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

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(jì)基于智能可視化管理的變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計(jì)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(jì);設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控，完成系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì);結(jié)合硬件和軟件設(shè)計(jì)完成整個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。測(cè)試結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)相比，設(shè)計(jì)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(duì)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(jì); 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(duì)清潔的電能，利用電網(wǎng)從發(fā)電廠傳輸至各級(jí)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(yùn)行情況[2]。變電站主要工作包括正常操作、狀態(tài)檢測(cè)、事故判斷和處理，但變電站是高強(qiáng)度高輻射場(chǎng)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(duì)變電站的電氣設(shè)備及運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)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(jì)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(shí)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(dòng)終端實(shí)時(shí)監(jiān)控變電站，并通過更具體的圖像信息來表達(dá)實(shí)時(shí)監(jiān)控情況，使工作人員直觀了解變電站的運(yùn)行狀態(tài)。為此，實(shí)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(jì)。

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

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(chǔ)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(yùn)行的實(shí)際需求，通過服務(wù)器實(shí)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(dòng)終端通過無線網(wǎng)絡(luò)獲得監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)，并傳送到數(shù)據(jù)庫，數(shù)據(jù)庫對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行保存。

2? 變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1? 視頻采集卡設(shè)計(jì)

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(dá)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(shí)現(xiàn)，視頻采集卡將采集的模擬視頻信號(hào)、電平信號(hào)實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，并且進(jìn)行壓縮編碼，將視頻信號(hào)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(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地采集視頻信號(hào)，具有性能穩(wěn)定、圖像清晰的優(yōu)點(diǎn)。

采用PCI總線技術(shù)，在計(jì)算機(jī)中同時(shí)安裝4張視頻采集卡，每張均可采集4個(gè)方向的數(shù)據(jù)，以擴(kuò)大系統(tǒng)監(jiān)控的范圍。視頻采集卡實(shí)物圖如圖2所示。

2.2? 可視化模塊設(shè)計(jì)

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(yùn)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(shí)現(xiàn)對(duì)接線圖的放大、縮小和移動(dòng)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(shí)顯示幾種設(shè)備的監(jiān)控情況[8]。為保證用戶實(shí)時(shí)掌握變電站設(shè)備的運(yùn)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(jì)

3.1? 監(jiān)控圖像處理

攝像機(jī)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(duì)應(yīng)覆蓋的二值圖像進(jìn)行“與”操作，獲得運(yùn)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(yùn)算，保留運(yùn)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(gè)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(jì)

狀態(tài)數(shù)據(jù)庫可以維護(hù)變電站各個(gè)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(duì)象指針mCon，利用StartUp啟動(dòng)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(shí)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(yùn)行狀態(tài)信息表。

4? 變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)仿真測(cè)試

4.1? 測(cè)試準(zhǔn)備

測(cè)試使用Java編程語言實(shí)現(xiàn)測(cè)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(jī)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)層的通信連接。測(cè)試在局域網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下進(jìn)行，網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置3套網(wǎng)絡(luò)中心，防止外在因素對(duì)測(cè)試的干擾，使測(cè)試過程更穩(wěn)定安全。

4.2? 通信距離測(cè)試

測(cè)試通過調(diào)整監(jiān)控節(jié)點(diǎn)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(cè)試使用的設(shè)備有終端節(jié)點(diǎn)、上位機(jī)和SmartRF04EB仿真器。系統(tǒng)硬件中視頻采集卡的信號(hào)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(hào)強(qiáng)度指數(shù)。通過仿真器下載程序至終端節(jié)點(diǎn)，測(cè)試該節(jié)點(diǎn)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(jī)串口，查看不同發(fā)射功率和終端節(jié)點(diǎn)在不同距離發(fā)送至上位機(jī)的接收信號(hào)強(qiáng)度指數(shù)，根據(jù)結(jié)果判斷不同功率所對(duì)應(yīng)的可靠通信距離。通信距離測(cè)試結(jié)果見表3。

通過分析測(cè)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(cè)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(duì)比及分析

在相同測(cè)試環(huán)境下，使用與變電站設(shè)備屬性相同的5個(gè)測(cè)試裝置，利用上位機(jī)修改其中1個(gè)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(jì)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(shí)為了更好地驗(yàn)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(shí)測(cè)試，對(duì)比測(cè)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(shí)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(jì)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(diǎn)擊設(shè)備可顯示出存在異常問題的線路，這是因?yàn)樵谙到y(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(jì)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(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控變電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，利用視頻采集卡將模擬視頻信號(hào)、電平信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，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(jì)。通過仿真測(cè)試，證實(shí)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。

參考文獻(xiàn)

[1] 王會(huì)勤，周育才，左萃，等.變電站三維智能虛擬運(yùn)檢系統(tǒng)[J].電力科學(xué)與技術(shù)學(xué)報(bào)，2017，32（4）：73?78.

[2] 許家焰，宋福海，陸榛.智能站二次檢修安措可視化及一鍵式操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電力系統(tǒng)保護(hù)與控制，2017，45（16）：136?144.

[3] 張向東，許磊，王祥哲，等.基于模糊綜合評(píng)判的智能變電站告警系統(tǒng)研究[J].電網(wǎng)與清潔能源，2017，33（10）：37?40.

[4] 朱紅岷，戴道清，李靜正.基于圖像處理的變電站視頻智能分析研究[J].計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2018，54（7）：264?270.

[5] 王洪亮，曹敏，周潔，等.山地變電站邊坡安全風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)技術(shù)研究[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2018，33（2）：225?230.

[6] 劉琨，黃明輝，李一泉，等.基于狀態(tài)信息關(guān)聯(lián)關(guān)系的智能變電站繼電保護(hù)在線監(jiān)測(cè)方法[J].現(xiàn)代電力，2017，34（6）：85?91.

[7] 孔圣立，韓偉，時(shí)晨，等.具有可視全景功能的智能變電站二次系統(tǒng)[J].電測(cè)與儀表，2018，55（19）：72?77.

[8] 苗俊杰.智能變電站二次系統(tǒng)高可視化全景調(diào)測(cè)平臺(tái)的設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2018，41（9）：170?174.

[9] 陳濤.基于自組網(wǎng)的變電站遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電源技術(shù)，2017，41（1）：155?156.

[10] 張翠，高新勤，李楠.基于ARM與DSP的箱式變電站智能遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45（3）：104?107.

[11] 彭志強(qiáng)，張琦兵，蘇大威，等.基于GSP的變電站監(jiān)控系統(tǒng)遠(yuǎn)程運(yùn)維技術(shù)[J].電力自動(dòng)化設(shè)備，2019，39（4）：210?216.