基于WindowsCE 的电网大型设备运输状态实时监测系统设计

韩建伟，郑立中，郑逸非，周翔宇，张李明

（1.国网安徽省电力有限公司建设分公司，安徽合肥 230022；2.安徽电力工程监理有限公司，安徽合肥 230022）

电网大型设备（变压器、组合电器）体积、重量大，在运输过程中极易因惯性而发生振动、冲撞以及加速度、倾斜度变化等情况，对设备结构造成影响，由此带来性能与安全隐患[1]。如设备采取充油、充气运输，一旦途中发生泄漏，则后果将更加严重。目前，变压器、组合电器的运输一般由专业运输公司承运。在运输过程中，虽然部分物流公司可提供近期运输车辆的追踪信息，但业主、监理、施工及厂家对设备状态均无法及时获悉，待运输任务完成后才能确认产品的完整情况[2]。

目前，针对电网大型设备运输状态实时监测技术的研究较少，结合电网大型设备监造工作经验与设备运输、验收的现状，研究开发了一种功能可靠、安装使用简便的检测工具或仪器，用于实时监测大型设备的运输状态，保证设备运输过程风险可控、在控。该工具对于施工单位接收时出现问题的原因能够合理追溯，可以填补目前设备制造完成出厂到施工现场验收之间的监管空白，进一步保障电网设备质量安全[3]。同时，通过信息采集、异常报警、在线监控等手段，将设备运输状态按照物联网模式进行管理，打造全网泛在互联的智慧拼图[4]。

1 系统模型构建

1.1 系统模块组成

如图1 所示，整个智能监控系统分为物联网终端（前端车载监控系统）、物联网平台（通讯线路）、安全监管应用（智能车载监控后台）3 个部分。

图1 集成车载4G智能监控系统模型示意图

1）前端车载监控系统：包括各种摄像设备、拾音器、报警按钮、多功能调度屏、语音对讲设备、北斗等。

2）通讯线路：包含前端移动传输4G 与后台指挥中心以太网网络。

3）智能车载监控后台：使用无线网络对各类车辆进行集中管理与监控的系统。该后台通过收集运输过程中的视频、音频及碰撞数据等来识别风险，为用户提供设备状态信息，必要时可实现预警，可以实现无线远程实时视频监控、车辆历史行驶轨迹回放、车辆区域管理、查看报警信息等可视化决策[5]。

1.2 运输运动模型

基于WindowsCE 操作系统的电网大型设备运输状态监测模型的构建使用参数识别的方法进行[6]，即首先寻找历史数据和未来数据的规律，以及其与时间的关系。

电力变压器运输车辆的运动参数受多种因素的影响，其中既有车辆本身性能的影响，又有车辆运输路线上的环境因素及行驶质量等[7]的影响。在实际运输中，加速度一旦超限，则应立即采取相应措施，降低加速度并进行加固等措施。此时，控制获取的加速度是测量并经过滤波得到的，带有一定的时间延后。运输环境、路线等因素的不确定性决定了变压器运输的加速度是一组随机的时间序列。在实际运输过程中，仅通过测量使用这一延后的加速度来控制调节，显然是不够的[8]。

文中通过研究历史加速度与未来加速度之间的关系，采用一种线性拟合的算法预测加速度，以预测代替测量，从而实现提前执行相应控制。

线性预测是指利用一组随机数据建立其与时间的关系，进而建立输入数据与输出数据的动态模型[9-10]。

运行模型是已发生输出x()n 的线性组合，可以用式（1）进行表示：

上式中，n 为运行模型的阶数，ai为待识别变量。

利用最小二乘法对参数ai进行预测(i=1,2,…,n)，定义ai的估计值为，输出估计值为式（2）：

1.3 数据需求

该系统的数据来源包含但不局限于传感器、监控视频、音频等电力设备车载运输状态信息的相关数据[11-13]，如表1 所示。

表1 电力设备状态信息相关数据

2 系统硬件设计

系统硬件部分如图2 所示，其中包括CPU、GPRS、ARM 微处理器、三维冲撞数据采集、GPS 全球定位系统、温度/湿度采集、音频/视频数据采集、压力数据采集及无线传输模块。

图2 系统硬件构建

1）ARM 微处理器

ARM 微处理器是一种低耗能终端，可以在一个周期内完成数据的收集、存储等流程，可同时完成数据处理和移位，提高运行效率。

2）三维冲撞数据采集

三维冲撞数据采集模块主要针对运输过程的冲撞信息进行记录，并带有时间数据[14]。

3）GPS 全球定位系统

GPS 全球定位基于GPRS 与INTERNET 通讯网络的监控调度系统，以B/S 或C/S 技术为依托，固定地址接入，处理来自终端的各种设备信息[15]。

4）温度/湿度采集

为使PLC 实现对温度信号的数字化处理与自动控制，使用热电阻式温度计的温度模拟输入单元。将各种温度计转换出的模拟信号在用户任意设置的量程内线性转换成数字量，并按工程单位重新标定为百分比型数据后，保存到PLC 相应的存储字内。

5）音频/视频数据采集

视频、音频信息的采集需采用专门的采集芯片，处理器不参与采集过程。可以实现不占用内存空间的实时采集，适应大型设备运输的特殊情况采集[16]。

6）压力数据采集

压力数据采集方面主要通过空气压力自动产生系统、电动液压压力发生系统来调整，收集后统一送至无线传输模块。

7）无线传输模块

无线传输模块是一种基于无线通讯终端进行信息数据上传的平台，结合移动通信的短消息业务，为大型设备运行中的设备信息提供传输通道。

3 系统软件分析

3.1 系统软件

系统整体软件架构以分层处理结构为基础，主要包括实时内核、接口层、驱动层、协议层与应用层。

实时内核的作用是对系统任务进行调度，并负责延时处理、任务通信与系统的内存管理等工作。无论是任务调度，还是任务通信，对于系统的运行情况均具有直接影响。因此，实时内核部分也是系统调度的核心，应用层主要负责完成系统实际运行过程中的所需任务。

协议层主要负责对嵌入式系统的通信协议进行管理，对信息通信过程中的协议进行解析。系统驱动层主要负责为相关接口进行驱动工作，以保证下层接口的有效性。

3.2 应用软件

电网大型设备运输状态远程监测技术研究分为WEB 端、APP 端，共涉及运输信息、参数曲线、视频监控、后台管理4 个业务域，共有30 个一级业务子域。

4 应用实验与分析

在仿真实验中，首先，根据车载终端嵌入式系统软件设计的硬件开发环境选择微软WindowsCE 操作系统，采用Embedddcd VC++4.0 系统开发工具。其次，整个实验考虑到软件设计的可靠性，对于车载终端的平均无故障工作时间（MTBF）要求不低于3 000 h。终端嵌入式电源参数及各项指标要求如表2 所示。

车载终端嵌入式系统软件基于以上设定，在系统软件中，首先，需要提供监控信息，主要包括设备实时采集的关键运输参数，如设备的双轴倾角、车辆运输速度、设备冲击振动等；其次，应提供大型电力设备运输途中的在线监测和控制能力，确保及时识别运输风险，及时预防事故发生。通过可视化设计可以看到行车路径的历史回放结果。

表2 电源参数及各项指标要求

通过系统可视结果可知，该系统可以较优地用于实时监测大型电力设备运输过程中，对设备运输的进度、速度、状态、操作合规性等涉及到运输质量安全的信息均可进行实时监控及综合预警。

5 结束语

文中通过在货运车辆上安装车载监控系统，有效解决了大型电力设备车载运输在移动状态下数据的可靠存储与分析、自动预警、实时传输，并实现相关软硬件的配套。借助4G 无线监控系统，管理人员能够通过计算机或手机实时了解车载设备的地理位置、运输状态，全方位提高电网大型设备运输状态远程监测能力。