继电保护装置人机界面实时传输与远程控制

尹 军，董 贝，韩春江，侯 倩

0 引言

目前，大部分继电保护装置均设有人机界面HMI (Human Machine Interface)。HMI 已成为装置与用户信息交换的重要媒介。面对电力系统日新月异的要求，传统的HMI 操作方式已经不能完全满足电力系统的需求:首先，某些特殊装置受规格大小以及安装区域的限制，无法安装液晶屏等实现HMI 功能的硬件设备;其次，传统的(工作方式、IP、对时等)设置的装置各项内容是通过装置界面现场操作，或通过二次设备厂家所开发特定的工具来实现，这样就造成装置必须具备触摸屏等显示操作设备，或者运营人员必须掌握厂家提供的各种工具;第三，对于现有继电保护装置，无法远程实时再现HMI 界面并进行控制。这些都使得实现HMI 界面的实时传输与远程控制成为迫在眉睫的问题。

本文摒弃了传统HMI 的操作方式，提出了一种新的思路:利用图像处理与传输技术实现装置HMI 的实时再现与远程控制，不仅解决了传统HMI 存在的问题，实现了PC 端图像与装置界面的同步，而且本文所设计的方案不受装置程序升级或配置文件改变的影响，在当今各地对装置要求迥异的情况下具有很强的实用性。

本文针对继电保护装置HMI 的实时传输与远程控制，提出了基于点阵图与矢量图两类图像的解决方案。针对点阵图提出了行程压缩编码(RLE)等3 种图像压缩方法。经过仿真结果的比较后，在实际工程中采用了RLE 方法和LZW 方法。通过以太网实现了装置界面图像的快速传输和对远方操作命令的快速响应。对于某些液晶屏较小，并且不会产生重叠图像的装置，则采用基于矢量图的屏幕图像传输方案。本文最后通过应用结果的对比，分析了上述各种方案的适用性与优缺点。

1 继电保护装置人机界面屏幕图像传输方案

1.1 HMI 系统简介

本文主要研究两类继电保护装置人机界面系统。第一类HMI 利用Vxworks 平台下的Zinc 图形界面开发工具进行开发，LCD 控制器选用EPSON公司的1354 显示控制器，显示器采用320 ×240彩色液晶屏显示器实现多窗口界面显示，输入设备使用触摸屏［2］，人机界面在需要输入数值或字符时将自动打开软键盘，根据输入类型将自动选用相适应的软键盘，使用菜单弹出对话框方式选择各种功能;第二类，选择UGL 实现界面系统，采用192 ×64 黑白液晶屏，用单窗口显示界面，输入设备使用按键。这两种情况的研究结论，可以容易地扩展到绝大部分的继电保护装置。

1.2 方案设计

HMI 模件与远程监控机通过网口实现点对点通信，采用典型的C/S 结构。客户端(远程监控机)主要负责向服务器端(继电保护装置HMI 模件)发出获取屏幕图像的请求，再将从服务器端得到的图像在本地实时显示，进而向服务器端发送控制命令;服务器端负责接受客户端的请求、采集和发送屏幕图像，以及响应客户端的控制命令。

远程监控屏幕图像的主要步骤包括图像采集、压缩、传输、解码、显示等。当采集到的图像为矢量图时，由于数据结构紧凑，冗余度低，可直接传输。当图像为点阵图时，采集到的原始图像数据量庞大，若直接用网络传输，将会占用大量的网络带宽。为了提高网络传输的效率，降低网络负载，需要对原始图像进行压缩处理。整个过程组成框图如图1 所示。

图1 屏幕图像传输与控制总体方案

图像压缩有经典方法与现代方法两大类［3］。经典压缩技术以信息论和数字信号处理技术为基础，是一种旨在去除图像数据中的线性相关性的编码技术，以行程长度编码(RLE)、LZW 编码、霍夫曼编码、预测及内插编码、矢量量化编码等为代表。现代压缩技术是指不局限于香农信息论的框架，充分利用人的视觉生理心理特性和图像信源的各种特性，能获得高压缩比的一类编码技术，以模型法、分形法、小波变换压缩方法最具代表性。本文在分析各种图像压缩方法的原理与优缺点后，分别对行程长度编码、LZW 编码和小波变换3 种方法进行了仿真分析，并将前两种应用到实际的工程中。

2 图像压缩算法的仿真与分析

2.1 行程长度编码(RLE)

行程长度编码(run-length encoding)是压缩算法中既简单又高效的方法之一［3］。它把一系列的重复值用一个单独的值再加上一个计数值来表示，实现起来很容易，对于具有长重复值的数据串的压缩编码很有效。例如大面积的连续阴影或者颜色相同的图像，使用这种方法压缩效果很好。利用MATLAB 工具，编写RLE 算法，对继电保护HMI 图像进行仿真压缩，该图像为320 ×240 的256 色的伪彩色图像，bmp 格式。仿真结果如图2所示，压缩性能如表1 所示。使用RLE 压缩方法，压缩比可达到10.5∶1，大大减小了图像数据量，并且压缩时间也较短，可以满足日常图像压缩的要求。

图2 基于RLE 压缩方法的效果图

表1 基于RLE 压缩方法的压缩性能

2.2 LZW 编码

LZW 编码原理是:将每一个字节的值都要与下一个字节的值配成一个字符对，并为每个字符对设定一个代码。当同样的一个字符再度出现时，就用代号代替这一字符对，然后再以这个代号与下个字符配对。LZW 编码的一个重要特征是，代码不仅仅能取代一串同值的数据，也能代替一串不同值的数据。通过MATLAB 仿真，结果如图3所示，压缩性能如表2 所示。

图3 基于LZW 压缩方法的效果图

表2 基于LZW 压缩方法的压缩性能

使用LZW 压缩方法，压缩比约为10．18∶1，压缩后图像信息不再是一个字符，而是一个字符对，这也是图像BYTES 是图像SIZE 两倍的原因。相比RLE 方法，LZW 方法的压缩时间长很多，因此对于实时性要求较高的场合不太适用。

2.3 小波变换(WT)

小波变换(Wavelet Transformation)方法把图像分解成逼近图像和细节图像之和，它们分别代表图像的不同结构，然后采用快速算法(Mallat)进行压缩，可以获得很高的压缩比［4］。小波变换应用于图像压缩时，本质上是对原始图像的小波系数进行重组处理，然后用处理后的小波系数恢复图像。利用MATLAB 小波变换工具，对继电保护HMI 某图像压缩进行仿真，仿真结果如图4 所示，压缩性能如表3 所示。使用WT 压缩方法，二次压缩的压缩比可高达16∶1，但是恢复后的图像效果不佳，这是因为在压缩过程中高频信息都已被丢弃。本文所压缩的图像分辨率较低，仅依据低频信息无法完全复现图像。

检测机构所有工作人员都必须接受定期培训。无论是技术人员还是管理人员检测机构都要明确规定胜任这份工作的人的资质，只有实践经历与专业水平符合要求才能不断晋升。除了保证工作人员专业技能达标还要保证从业人员职业素养合格，检测机构要加强工作人员的思想道德教育，检测机构需要定期考察工作人员的专业技能和职业素养。确保上岗的员工专业过硬素质够高。

图4 基于WT 压缩方法的效果图

表3 基于WT 压缩方法的压缩性能

2.4 仿真结果分析

RLE 是一种无损压缩方法，压缩比高，压缩时间短，编程简单，易于实现，但对于分辨率较大的图，压缩时间较长;LZW 方法也是无损压缩，压缩比与RLE 方法接近，但是压缩时间过长;WT 方法是一种有损压缩方法，理论上压缩比可以任意高，并且压缩速度快，但对于分辨率较低的图像，恢复后较为模糊。总结上述方法，结合电力系统继电保护装置HMI 液晶较小，画面简洁，分辨率不高的特点，在具体的工程实现中采用RLE 方法和LZW 方法进行图像压缩。

3 屏幕图像传输与控制方案的具体实现

继电保护装置以Power PC 8247，32M RAM 为例。Client 采用i3 内核，2G 内存笔记本电脑，采用有线网络通讯。

在Server 端创建了2 个线程，其中一个线程用来实现图像传输，一个线程用来实现远程控制命令的执行。在Client 端创建2 个线程，其中一个用来实现图像接收，一个用来实现发送远程控制命令。接收线程接受Server 发送来的图像数据，并存储到接收缓冲区，解压后存储到显示缓冲区，并按照设定的时间，在设定的标志满足要求后，从显示缓冲区读取图像数据进行显示。

3.1 图像传输

3.1.1 图像采集

本文HMI 模件中的液晶显示控制器选用EP-SON 公司的SED1354。它包含CPU 接口部分、内部控制部分和LCD 驱动部分［5］，如图5 所示。其中控制部分是SED1354 的核心，本文的图像采集也正是通过控制部分的显示存储器接口来实现的。

图5 液晶显示控制器原理

对于此类HMI，在继电保护装置侧，把要显示的图像内容由CPU 写入显示存储器，远程客户端若要获得屏幕图像，也只需发送命令给HMI，读取显示存储器中的内容即可，它与显示到液晶屏上的图像是一致的，从而实现了图像采集的功能。

对于第二类HMI，由于要采集的是矢量图信息，而显存中的是点阵图数据，因此不能直接从显存中读取数据。本文在使用UGL 实现界面显示的同时，也将矢量图信息发送到远程客户端，双方具有约定的图形格式和字库。当装置侧更新图像时，立即将点阵信息发送到显存，同时将矢量信息发送到客户端，虽然此时显存中的内容与采集到的内容已完全不一样，但最终显示的图像是一样的，从而实现了图像采集。

3.1.2 图像压缩

当采集到的图像为点阵图时，需要对图像数据进行压缩，以减小带宽占用率，提高传输速率。本文在实际过程中分别试验了RLE 和LZW 两种图像压缩方法。当采集到的图像为矢量图时，数据量已经较小，不再进行任何压缩。

3.1.3 图像传输

对于继电保护装置HMI 屏幕图像传输和控制，采用基于TCP/IP 的图像传输方式。对于第一类HMI，每隔500 ms 由装置向客户端主动上送一次图像数据，同时为防止数据丢失，远程客户端每隔1 s 向装置服务器端索取图像数据，客户端的图像接收线程一旦接收到数据，并断定为图像数据，则进行存储和解压缩。对于第二类HMI，则不会定期向客户端传送数据，只有当装置侧图像改变时，才会在绘制界面新图像的同时将矢量信息传送给远程客户端进行更新显示。

3.1.4 图像解压缩

图像解压缩是图像压缩的逆过程，即将获得的图像数据进行解码，重现图像。对于第一类的HMI，解压缩方式与压缩方式相对应即可，对于第二类的HMI，将矢量图在远程重绘即可以完成图像的恢复和显示。

3.2 远程屏幕图像控制

除了能够在远程机上观察到继电保护装置HMI 的界面，还必须通过远程界面操作装置，让装置实时响应，执行相应操作。对于第一类HMI，输入设备为触摸屏，在远程机上通过获得鼠标点击的位置，转换为装置上触摸屏的触摸坐标来实现命令的捕获，装置根据鼠标位置执行相应的操作;对于第二类HMI，输入设备为按键，本文采用在客户端设置相应的上、下、左、右、加、减、返回、确认等按钮，模拟按键操作，来实现控制。

4 继电保护装置HMI 屏幕图像传输控制的结果与分析

对于第一类HMI，传输图像为320 ×240 的256 色索引图像。在远程客户端得到了装置HMI界面的实时图像。图6 为连上装置后，HMI 上所显示的“遥信量监控”界面的正常尺寸。图7 为利用远程客户端鼠标点击模拟触摸屏触摸操作效果的放大图。

图6 客户端获得的屏幕图像

图7 客户端发送控制命令并获得装置端响应的效果图

本文针对未经压缩的图像，通过RLE 压缩后的图像和通过LZW 压缩后的图像3 种情况分别进行了试验，并都实现了期望的效果，各方法性能比较见表4。

表4 各种压缩方法性能比较

实验结果表明，未压缩的图像直接传输时，速率较慢，占用带宽较大;经过LZW 压缩后的图像虽然数据压缩比也较高，但是压缩时间较长;经过RLE 方法压缩后的图像，数据量小，传输速率较快，保证了图像传输的连贯性。实践证明，3种方法中，RLE 方法是最理想的一种压缩方法。

对于第二类HMI，传输图像为192 ×64 的矢量图。在远程客户端得到的图像如图8。

图8 矢量图传输结果

点阵图与矢量图的比较如表5 所示。矢量图的数据量比点阵图小很多，仅为点阵图的2.21%。若是将点阵图转化为矢量图，相当于压缩比为45∶1，这凸显了矢量图在纯字符图形传输中的优越性。

表5 点阵图与矢量图比较

上述实践证明，点阵图与矢量图均可作为继电保护装置与远程客户端之间传输的图像。点阵图逐行逐列记录图像信息，易于理解和实现，虽然本身数据量较大，但经过压缩后，也不会妨碍传输速度，对于图像形式也没有限制。因此，基于压缩点阵图的图像传输适用性广，并且可以周期性地向装置发送传输图像的命令，更新图像的频率可以在装置效率允许的情况下由客户端自由决定，客户端的应用程序不受装置程序升级的影响。矢量图的数据结构紧凑，冗余度低，因此数据传输量小，对于纯字符图像的传输优势更高，但当存在图像重叠时则很难处理，这也成为矢量图应用于HMI 屏幕图像传输的限制;并且基于矢量图的图像传输，只有当装置界面图像发生变化时才会在绘制界面新图像的同时将矢量信息传送给远程客户端进行更新显示，客户端不可自由决定图像更新的频率;此外，当装置中的字库或图库发生变化时，客户端的应用程序必须同步更新才能正确实现图像传输显示的功能。

5 结论

本文提出的继电保护装置人机界面实时传输与远程控制方案，解决了装置在无液晶屏或液晶屏损坏的情况下无法正常监控的问题，也弥补了以往无法对装置界面实现远程监控的不足，同时更加便于工程人员利用PC 机调试和操作装置;设计的基于压缩点阵图和矢量图的两套图像传输策略，以及基于触摸屏和按键的两套控制方案，满足了大部分继保装置实现人机界面传输和控制的要求。该方案已在部分继电保护装置上应用，并取得了良好的效果。外界干扰对图像传输与远程控制的影响将是本文下一步的研究方向。

［1］王金贺，王澄非．基于TCP/UDP 的屏幕图像传输的实现［J］．苏州科技学院学报，2010，27 (1):52-55．

［2］韩春江．继电保护装置人机接口软件模型研究［J］．硅谷，2009，(13):19-20．

［3］褚衍彪，王娅茹．图像压缩编码方法综述［J］．电脑与电信，2007，(9):58-59．

［4］安晓东，陈静．图像压缩方法综述［J］．电脑开发与应用，2006，19 (12):24-26．

［5］郭强．EPSON 图形液晶显示控制器系列SED135X 和SED1374 ［M］．北京:北京航空航天大学出版社，2000．62-65．

［6］谭艳梅．一种基于小波变换的图像压缩方法与实现［J］．微型机与应用，2011，30 (17):44-48．

［7］董琴．远程屏幕图像实时传输的方法与实现［J］．盐城工学院学报，2003，16 (3):16-19．

［8］张云，尹秋帆，胡道徐．继电保护装置开发平台软件系统架构与设计［J］．电力系统及其自动化学报，2005，17 (4):20-23．

［9］Jyh-Hong Jeng，Chun-Chieh Tseng，Jer-Guang Hsieh．Study on huber fractal image compressiopn ［J］．IEEE Transactions on Image Processing．2009，18 (5)．

［10］李恩，沈扬，梁自泽，等．基于图像传输的巡线机器人远程控制［J］．高技术通讯，2005，15 (8):29-34．

［11］张兴然，赵成勇，魏清．基于小波变换的二维图像识别与信号压缩［J］．电力科学与工程，2005， (2):34-37．

［12］丁书文．变电站多媒体自动化系统及其应用策略［J］．电力科学与工程，2006，(2):31-34．