基于智能可视化管理的变电站智能监控系统设计

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　　摘  要： 传统的变电站智能监控系统不能具体显示出存在异常的线路，需要依靠人工分析。为此，设计基于智能可视化管理的变电站智能监控系统。设计视频采集卡捕捉异常情况，将结果展示在可视化模块中，通过该模块管理采集的图像确定异常原因和位置完成系统硬件设计;设计图像处理模块保证采集的视频图像清晰，将数据保存在状态数据库中，为用户提供实时数据，实现智能监控，完成系统软件设计;结合硬件和软件设计完成整个系统的设计。测试结果表明，与传统的监控系统相比，设计的基于智能可视化管理的变电站智能监控系统能够将存在异常情况的线路完整地显示出来，减轻了对人工分析的依赖程度，该系统更适合应用在变电站智能监控中。
　　关键词： 变电站; 智能监控; 系统设计; 可视化管理; 图像处理; 模块管理
　　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
　　电能是使用最为广泛的二次能源，是目前人们生活最不能缺少的一种能源形式。电力相关部门将各种形式的一次能源转换为相对清洁的电能，利用电网从发电厂传输至各级用户[1]。
　　随着电网的不断发展，逐渐产生了一些严重的问题，变电站作为电网中的重要一环，其安全与否影响电网的整体运行情况[2]。变电站主要工作包括正常操作、状态检测、事故判断和处理，但变电站是高强度高辐射场所，工作人员长期工作在此环境下，影响身体健康。而智能监控系统可以远距离对变电站的电气设备及运行状态进行监控，保证工作人员的身体健康[3]。但目前变电站使用的监控系统，仅具有远程监控能力，还需要人工来分析和解决问题[4]。因此，本文设计基于智能可视化管理的变电站智能监控系统。
　　可视化管理可以实现管理的可視化、透明化。采用传感器远程监控变电站，通过智能移动终端实时监控变电站，并通过更具体的图像信息来表达实时监控情况，使工作人员直观了解变电站的运行状态。为此，实现基于智能可视化管理的变电站智能监控系统设计。
　　1  变电站智能监控系统总体结构设计
　　变电站智能监控系统总体架构如图1所示，其中服务器端主要作为业务能力的存储中心，采用浏览器作为客户端，根据智能变电站信息共享和可靠运行的实际需求，通过服务器实现远程监控管理[5]。
　　远程监控管理用户通过Web浏览器访问服务器，移动终端通过无线网络获得监控数据，并传送到数据库，数据库对数据进行保存。
　　2  变电站智能监控系统硬件设计
　　2.1  视频采集卡设计
　　采集数据是监控系统最重要的工作，在变电站的周界、重要设备、开关处安装高清摄像头，由远程控制中心下达指令，通过视频监控准确地显示出现异常情况的位置和图像，并传送至可视化模块。其异常情况的捕捉主要通过视频采集卡实现，视频采集卡将采集的模拟视频信号、电平信号实时转换为数字信号，并且进行压缩编码，将视频信号转换为MPEG格式保存在数据库中。视频采集卡为24位，采集速度每秒30帧，分辨率640×480，能实时动态地采集视频信号，具有性能稳定、图像清晰的优点。 　　采用PCI总线技术，在计算机中同时安装4张视频采集卡，每张均可采集4个方向的数据，以扩大系统监控的范围。视频采集卡实物图如图2所示。
　　2.2  可视化模块设计
　　可视化模块是智能监控系统的用户交互模块，远程控制中心将得到的数据或记录显示在用户交互界面[6]。为详细显示变电站设备运行状况，采用SVG接线图来展示设备图像、连接线路[7]。
　　利用JS修改SVG图形的transform和viewBox等属性来实现对接线图的放大、缩小和移动等操作，使可视化屏幕显示出清晰的图像。向设备图形添加deviceType属性，控制图形的隐藏和显示，可同时显示几种设备的监控情况[8]。为保证用户实时掌握变电站设备的运行情况，数据采集后，调用系统中的Web服务，将数据保存至状态数据库并展示在交互面上。设备接线显示如图3所示。
　　设备接线通过可视化模块显示，用户可通过适当的调整，观察到图像中的细节，准确地找到变电站发生异常的问题和位置。
　　3  变电站智能监控系统软件设计
　　3.1  监控图像处理
　　摄像机采集的图像为二值图像[px，y]，结构元素二值模板为[lu，v]，腐蚀算法原理如下：
　　式中，[fx，y]和[zx，y]分别为经过腐蚀和膨胀后的图像。其中，腐蚀是利用结构元素扫描图像中的像素，用结构元素与其对应覆盖的二值图像进行“与”操作，获得运算结果为1的像素，组成新图像。此过程可以去除细小的前景块，使采集的图像更清晰[9?10]。膨胀是利用结构元素扫描像素，执行“或”运算，保留运算结果为0的像素，目的是填充前景空洞，将相近的前景块黏合在一起[11]。最后将两个结果通过算法处理获得最终的采集图像，将其传送至远程控制中心，保存至数据库中。
　　3.2  状态数据库设计
　　状态数据库可以维护变电站各个监控设备的详细数据和封装基本数据库。通过Connection Ptr连接对象指针mCon，利用StartUp启动数据库服务，Connect连接数据库，通过SQL执行语句实现数据的增删改查功能;用户操作完成后利用void Close Connect关闭数据库。表1为保存在数据库中的设备运行状态信息表。
　　4  变电站智能监控系统仿真测试
　　4.1  测试准备
　　测试使用Java编程语言实现测试人员操作界面和变电站监控可视化显示，使用基于Windows操作系统的主机实现网络层的通信连接。测试在局域网络环境下进行，网络中设置3套网络中心，防止外在因素对测试的干扰，使测试过程更稳定安全。
　　4.2  通信距离测试
　　测试通过调整监控节点的发射功率，在空旷和有障碍物两种环境中查看在不同的距离和环境下，系统通信是否正常。测试使用的设备有终端节点、上位机和SmartRF04EB仿真器。系统硬件中视频采集卡的信号输出功率由寄存器控制，寄存器值与输出功率的具体内容如表2所示。
　　从系统中提供的API函数获取接收信号强度指数。通过仿真器下载程序至终端节点，测试该节点在空旷和有障碍物两种环境下的可靠通信距离，通过上位机串口，查看不同发射功率和终端节点在不同距离发送至上位机的接收信号强度指数，根据结果判断不同功率所对应的可靠通信距离。通信距离测试结果见表3。
　　通过分析测试结果可知，输出功率越大，可靠通信距离越远，故在后续系统测试中将输出功率设置为10 dBm，保证系统通信可靠。
　　4.3  监控结果对比及分析
　　在相同测试环境下，使用与变电站设备属性相同的5个测试装置，利用上位机修改其中1个装置的参数，使其变为存在异常情况的设备。使用设计的智能监控系统监控以上装置，通过可视化模块显示出结果，同时为了更好地验证该系统的性能，引用传统的变电站监控系统，在相同的条件下同时测试，对比测试结果见图4。
　　从图4a）中可以看出，该系统准确地监控到了存在异常情况的设备，同时显示出具体的位置，但是并没有明确地显示出存在异常的线路，需要依靠人工排查。而图4b）中的设计系统不仅监控到了存在异常情况的设备，其监控到的位置也更具体。通过鼠标点击设备可显示出存在异常问题的线路，这是因为在系统中添加了可视化模块，使问题更具体地显示出来。两者相比，本设计系统监控能力更优越，更适合长期发展和应用。
　　5  结  语
　　变电站智能监控系统通过摄像机实时监控变电站设备运行状态，利用视频采集卡将模拟视频信号、电平信号转换为数字信号，经过处理后将监控结果传送至可视化模块，展示在用户面前，完成基于智能可视化管理的变电站监控系统的设计。通过仿真测试，证实了该系统可有效地解决传统监控系统中存在的问题，适合长远发展。
　　参考文献
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