基于TCP/IP的变电站监控系统设计

邢俊鑫，王 亮

(江苏商贸职业学院艺术与电子信息学院，江苏南通226001)

基于TCP/IP的变电站监控系统设计

邢俊鑫，王 亮

(江苏商贸职业学院艺术与电子信息学院，江苏南通226001)

针对基于网络的变电站监控系统中存在的数据传输问题，研究了变电站中的各种数据的表达方式，重点分析了利用图像处理的方式对现场状态进行远程监控的技术方法。该系统基于TCP/IP协议，采用典型的客户服务器模式，采用文件流技术读取并写入数据，数据流技术传送和接收数据，从而实现了传输速率的最大化，为变电站监控系统的实时图像监测提供了有力的技术支撑。

变电站；实时监测；TCP/IP协议；客户服务器模式

变电站是电力系统中的重要组成部分，其安全性对整个电力系统起到了至关重要的作用，因此，采用恰当的技术对其进行监控是必要的保障措施。

随着电力行业的发展，变电站的内部设备越来越复杂，这对相应的监控技术也提出了越来越高的要求，智能化的检测和识别分析成为保证变电站安全运行的手段之一。

智能化的检测和识别离不开对视频及图像的监控。本文利用TCP/IP协议构建了数据传输通道，并利用当前流行的图像处理和模式识别技术对监控目标的图像进行自动分析识别，从而实现了在有异常情况时的及时报警和准确分析基本情况的目的。

1 变电站监控技术分析

目前，大多数的变电站为无人值守站点，其监控主要依靠远程监控方式，利用相关的通信网络构建实时监控系统，实现对变电站内部设备运行数据的实时采集、分析和处理。近些年来，由于通信技术的发展，远程实时视频监控成为可能，这一技术的成熟，对提高变电站运行和维护的安全性及可靠性，实现智能化的变电站远程监控起到了关键的作用。

对于变电站来说，主控制室的设备运行情况、主变、断路器、隔离刀闸等的运行状况都是监控的重点。这些数据中，有些设备的信息只依赖于采集的电压、电流等参数信息不足以确定其运行的准确状态。如果在现场，利用多媒体技术，辅助以图像或视频信息对变电站的运行情况进行综合性的监控和分析，可以提高监控的可靠性。

利用通信网络对视频和图像等信息进行有效地传输，一直是信息传输的重点研究内容。随着通信技术、通信网络的不断发展，远程数字视频与图像监控与智能识别系统在应用范围、传输质量、技术标准等方面得到了长足的进步。

在视频与图像等数据进行长距离传输时，会遇到两个技术瓶颈：一个是数据传输的带宽与速率的问题，视频与图像都存在数据量大的问题，因此对带宽与数据传输速度要求都较高，以保证数据接收的及时性。对于这个问题，目前的有线传输大多采用光纤数据传输，而无线传输借助的是3G或4G的技术，已经能够满足视频与图像的有效传输；另一个问题是数据在采集、传输的过程中，不可避免地被噪声所污染，因此，去噪是保证接收图像和视频准确度和清晰度的基本条件。在本设计中，在对比分析了多种图像与视频去噪技术的基础上，确定了以中值滤波为主的去噪方法。

为了实现智能监控的目标，对于图像等数据需要解决图像识别，以有效地实现将仪表盘上的数据转化为数字信息的过程。目前，应用比较广泛的有统计模式识别方法、模糊理论识别方法和神经网络识别方法等。但是随着信息容量及维度的提高，采用新的技术对视频图像进行有效处理是一种必要的技术手段。

本设计采用Stricker和Orengo所提出的颜色矩(Color Moments)来提取视频和图像的特征值的方法是近年来研究的重点。这种方法主要的优点是降低了信息量化的复杂度及颜色特征的维数，具有较高的分辨检索效率，其主要的三个低阶矩分辨数学表达式为：

图像采集相似度距离采用马氏(二次式)距离的方法，其距离表达式可以表达为：

提取的数据采用聚类算法进行融合计算，由于视频及图像具有一定“阈”的概念，因此，本设计采取了基于模糊的聚类方法，把视频及图像的特征值的隶属关系的取值从硬性的[0,1]转换为以最近的一系列值所形成的数据系列中。

以上技术的应用，可以有效地完成对于视频及图像监控的功能。

2 基于TCP/IP的数据传输

本设计的目标是除将日常设备运行数据及时进行采集和传输外，还需要实现定期将仪表采集来的数据图像传至监控中心。为了保证数据的传输速率和可靠性，采用TCP/IP协议作为数据传输方案。

本系统所采用的基于TCP/IP协议的网络接口采用文献[1]中的技术，其基本结构如图1所示。在该框图中图像的采集采用摄像机完成，采用静态图像压缩方法JPEG2000对数据进行处理，处理后的数据按照TCP/IP协议进行分组打包，随后通过网络接口进行远程传输。接收端设置接收机，主要作用是对各个数据包进行分析并解码，从而实现数据的还原[1]。

TCP/IP协议是一个4层的分层体系结构，分别为应用层、运输层、网际层和网络接口层。为了实现在网络接口实现其相应的功能，系统利用嵌入式芯片S3C6410及MAC控制器芯片AM79C940来担当数据采集及通信接口的任务。S3C6410负责集中接收图像的信息流与压缩编码的功能，79C940负责实现网际层和网络接口层的功能，并自动完成以太网载波载听、冲突检测、碰撞重传等功能。

由于嵌入式芯片S3C6410是32位系统，为了保证数据传输的速度，所以系统采用客户机/服务器(C/S)模式来搭建，图像的采集和显示利用客户端来实现，而服务器对信息进行存储和处理，并完成控制命令的下达。C/S结构具有速度快、可靠性高的优势，而相对于B/S结构而言，通信协议可以简化些，其中传输层协议采用UDP协议，TCP协议可以舍弃，其它需要实现的协议还有ICMP协议和ARP协议，经过简化的TCP/IP协议可以方便地在嵌入式系统中实现。

图1 图像传输网络接口功能框图

3 系统上位机的实现

系统的上位机开发使用的编程语言是Java。Java是一个纯面向对象的程序设计语言，拥有面向对象继承、多态、封装、抽象四个基本特性。而Sun公司对Java编程语言的解释是：简单、面向对象、分布式、解释性、健壮、安全与系统无关、可移植、高性能、多线程和动态的语言。这一系列的特点使得Java成为了应用最为广泛的编程语言之一。

在本设计当口，利用文件流和数据流的方式来实现相应的数据传输，传输采用串口来实现，并利用JAVA语言中的RXTXcomm.jar的包来实现基本的串口通信功能[2]。

向串口写数据采用文件流来实现，具体语句为：

4 总结

本设计以TCP/IP为核心，构建了基于C/S结构的变电站信息在线监测系统。该系统以嵌入式芯片S3C6410及MAC控制器芯片AM79C940为主要的数据处理和传输芯片，上位机采用JAVA来实现，技术采用文件流和数据流来实现，具用应用灵活、实时性强的优点。

[1]杨亚东，张方.基于TCP/IP协议的图像传输网络接口的设计与实现[J].系统工程与电子技术，2003(9):1142-1143.

[2]吕炎杰.智能电网监控系统上位机程序的设计与实现[D].张家口：河北建筑工程学院，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，江苏省人，工程硕士，讲师，主要研究方向为软件开发、移动互联技术。