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

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，重點分析了利用圖像處理的方式對現(xiàn)場狀態(tài)進行遠(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)，從而實現(xiàn)了傳輸速率的最大化，為變電站監(jiān)控系統(tǒng)的實時圖像監(jiān)測提供了有力的技術(shù)支撐。

變電站；實時監(jiān)測；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，其安全性對整個電力系統(tǒng)起到了至關(guān)重要的作用，因此，采用恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)對其進行監(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)備越來越復(fù)雜，這對相應(yīng)的監(jiān)控技術(shù)也提出了越來越高的要求，智能化的檢測和識別分析成為保證變電站安全運行的手段之一。

智能化的檢測和識別離不開對視頻及圖像的監(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別技術(shù)對監(jiān)控目標(biāo)的圖像進行自動分析識別，從而實現(xiàn)了在有異常情況時的及時報警和準(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)的變電站為無人值守站點，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)建實時監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)對變電站內(nèi)部設(shè)備運行數(shù)據(jù)的實時采集、分析和處理。近些年來，由于通信技術(shù)的發(fā)展，遠(yuǎn)程實時視頻監(jiān)控成為可能，這一技術(shù)的成熟，對提高變電站運行和維護的安全性及可靠性，實現(xiàn)智能化的變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控起到了關(guān)鍵的作用。

對于變電站來說，主控制室的設(shè)備運行情況、主變、斷路器、隔離刀閘等的運行狀況都是監(jiān)控的重點。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行的準(zhǔn)確狀態(tài)。如果在現(xiàn)場，利用多媒體技術(shù)，輔助以圖像或視頻信息對變電站的運行情況進行綜合性的監(jiān)控和分析，可以提高監(jiān)控的可靠性。

利用通信網(wǎng)絡(luò)對視頻和圖像等信息進行有效地傳輸，一直是信息傳輸?shù)闹攸c研究內(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)等方面得到了長足的進步。

在視頻與圖像等數(shù)據(jù)進行長距離傳輸時，會遇到兩個技術(shù)瓶頸：一個是數(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)接收的及時性。對于這個問題，目前的有線傳輸大多采用光纖數(shù)據(jù)傳輸，而無線傳輸借助的是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，去噪是保證接收圖像和視頻準(zhǔn)確度和清晰度的基本條件。在本設(shè)計中，在對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。

為了實現(xiàn)智能監(jiān)控的目標(biāo)，對于圖像等數(shù)據(jù)需要解決圖像識別，以有效地實現(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)計模式識別方法、模糊理論識別方法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)識別方法等。但是隨著信息容量及維度的提高，采用新的技術(shù)對視頻圖像進行有效處理是一種必要的技術(shù)手段。

本設(shè)計采用Stricker和Orengo所提出的顏色矩(Color Moments)來提取視頻和圖像的特征值的方法是近年來研究的重點。這種方法主要的優(yōu)點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)采用聚類算法進行融合計算，由于視頻及圖像具有一定“閾”的概念，因此，本設(shè)計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)計的目標(biāo)是除將日常設(shè)備運行數(shù)據(jù)及時進行采集和傳輸外，還需要實現(xiàn)定期將儀表采集來的數(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[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完成，采用靜態(tài)圖像壓縮方法JPEG2000對數(shù)據(jù)進行處理，處理后的數(shù)據(jù)按照TCP/IP協(xié)議進行分組打包，隨后通過網(wǎng)絡(luò)接口進行遠(yuǎn)程傳輸。接收端設(shè)置接收機，主要作用是對各個數(shù)據(jù)包進行分析并解碼，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的還原[1]。

TCP/IP協(xié)議是一個4層的分層體系結(jié)構(gòu)，分別為應(yīng)用層、運輸層、網(wǎng)際層和網(wǎng)絡(luò)接口層。為了實現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)接口實現(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來擔(dān)當(dāng)數(shù)據(jù)采集及通信接口的任務(wù)。S3C6410負(fù)責(zé)集中接收圖像的信息流與壓縮編碼的功能，79C940負(fù)責(zé)實現(xiàn)網(wǎng)際層和網(wǎng)絡(luò)接口層的功能，并自動完成以太網(wǎng)載波載聽、沖突檢測、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/服務(wù)器(C/S)模式來搭建，圖像的采集和顯示利用客戶端來實現(xiàn)，而服務(wù)器對信息進行存儲和處理，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，而相對于B/S結(jié)構(gòu)而言，通信協(xié)議可以簡化些，其中傳輸層協(xié)議采用UDP協(xié)議，TCP協(xié)議可以舍棄，其它需要實現(xiàn)的協(xié)議還有ICMP協(xié)議和ARP協(xié)議，經(jīng)過簡化的TCP/IP協(xié)議可以方便地在嵌入式系統(tǒng)中實現(xiàn)。

圖1 圖像傳輸網(wǎng)絡(luò)接口功能框圖

3 系統(tǒng)上位機的實現(xiàn)

系統(tǒng)的上位機開發(fā)使用的編程語言是Java。Java是一個純面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計語言，擁有面向?qū)ο罄^承、多態(tài)、封裝、抽象四個基本特性。而Sun公司對Java編程語言的解釋是：簡單、面向?qū)ο?、分布式、解釋性、健壯、安全與系統(tǒng)無關(guān)、可移植、高性能、多線程和動態(tài)的語言。這一系列的特點使得Java成為了應(yīng)用最為廣泛的編程語言之一。

在本設(shè)計當(dāng)口，利用文件流和數(shù)據(jù)流的方式來實現(xiàn)相應(yīng)的數(shù)據(jù)傳輸，傳輸采用串口來實現(xiàn)，并利用JAVA語言中的RXTXcomm.jar的包來實現(xiàn)基本的串口通信功能[2]。

向串口寫數(shù)據(jù)采用文件流來實現(xiàn)，具體語句為：

4 總結(jié)

本設(shè)計以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，上位機采用JAVA來實現(xiàn)，技術(shù)采用文件流和數(shù)據(jù)流來實現(xiàn)，具用應(yīng)用靈活、實時性強的優(yōu)點。

[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)計與實現(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)上位機程序的設(shè)計與實現(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，主要研究方向為軟件開發(fā)、移動互聯(lián)技術(shù)。