通道，并利用當(dāng)前流行的圖像處理和模式識(shí)別技術(shù)對(duì)監(jiān)控目標(biāo)的圖像進(jìn)行自動(dòng)分析識(shí)別，從而實(shí)現(xiàn)了在有異常情況時(shí)的及時(shí)報(bào)警和準(zhǔn)確分析基本情況的目的。

1 變電站監(jiān)控技術(shù)分析

目前，大多數(shù)的變電站為無(wú)人值守站點(diǎn)，其監(jiān)控主要依靠遠(yuǎn)程監(jiān)控方式，利用相關(guān)的通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站內(nèi)部設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、分析和處理。近些年來(lái)，由于通信技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控成為可能，這一技術(shù)的成熟，對(duì)提高變電站運(yùn)行和維護(hù)的安全性及可靠性，實(shí)現(xiàn)智能化的變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控起到了關(guān)鍵的作用。

對(duì)于變電站來(lái)說(shuō)，主控制室的設(shè)備運(yùn)行情況、主變、斷路器、隔離刀閘等的運(yùn)行狀況都是監(jiān)控的重點(diǎn)。這些數(shù)據(jù)中，有些設(shè)備的信息只依賴于采集的電壓、電流等參數(shù)信息不足以確定其運(yùn)行的準(zhǔn)確狀態(tài)。如果在現(xiàn)場(chǎng)，利用多媒體技術(shù)，輔助以圖像或視頻信息對(duì)變電站的運(yùn)行情況進(jìn)行綜合性的監(jiān)控和分析，可以提高監(jiān)控的可靠性。

利用通信網(wǎng)絡(luò)對(duì)視頻和圖像等信息進(jìn)行有效地傳輸，一直是信息傳輸?shù)闹攸c(diǎn)研究?jī)?nèi)容。隨著通信技術(shù)、通信網(wǎng)絡(luò)的不斷發(fā)展，遠(yuǎn)程數(shù)字視頻與圖像監(jiān)控與智能識(shí)別系統(tǒng)在應(yīng)用范圍、傳輸質(zhì)量、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)等方面得到了長(zhǎng)足的進(jìn)步。

在視頻與圖像等數(shù)據(jù)進(jìn)行長(zhǎng)距離傳輸時(shí)，會(huì)遇到兩個(gè)技術(shù)瓶頸：一個(gè)是數(shù)據(jù)傳輸?shù)膸捙c速率的問題，視頻與圖像都存在數(shù)據(jù)量大的問題，因此對(duì)帶寬與數(shù)據(jù)傳輸速度要求都較高，以保證數(shù)據(jù)接收的及時(shí)性。對(duì)于這個(gè)問題，目前的有線傳輸大多采用光纖數(shù)據(jù)傳輸，而無(wú)線傳輸借助的是3G或4G的技術(shù)，已經(jīng)能夠滿足視頻與圖像的有效傳輸；另一個(gè)問題是數(shù)據(jù)在采集、傳輸?shù)倪^程中，不可避免地被噪聲所污染，因此，去噪是保證接收?qǐng)D像和視頻準(zhǔn)確度和清晰度的基本條件。在本設(shè)計(jì)中，在對(duì)比分析了多種圖像與視頻去噪技術(shù)的基礎(chǔ)上，確定了以中值濾波為主的去噪方法。

為了實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控的目標(biāo)，對(duì)于圖像等數(shù)據(jù)需要解決圖像識(shí)別，以有效地實(shí)現(xiàn)將儀表盤上的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信息的過程。目前，應(yīng)用比較廣泛的有統(tǒng)計(jì)模式識(shí)別方法、模糊理論識(shí)別方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識(shí)別方法等。但是隨著信息容量及維度的提高，采用新的技術(shù)對(duì)視頻圖像進(jìn)行有效處理是一種必要的技術(shù)手段。

本設(shè)計(jì)采用Stricker和Orengo所提出的顏色矩(Color Moments)來(lái)提取視頻和圖像的特征值的方法是近年來(lái)研究的重點(diǎn)。這種方法主要的優(yōu)點(diǎn)是降低了信息量化的復(fù)雜度及顏色特征的維數(shù)，具有較高的分辨檢索效率，其主要的三個(gè)低階矩分辨數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

圖像采集相似度距離采用馬氏(二次式)距離的方法，其距離表達(dá)式可以表達(dá)為：

提取的數(shù)據(jù)采用聚類算法進(jìn)行融合計(jì)算，由于視頻及圖像具有一定“閾”的概念，因此，本設(shè)計(jì)采取了基于模糊的聚類方法，把視頻及圖像的特征值的隸屬關(guān)系的取值從硬性的[0,1]轉(zhuǎn)換為以最近的一系列值所形成的數(shù)據(jù)系列中。

以上技術(shù)的應(yīng)用，可以有效地完成對(duì)于視頻及圖像監(jiān)控的功能。

2 基于TCP/IP的數(shù)據(jù)傳輸

本設(shè)計(jì)的目標(biāo)是除將日常設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)及時(shí)進(jìn)行采集和傳輸外，還需要實(shí)現(xiàn)定期將儀表采集來(lái)的數(shù)據(jù)圖像傳至監(jiān)控中心。為了保證數(shù)據(jù)的傳輸速率和可靠性，采用TCP/IP協(xié)議作為數(shù)據(jù)傳輸方案。

本系統(tǒng)所采用的基于TCP/IP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)接口采用文獻(xiàn)[1]中的技術(shù)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。在該框圖中圖像的采集采用攝像機(jī)完成，采用靜態(tài)圖像壓縮方法JPEG2000對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，處理后的數(shù)據(jù)按照TCP/IP協(xié)議進(jìn)行分組打包，隨后通過網(wǎng)絡(luò)接口進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸。接收端設(shè)置接收機(jī)，主要作用是對(duì)各個(gè)數(shù)據(jù)包進(jìn)行分析并解碼，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的還原[1]。

TCP/IP協(xié)議是一個(gè)4層的分層體系結(jié)構(gòu)，分別為應(yīng)用層、運(yùn)輸層、網(wǎng)際層和網(wǎng)絡(luò)接口層。為了實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)其相應(yīng)的功能，系統(tǒng)利用嵌入式芯片S3C6410及MAC控制器芯片AM79C940來(lái)?yè)?dān)當(dāng)數(shù)據(jù)采集及通信接口的任務(wù)。S3C6410負(fù)責(zé)集中接收?qǐng)D像的信息流與壓縮編碼的功能，79C940負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)際層和網(wǎng)絡(luò)接口層的功能，并自動(dòng)完成以太網(wǎng)載波載聽、沖突檢測(cè)、碰撞重傳等功能。

由于嵌入式芯片S3C6410是32位系統(tǒng)，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣龋韵到y(tǒng)采用客戶機(jī)/服務(wù)器(C/S)模式來(lái)搭建，圖像的采集和顯示利用客戶端來(lái)實(shí)現(xiàn)，而服務(wù)器對(duì)信息進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，并完成控制命令的下達(dá)。C/S結(jié)構(gòu)具有速度快、可靠性高的優(yōu)勢(shì)，而相對(duì)于B/S結(jié)構(gòu)而言，通信協(xié)議可以簡(jiǎn)化些，其中傳輸層協(xié)議采用UDP協(xié)議，TCP協(xié)議可以舍棄，其它需要實(shí)現(xiàn)的協(xié)議還有ICMP協(xié)議和ARP協(xié)議，經(jīng)過簡(jiǎn)化的TCP/IP協(xié)議可以方便地在嵌入式系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)。

圖1 圖像傳輸網(wǎng)絡(luò)接口功能框圖

3 系統(tǒng)上位機(jī)的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)的上位機(jī)開發(fā)使用的編程語(yǔ)言是Java。Java是一個(gè)純面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)語(yǔ)言，擁有面向?qū)ο罄^承、多態(tài)、封裝、抽象四個(gè)基本特性。而Sun公司對(duì)Java編程語(yǔ)言的解釋是：簡(jiǎn)單、面向?qū)ο?、分布式、解釋性、健壯、安全與系統(tǒng)無(wú)關(guān)、可移植、高性能、多線程和動(dòng)態(tài)的語(yǔ)言。這一系列的特點(diǎn)使得Java成為了應(yīng)用最為廣泛的編程語(yǔ)言之一。

在本設(shè)計(jì)當(dāng)口，利用文件流和數(shù)據(jù)流的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸采用串口來(lái)實(shí)現(xiàn)，并利用JAVA語(yǔ)言中的RXTXcomm.jar的包來(lái)實(shí)現(xiàn)基本的串口通信功能[2]。

向串口寫數(shù)據(jù)采用文件流來(lái)實(shí)現(xiàn)，具體語(yǔ)句為：

4 總結(jié)

本設(shè)計(jì)以TCP/IP為核心，構(gòu)建了基于C/S結(jié)構(gòu)的變電站信息在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)以嵌入式芯片S3C6410及MAC控制器芯片AM79C940為主要的數(shù)據(jù)處理和傳輸芯片，上位機(jī)采用JAVA來(lái)實(shí)現(xiàn)，技術(shù)采用文件流和數(shù)據(jù)流來(lái)實(shí)現(xiàn)，具用應(yīng)用靈活、實(shí)時(shí)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

[1]楊亞東，張方.基于TCP/IP協(xié)議的圖像傳輸網(wǎng)絡(luò)接口的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2003(9):1142-1143.

[2]呂炎杰.智能電網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)上位機(jī)程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].張家口：河北建筑工程學(xué)院，2015：17-19.

Design of substation monitoring and control system based on TCP/IP

In view of the existing data transmission problem in the substation monitoring system based on network,the expression of various data of transformer substation was studied,and the using image processing methods on the status of remote monitoring technology was analyzed.The system was based on TCP/IP protocol,using the typical client/server model,and the file stream technology was used to read and write data,data stream technology to send and receive data,so as to realize the maximization of transmission rate.Strong technical support was provided for the real-time image monitoring system of transformer substation monitoring.

transformer substation;real-time monitoring;TCP/IP protocol;client/server mode

TM 63

A

1002-087 X(2016)03-0729-02

2015-10-13

邢俊鑫(1982—)，男，江蘇省人，工程碩士，講師，主要研究方向?yàn)檐浖_發(fā)、移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)。