GIS压力实时监测系统设计与实现

张德才，何　峰，鲍　新，周兴福，房　民

（国网山东省电力公司济南供电公司，济南　250012）

GIS压力实时监测系统设计与实现

张德才，何峰，鲍新，周兴福，房民

（国网山东省电力公司济南供电公司，济南250012）

针对变电站GIS压力表巡视耗时长、难度大的现状，设计了一套压力实时监测系统。该系统基于变电站内部局域网络，主要由摄像采集模块、通信传输模块、分析预警模块构成。实际应用证明，该系统读表正确率达99.7%，不仅大幅减少了运维人员的巡视工作量，显著提高了GIS巡视效率，而且当设备压力出现异常时能够及时预警。

GIS；实时监测；摄像采集模块；通信传输模块；预警

0　引言

GIS将断路器、隔离开关、接地开关、互感器等一次设备封闭在金属接地的外壳中，在其内部充入具有一定压力的SF6气体。因此，GIS具有结构紧凑、占地面积小、可靠性高、安全性强、环境适应能力强等诸多优点，广泛应用于高压、超高压领域［1-4］。如果GIS内部气体的压力过低，会使断路器的灭弧能力降低［5-6］；压力过高，会使断路器机械寿命缩短或者内部SF6气体液化［7］。因此，GIS内部气体压力状况直接关系到变电设备的安全运行，是变电运维人员巡视的一项重要内容。

随着电网规模的不断扩大，变电站GIS设备数量也在大幅增加，GIS压力表的巡视任务不仅变得异常繁重，而且还存在很多困难。据统计，济南电网中位置高于3 m的SF6压力表数量占所有SF6压力表总数的21.27%，巡视人员只有攀登设备或借助绝缘梯凳等工具爬到高处才能准确读表，不仅费力，而且存在着从高处跌落、被设备碰伤刮伤的危险。另外，安装在小于0.5 m缝隙中的SF6压力表占压力表总数的7.86%，运维人员需要穿过很窄的缝隙或越过某些气室才能巡视，同样存在被设备碰伤刮伤的危险。以上情况也使得GIS设备的巡视效率低下、误差过大。

为提高组合电器压力表巡视效率，避免出现人身伤害，基于变电站已有通信网络，结合变电运维工作实际，设计实现了GIS组合电器压力表实时监测系统。该系统通过程序发送指令进行SF6表头的图像采集，然后将图像数据传送至系统服务器进行表计识别和压力分析。不仅使准确性、巡视效率有了大幅提升，而且能够实时进行压力监测和预警，确保设备的安全稳定运行。

1　系统架构

GIS压力表实时监测系统由摄像采集模块、通信传输模块、分析预警模块3部分组成。其中，摄像采集模块固定于SF6压力表上，能够接收服务器指令进行图像采集，然后将图像数据压缩后以无线的形式发送给通信传输模块。通信传输模块在收到图像数据后将其转发给分析预警模块，后者将接收到的图像数据进行识别，并对压力数据进行分析和归档，如图1所示。

图1　压力实时监测系统架构

该系统的工作流程如图2所示。系统通电后初始化各个工作单元，对各外设进行初始化配置，然后系统进入无线休眠状态，等待无线唤醒命令。当系统被唤醒后进入测量状态。测量模式有两种，分为自动定时测量模式和手动测量模式。自动定时测量模式下，用户根据需要设置测量时间间隔，然后开始计时，一个时间周期内读取一次压力数据。手动测量模式下，用户通过计算机发送巡视指令，启动系统读表并给出结果。在各模式下，用户根据实际需求测量数据。

2　摄像采集模块

该模块将单片机、CMOS传感器、无线收发单元、补光单元等组合在一起，然后安装固定在压力表头上，如图3所示。该模块在收到读表指令时无线通信芯片CC1101自动唤醒并拍摄仪表的照片，通过433 MHz无线技术把仪表信息上传到通信传输模块。

2.1摄像采集模块的设计

根据实际需要，摄像采集模块需要完成图像采集、处理、存储、输出、通信等功能。系统采用了ST公司的8位低功耗单片机完成控制工作，以Flash、CMOS图像传感器、CC1101通信单元、LED补光单元等为外围电路，构建压力表图像采集器平台，如图4所示。

图2　系统流程

图3　摄像采集模块

2.2电源管理

摄像采集模块采用电池供电，所以电源节能管理非常重要。系统选用了低功耗的处理器，并且每个单元的供电采用分别控制的方法，休眠过程只有CPU和无线接收间歇性工作，大大节省工作用电。

图4　摄像采集模块功能

2.3COMS图像采集

系统工作时原始的图像数据量大，传输带宽大，为了更好地节省资源，采用压缩采集于一体分辨率为200万像素的COMS传感器，图像以JPEG数据输出，一张压力表图像8 kB左右，大大节省了数据流量。

另外，COMS传感器正常工作过程中消耗的电量远低于CCD的消耗，而且与周边电路的整合性高。通过将ADC与信号处理器整合在一起，使模块的体积大幅缩小，取得最佳效果。

2.4无线传输

为更好地保护网络信息安全，系统采用433 M无线频段近程通信并选用了TI的无线通信芯片CC1101。CC1101广泛应用于极低功耗RF应用，能够进行数据的自动组包与拆包、空闲信道评估（CCA）、RSSI功能、数据缓冲、突发传输、无线唤醒、交织以及白化等功能，适用于低于1 GHz频率的RF设计。电路如图5所示。

图5　CC1101电路

3　通信传输模块的设计

通信传输模块主要由单片机、无线通信芯片CC1101、以太网接口等硬件组成，负责服务器与摄像采集模块之间的指令传送、数据传送，起到图像近程采集到远程传输的承上启下的作用，主要功能如图6所示。

图6　通信传输模块功能

该系统将单片机、无线通信芯片等进行封装，内置可充电电池，也可以外接电源，如图7所示。该装置固定在GIS设备区内，可满足所有压力表摄像采集装置通信传输的需要。

图7　通信传输模块实物

4　分析预警模块的设计

摄像采集模块拍摄的GIS压力表图像，通过通信传输模块上传到服务器，采集结果以JPEG图片形式保存。数据进入系统服务器后，服务器采用霍夫变换及中心投影算法进行识别［8-10］。系统数据库保存了所有压力表的历史数据，能够根据设备区温度数据分析当前设备区压力是否正常、变化趋势等，如遇到压力突变或持续变化情况，能够自动报警，提醒运维人员到站检查，如图8所示。

5　系统应用

2014年6月至2015年10月，该系统在220 kV兴隆站、220 kV水屯站、220 kV贤文站、220 kV安康站和220 kV绣江站进行了安装实验。采用自动定时测量模式，时间间隔设定为2 h，5座变电站各巡视6 216次，实验统计数据如表1所示。

图8　系统软件界面

表1　系统应用数据

由表1可以看出，提出的压力实时监测系统，克服了高度、角度、亮度等因素的影响，读表正确率远高于人工巡视；而且巡视时间减少到原来的5.62%～7.6%，大幅提高了压力表的巡视效率和巡视质量。

6　结语

针对GIS组合电器压力表巡视中存在的问题设计压力表实时监测系统。首先由摄像采集模块采集压力表图像，然后将图像数据发送给通信传输模块，再由通信传输模块转发给系统服务器进行计算和分析。实际应用证明，该系统不仅显著提高了巡视效率、降低了巡视过程中人身伤害的风险，而且具备压力实施监测和预警的功能，具有良好的推广前景。

［1］王克挺.气体绝缘全封闭组合电器应用于发电厂变电站的技术经济分析［J］.电力科学与工程，2010，26（1）：27-29.

［2］万方华.智能化GIS组合电器应用分析［J］.科技通报，2014（7）：107-110.

［3］胡邦基.全封闭组合电器在电力系统的应用［J］.华北电力技术，1994（7）：45-49.

［4］包红旗，刘静.HGIS组合电器技术的应用［J］.吉林电力，2006 （6）：10-12.

［5］姚明伟，李玉峰，陈万.变电站室外GIS全封闭组合电器压力降低原因分析［J］.沈阳电力高等专科学校学报：自然科学版，2014 （1）：50-52.

［6］段涛，卢光宇，闫大振.变电站GIS组合电器SF6压力指示异常分析及对策［J］.中国电力教育，2011（31）：263-265.

［7］刘亚坤.SF6封闭式组合电器气室安全设计研究［D］.大连：大连理工大学，2010.

［8］孙丰荣，刘积仁.快速霍夫变换算法［J］.计算机学报，2001，24 （10）：1 102-1 109.

［9］黄海清.利用改进霍夫变换进行类圆形检测的图像处理方法：中国，CN102568007A［P］.2011-12-19.

［10］何智杰，张彬，金连文.高精度指针仪表自动读数识别方法［J］.计算机辅助工程，2006，15（3）：9-1.

Realtime Monitoring System for the Pressure of GIS

ZHANG Decai，HE Feng，BAO Xin，ZHOU Xingfu，FANG Min
（State Grid Jinan Power Supply Company，Jinan 250012，China）

A realtime-monitoring system for the pressure of GIS is proposed in view of the present situation of difficult and inefficient routine inspection.Based on the substation internal local area network，the system is constructed of image capture，communication，and the analysis and warning modules.Practical applications prove that the accuracy of the pressure gauges recognition of the system is over 99.7%.which reduces the workload of the operators considerably，increases the efficiency of routine inspection markedly，and more，can give an early warning when the pressure of GIS is abnormal.

gas insulated substation（GIS）；realtime-monitoring；image capture module；communication module；early warning

TM732

B

1007－9904（2016）08－0046－04

2016-03-12

张德才（1985），男，工程师，从事变电运维与管理方面的工作；

何峰（1973），男，高级技师，从事变电运维与管理方面的工作；

鲍新（1968），男，工程师，从事变电运维与管理方面的工作；

周兴福（1983），男，工程师，从事变电运维与管理方面的工作；

房民（1963），男，高级技师，从事变电运维与管理方面的工作。