精準定位型變電站周界聯(lián)動安防系統(tǒng)的設(shè)計

黃 毅, 楊俊杰

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

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精準定位型變電站周界聯(lián)動安防系統(tǒng)的設(shè)計

黃 毅, 楊俊杰

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

針對傳統(tǒng)變電站周界安防系統(tǒng)無精準定位、無聯(lián)動互補、模塊獨立性低等問題,提出了一種可精準定位、多技術(shù)聯(lián)動、總線制通信的解決方案.利用激光測距、超聲波測距設(shè)計了一種新型報警定位圍欄,聯(lián)動網(wǎng)絡(luò)攝像頭、電子圍欄、語音報警及GPRS等實現(xiàn)抓拍取證、阻擋、報警等功能;采用總線制提高了系統(tǒng)穩(wěn)定性及模塊獨立性;報警定位圍欄最大定位誤差為0.2 m,可以滿足安防定位要求,并在實際工程中驗證了整體方案的有效性.

變電站; 安防; 總線制; 激光測距; 超聲波測距; 網(wǎng)絡(luò)攝像機

變電站無人值守化的發(fā)展趨勢對其周界安防提出了更高的要求.傳統(tǒng)“四遙”可有效管控站內(nèi)設(shè)備運行,但對周界安防卻無能為力[1-2].目前,國內(nèi)外無人值守變電站安防技術(shù)主要為3類:一是物理阻擋類,如高壓電網(wǎng)、電子圍欄等;二是入侵自恢復(fù)類,如紅外圍欄、激光圍欄等;三是視頻監(jiān)控技術(shù).但在實際應(yīng)用中,單一技術(shù)存在各自的不足:物理阻擋類有一定的危險性且不可預(yù)警,易招致法律糾紛;入侵自恢復(fù)類只檢測入侵卻無法阻擋入侵;視頻監(jiān)控信息密度較低[3-4].傳統(tǒng)變電站安防系統(tǒng)一般按防區(qū)設(shè)計[5],一個防區(qū)中控制器與多對紅外或激光圍欄集成在一起,這種設(shè)計模塊獨立性低,當(dāng)某防區(qū)中一對圍欄老化損壞時,則整個防區(qū)持續(xù)報警,導(dǎo)致整個系統(tǒng)癱瘓.本文提出了一種新型變電站周界安防系統(tǒng):集成報警定位圍欄檢測入侵、語音模塊警告、探照燈威懾、電子圍欄阻擋、網(wǎng)絡(luò)攝像頭錄像取證及GPRS短信報警等功能,實現(xiàn)了多技術(shù)的互補聯(lián)動安防;利用激光及超聲波測距技術(shù),設(shè)計新型報警定位圍欄,使報警信息精確至入侵點,提高了警情處理和攝像頭聯(lián)動的效率;系統(tǒng)折中采用穩(wěn)定的RS485總線制通信,通過增刪輪詢地址提高了各終端模塊的獨立性,且較傳統(tǒng)分線制通信簡化了布線.

1 系統(tǒng)方案

本系統(tǒng)分為集中控制層、傳輸層、現(xiàn)場工作層3層.

集中控制層指控制室內(nèi)的上位機,它負責(zé)輪詢及控制RS485總線上的終端,顯示并存儲報警信息及控制網(wǎng)絡(luò)攝像頭方向.

傳輸層指由RS485中繼器和屏蔽雙絞線組成的通信線路及網(wǎng)絡(luò)路由器,前者解決了電磁環(huán)境惡劣的變電站內(nèi)上位機與現(xiàn)場終端多點遠距離可靠通信的問題,后者負責(zé)TCP/IP網(wǎng)絡(luò)維護,可將系統(tǒng)中各個網(wǎng)絡(luò)攝像機互聯(lián)成一個整體并聯(lián)接至上位機及互聯(lián)網(wǎng).

現(xiàn)場工作層指位于變電站周界的終端,包括報警定位模塊、輔助防御控制器、電子圍欄、探照燈、語音報警模塊、GPRS模塊、網(wǎng)絡(luò)攝像頭等,主要負責(zé)入侵的檢測定位、輔助防御模塊管理、威懾及取證等工作.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)前端摒棄了傳統(tǒng)的遮擋對射光束發(fā)出報警開關(guān)信號的圍欄設(shè)計思路,利用日益成熟的脈沖式激光測距及超聲波測距技術(shù),設(shè)計了一種新型報警定位圍欄,在筆直周界兩端分別安上報警定位圍欄和反射板,圍欄內(nèi)的激光測距模塊以一定的頻率工作.正常情況下,激光應(yīng)被周界末端反射板反射,所測值為周界段長度;有入侵時激光被入侵者遮擋反射,所測值突變?yōu)閳缶ㄎ粐鷻谥寥肭终叩木嚯x值.判斷警情后上報通信MCU,通信MCU在上位機輪詢本機地址時上報警情.脈沖式激光測距量程很大,但存在數(shù)米盲區(qū),系統(tǒng)集成了量程雖小但盲區(qū)僅為厘米級的超聲波測距與之互補.

正常工作時,攝像頭在圍墻內(nèi)側(cè)自動巡航,上位機飛速輪詢總線終端,輔助防御模塊休眠,僅依靠安裝在周界外側(cè)的報警定位模塊進行實時布防.出現(xiàn)入侵時報警定位模塊及時定位入侵點,并在輪詢到來時報警.上位機接到報警后的工作過程如下:

(1) 在拓撲圖上顯示入侵點并記錄警情至數(shù)據(jù)庫;

(2) 對相應(yīng)輔助防御控制器發(fā)出指令以控制其下轄輔助防御模塊實施警告、威懾及阻擋等動作;

(3) 發(fā)出指令控制GPRS模塊,短信通知工作人員;

(4) 經(jīng)網(wǎng)絡(luò)路由器控制相應(yīng)網(wǎng)絡(luò)攝像頭云臺,將其及時旋轉(zhuǎn)至入侵點方向錄像取證,遠程控制中心可由以太網(wǎng)訪問站內(nèi)攝像頭進行實時查看.

2 硬件設(shè)計

2.1 報警定位圍欄設(shè)計

報警定位圍欄集成4組激光測距和超聲測距模塊,各組間距為16 cm,當(dāng)相鄰兩組都報警時才認定為入侵,以防飛禽引起的誤報.相鄰測距模塊中激光及超聲波頻率均經(jīng)調(diào)制以防互擾.周界另一端安裝反射板是為了校準激光方向,使之形成有效的發(fā)射接收回路以保證防控有效.報警定位圍欄結(jié)構(gòu)和測距模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 報警定位圍欄結(jié)構(gòu)和測距模塊結(jié)構(gòu)

2.1.1 測距模塊

激光較好的單色性、相干性及對直性常被用于光學(xué)定位、工程測量、地形勘探等領(lǐng)域[6].激光測距原理一般分相位式和脈沖式兩種,兩者的區(qū)別如表1所示.

表1 相位式與脈沖式比較

相位式需合作目標配合測距故不能滿足安防要求.本系統(tǒng)采用脈沖式測距,無需合作目標且結(jié)構(gòu)復(fù)雜度和實時性均優(yōu)于相位式.其精度雖不及相位式但足以滿足安防定位要求.如圖2b所示,工作時激光模塊MCU令發(fā)射頭發(fā)射周期性激光脈沖,同時發(fā)射頭向時刻鑒別單元發(fā)出開始信號,使其記下開始時刻t1,脈沖到達反射板或有入侵者時發(fā)生漫反射,返回接收頭后再經(jīng)通道2到達時刻鑒別單元,記下接受時刻t2.設(shè)光速為c,則距離為:

(1)

但脈沖式激光測距存在測量盲區(qū),其計數(shù)芯片及電路有延遲,目標過近會使激光回波過快到達計數(shù)門,若導(dǎo)致計數(shù)門尚未有效計數(shù)就關(guān)閉即會形成盲區(qū).系統(tǒng)所用模塊設(shè)定量程為200 m,盲區(qū)約為8.2 m.在盲區(qū)內(nèi)入侵可正常報警但位置值是亂碼.本系統(tǒng)集成超聲波測距模塊與之互補.

超聲波反射性好,指向性強,能量消耗慢,用其測距較迅速簡單、易實時控制.系統(tǒng)所用模塊量程達9 m,盲區(qū)及精度為厘米級.其工作原理與脈沖式激光測距類似,MCU觸發(fā)一系列高頻方波給發(fā)射電路并激勵出超聲波,正常工作時該模塊接收不到回波,量程內(nèi)有入侵則遇障返回接收器,經(jīng)濾波、放大、整形后進入MCU.測得從發(fā)射至接收所用時間和空氣中的聲速,即可計算與入侵點的距離.常溫下,空氣中的聲速為340 m/s,且受壓強和溫濕度的影響,需檢測并綜合這些因素加以校準[7].

2.1.2 報警定位圍欄的集成

圍欄中各模塊通過I2C總線相聯(lián).圍欄作為總線終端,其通信MCU需實時應(yīng)答上位機輪詢.因此,工作時讓激光模塊和超聲波模塊自行過濾測量值,當(dāng)判斷有入侵時再將位置主動上報通信MCU.此新型圍欄可精準定位入侵點,提高了警情處理效率,也為精準聯(lián)動攝像頭抓拍取證提供了可能;此外也精簡了圍欄對數(shù),降低了施工成本.理論上只要直線周界長度在測距量程內(nèi),則只需一個報警定位圍欄和一個反射板.但集成時需注意以下3個因素:

(1) 測距頻率 設(shè)入侵者身體厚度為20 cm,入侵速度 1 m/s(這是經(jīng)驗值,考慮翻越耗時和內(nèi)側(cè)電子圍欄阻擋),入侵時間至少200 ms,即測距模塊工作頻率不低于5 Hz,本系統(tǒng)取10 Hz;

(2) 報警間隔 通信MCU在報警后設(shè)2 s(經(jīng)驗值)的報警間隔,降低報警冗余率,提升系統(tǒng)效率;

(3) 允許誤差 激光報警定位模塊正常工作時測距為自身與反射板的距離L,需考慮測量誤差,其上限為人體寬度(系統(tǒng)安全值取L±20 cm).

2.2 監(jiān)控模塊

網(wǎng)絡(luò)攝像機抗干擾力強且易聯(lián)網(wǎng).系統(tǒng)使用?？低旹系列智能球形網(wǎng)絡(luò)攝像機,帶云臺及夜視功能,集成了一個小型網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器,可用客戶端、瀏覽器或手機APP遠程訪問.布置以太網(wǎng)以實現(xiàn)視頻傳輸,通過網(wǎng)絡(luò)路由器實現(xiàn)多攝像頭的連接及IP分配,在其中端口映射實現(xiàn)遠程設(shè)備對本地攝像頭的訪問.圖3為視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及其聯(lián)動示意.

圖3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及聯(lián)動示意

圖3b中,α=arctan((L/2-X)/H).調(diào)用網(wǎng)絡(luò)攝像機提供的設(shè)備網(wǎng)絡(luò)SDK開發(fā)包,根據(jù)角度值即可將方向?qū)嗜肭贮c抓拍取證了.

2.3 輔助防御模塊及GPRS模塊

輔助防御模塊是系統(tǒng)的動作模塊,上位機接到報警后先對GPRS模塊(TC35I)發(fā)出指令,使其發(fā)送報警短信,再對輔助防御控制器發(fā)出指令,由其控制下轄的探照燈打開、語音模塊播放語音、電子圍欄高壓布防.控制器MCU為STC89C52RC單片機,擁有3個16位定時/計數(shù)器及2個外部中斷.外部中斷0用于檢測電子圍欄入侵狀態(tài)(剪斷或兩線接觸);定時器1為控制過程提供計時基準.各報警定位圍欄與各輔助防御模塊預(yù)先根據(jù)現(xiàn)場情況合理配對,并將對應(yīng)關(guān)系存儲至上位機軟件以實現(xiàn)對應(yīng)的控制.控制器下轄的一對探照燈總功率近800 W,語音芯片為廣州微創(chuàng)的WT588D,電子圍欄為藍星LX-2008型電子圍欄.其各自的控制電路如圖4,圖5,圖6所示.

圖4 探照燈控制電路

2.4 RS 485總線制

變電站中電氣設(shè)備眾多,電磁干擾強烈.相對于無線,RS485通信質(zhì)量較好,不易受外界干擾[8].傳統(tǒng)分線制安防系統(tǒng)將多對圍欄報警線逐一連至與非門,再與控制MCU的外部中斷連接以實現(xiàn)報警,接線存在大量冗余.系統(tǒng)折中采用通信穩(wěn)定且接線簡單的RS485總線制,不僅使各終端間相互獨立且可采用輪詢式通信,實時監(jiān)控各終端工作狀態(tài).設(shè)計時需對各節(jié)點電氣隔離,使總線免受接電環(huán)路、傳導(dǎo)性干擾噪聲、節(jié)點高共模電壓的影響.采用ECS8402型USB/RS-485轉(zhuǎn)換器將系統(tǒng)連至主控室電腦.總線拓撲如圖7所示.

圖5 語音控制電路

圖6 電子圍欄控制電路

圖7 RS485總線拓撲

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 上位機軟件

RS485總線硬件簡潔,需在上位機軟件中編寫合適的通信協(xié)議來實現(xiàn)總線的分時共用.系統(tǒng)軟件用C#開發(fā),環(huán)境為Visual Studio 2010,采用VS自帶的數(shù)據(jù)庫以簡化軟件安裝.上位機軟件結(jié)構(gòu)如圖8所示.

軟件除了登錄管理、用戶管理、警情查詢外,還集成了以下幾項功能.

圖8 上位機軟件結(jié)構(gòu)

(1) 實時報警 正常狀態(tài)時,界面顯示藍色周界拓撲并實時輪詢各總線終端.收到報警時,將其存至數(shù)據(jù)庫并在報警點位置閃爍紅點,控制上位機自帶音響報警,并向?qū)?yīng)輔助防御模塊發(fā)出動作指令,根據(jù)報警位置控制攝像頭方向抓拍取證.若超時未收到終端應(yīng)答幀時,軟件將發(fā)出通信故障報警.

(2) 增刪終端 傳統(tǒng)大防區(qū)設(shè)計中,某一圍欄損壞會影響整片防區(qū).該軟件建立輪詢地址表,集成增刪終端功能,某終端損壞持續(xù)報警時可在輪詢列表中暫時刪去對應(yīng)地址,使系統(tǒng)繼續(xù)工作,待更換完畢再恢復(fù)添加.

(3) 監(jiān)控視頻 用戶可選擇攝像頭的編號查看其實時畫面,還可通過云臺控制其方向.

(4) 更新拓撲 傳統(tǒng)安防系統(tǒng)軟件需根據(jù)各變電站的實際拓撲數(shù)據(jù)量身定做,這制約了軟件的通用性.該軟件將拓撲數(shù)據(jù)存于數(shù)據(jù)庫,并設(shè)置了更新拓撲子界面,用戶可輸入周界拐點坐標值更新數(shù)據(jù)庫中的拓撲數(shù)據(jù).軟件運行時可從數(shù)據(jù)庫中讀取原始拓撲,提高了軟件的通用性.

3.2 現(xiàn)場工作層模塊的軟件

各總線終端工作初始化后實時接收解析上位機輪詢幀,若輪詢地址指向自己便完成相應(yīng)指令,否則拋棄輪詢幀.其區(qū)別在于完成的具體工作:圍欄負責(zé)定位報警;輔助防御控制器根據(jù)具體指令控制下轄的動作模塊.入侵過程是一時間段而非瞬態(tài),這段時間報警定位圍欄會陸續(xù)更新、上報警情,上位機也會陸續(xù)對輔助防御模塊發(fā)出動作指令,系統(tǒng)讓輔助防御控制器覆蓋接收指令,即有新指令到來時復(fù)位定時器,保證最后一條指令得到充分執(zhí)行.程序流程如圖9所示.

圖9 現(xiàn)場工作層模塊程序流程

4 實驗環(huán)境及結(jié)果

該系統(tǒng)安裝在湖南某220 kV變電站并進行了現(xiàn)場測試.周界劃為4個防控單元,各單元安裝1臺攝像頭、1套輔助防御控制器及其下轄的探照燈、語音模塊、電子圍欄.第1,第2,第3單元各安裝4對圍欄,第4單元安裝3對圍欄.控制室內(nèi)裝有上位機、網(wǎng)絡(luò)路由器及GPRS模塊.一周內(nèi)隨機對各防控段人為模擬入侵,各模塊工作正常,反應(yīng)靈敏.某防控段定位誤差測試如表2所示.

表2 定位測試

現(xiàn)場沿周界拉直線,再用卷尺測量線長得到實際距離,測量誤差稍大,但在安防定位的允許范圍內(nèi).系統(tǒng)仍有9 cm盲區(qū),程序?qū)@部分默認為5 cm.超聲波定位區(qū)相對精確,激光定位的最大誤差為0.2 m,也未超過人體寬度,表明模擬翻越時報警定位圍欄都能做到準確捕捉.

5 結(jié) 語

針對傳統(tǒng)變電站周界安防系統(tǒng),提出了一種新型方案,即利用測距技術(shù)設(shè)計新型報警定位圍欄并驗證其精度滿足安防定位需求;集成多種安防技術(shù)實現(xiàn)互補聯(lián)動;采用RS485總線制在保證通信穩(wěn)定的同時提高了模塊的獨立性,并簡化了布線.本系統(tǒng)實現(xiàn)了集預(yù)警、威懾、阻攔、精確定位、遠程報警于一體的變電站周界安防,可為工程的實際應(yīng)用提供一定的參考.

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(編輯 胡小萍)

Design of Locatable Linkage Security System of Transformer Substation

HUANG Yi, YANG Junjie

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

In view of the lack of precise localization and multi-technology complementary and low module indecency in the security system around the traditional substation,a solution is put forward,concluding precise positioning,multi-technology linkage,and bus system,and a new alarming and positioning fence is designed through the laser and ultrasonic ranging.The functions of intrusion detection,obstruction,alarm and so on are realized by network camera,electronic fence,voice alarm and GPRS.This improves the stability of the system and the independence of modules through the bus system.The maximum positioning error is 0.2 m,which can satisfy the requirements of security location.The overall plan is tested to be effective in the practical engineering.

substation; security; bus system; laser ranging; ultrasonic ranging; IP camera

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.01.002

2016-07-06

楊俊杰(1977-),男,博士,教授,福建漳州人.主要研究方向為電力用戶側(cè)智能控制技術(shù),變電站設(shè)備遠程狀態(tài)監(jiān)測,無線傳感器網(wǎng)絡(luò),嵌入式系統(tǒng)等.E-mail:iamyjj@163.com.

國家自然科學(xué)基金(61202369,61401269,61572311);上海市科技創(chuàng)新行動計劃地方院校能力建設(shè)項目(14110500900);上海市教育委員會科研創(chuàng)新項目(13YZ102);上海市人才發(fā)展基金(201501).

TM76;TM63;TP277

A

1006-4729(2017)01-0004-07