[论文]输电线路覆冰监测系统研究建议书草稿.doc

附件一、编号四川省电力公司科学技术项目建 议 书项目名称：输电线路覆冰与气象环境远程监视监测系统研究(广安电业局辖区xxxkV线路应用)申请单位广安电业局起止时间：2009年 03 月 至 2009 年 12 月项目负责人：李敏通信地址：广安市金安大道199号邮政编码：638000联系电话：08262986057传 真：08262343757申请日期：2008年10月18 日简表项目名称输电线路覆冰与气象环境远程监视监测系统研究项目负责人姓名李敏单 位广安电业局性别男年 龄36专业电力系统自动化职 称高级项目分类技术攻关新技术开 发新产品试 制技术引进消化吸收应用理论基础研究软科学研 究推 广项目组人 数7其中高级职称4中级职称2研究生2初级职称2协作单位协作形式申请金额(万元)27研究起止年月2009年03月至2009年12月其中资 助27自 筹项目内容、意义和预期成果摘要项目内容有些输电线路架设在偏远的山上，由于地势较高，温度较低，容易产生覆冰。而这些地方人迹罕至，巡检人员巡检一次也要花费很长时间，覆冰不易及时发现，从而给电力系统造成极大的破坏。本项目以上述问题为研究背景，采用GPRS无线通信技术、嵌入式技术、图像处理技术，构建分布式监控系统，实现大地域内分散信息的采集、处理、传输以及信息的管理。整个监控系统分为两部分：数据采集端和监控中心。数据采集端按照一定的规则分布于线路的各路段，负责电缆各种参数数据的采集、处理、传输。数据采集端由各种传感器、摄像头、嵌入式处理器、GPRS无线通信模块组成。监控中心可设在变电站或其他相应电力部门，由PC和服务器及相应软件系统构成，负责报警信号的收集、分析以及抢险任务的调度。电力系统对安全性和可靠性要求较高，而监控系统的运行环境较为恶劣：直接暴露于大自然中、并处于高电压环境下，在采集端的设计中需采用高可靠等级的元器件，并充分考虑电磁兼容、静电防护问题。采集端拟采用32位ARM处理器，操作系统采用嵌入式实时操作系统uCosII。监控中心的软件系统基于Visual Studio.NET和Microsoft SQL Sever进行开发。监控数据有三种读取方式：定期方式、随机方式和中断方式。定期方式即采集端按照固定的周期采集数据并发送到监控中心；随机方式即根据管理人员的要求随机通过监控中心向采集端发送指令，使其采集此刻监控数据并发送到监控中心；中断方式即当采集终端发现异常情况时（如监测发现有产生覆冰的迹象），随时向监控中心发出报警信息。项目意义电力线路是电能传输的重要电力设施，其安全稳定运行不仅关系到国民经济发展，而且维系着社会安全稳定。然而电力线路常年暴露于野外，容易遭受自然因素的破坏。尤其是处于偏远地段的线路，采用巡检的方式进行保护会消耗大量人力物力。电网运行与气象条件息息相关，尤其一些极端天气气候事件更会对电网的安全构成巨大的威胁，其中严重覆冰而引起的电网事故是送电线路的主要灾害之一。影响导线覆冰的主要的气象因素有气温、空气湿度和风。一般来说最易覆冰的温度为-80。若气温太低，比如在-20-15或更低时，水滴将变成雪花而不易于形成覆冰。当有了足够冻结的温度后，覆冰的形成还必须有较高的空气湿度，一般要求空气湿度达到90%以上。当温度与湿度条件都具备时，风速的大小和风向成为决定覆冰厚度的重要参数，最适宜覆冰产生的风速一般为27m/s。广安市地处中亚热带湿润季风气候区，最冷月（1月）平均气温6，最低气温在0左右。随着海拔的升高温度会更低。海拔上升100米，气温下降0.559。广安市海拔高度从185米到1700多米，以华蓥山主峰高登山1704米为最高。垂直温差可达8.2。广安地区气候湿润，空气湿度较大，局部地区冬季平均风速为24m/s，完全具备产生覆冰的气候条件。所以广安电网存在产生覆冰的潜在威胁。在08年年初的冰雪灾害中，广安市电网多条输电线路受到影响。220千伏长代东线跳闸，线路受损；主电网与邻水电网的主要联络线110千伏代邻线，因覆冰严重三次跳闸；多条农电线路跳闸、变台停运，电网频频告急。本监控项目针对上述问题进行研究，提出一套用于电力线路的实时监控系统设计方案。当发现有产生覆冰或其他危害性气象状况时数据采集端会自动进入中断方式，向监控中心报警，并提供发生灾害的地点信息，同时记录下现场图像，为监控中心管理人员提供参考。本系统可以根据环境参数的变化规律做出预测，从而在灾害发生之前做好预防的准备，减少或避免不必要的损失。根据上述分析可知本监控系统对于电网的运行具有以下意义：（1）提高供电系统的可靠性 如果配电网上某处出现故障，就可以迅速地找出出现故障的位置，并把它从整个配电网上隔离出来，然后及时给没有出现故障的用户供电。该系统可以使工作人员反应更加迅速及时，从而有效地缩短了用户停电时间，提高了供电的可靠性。（2）提高供电经济性 实时监控配电网的运行状况，降低故障发生率，减少修复成本，达到提高供电经济性的目的。（3）降低劳动强度 通过远程监控，可以减少人工巡检，降低劳动强度，提高工作效率，实现减员增效，降低人力资源成本，并且，能极大提高管理水平和服务质量。（4）具有可推广性 该系统可以推广应用到其他方面的监控，如防盗监控。盗窃输电电缆的现象，也比较普遍，在这方面的应用也具有重要的意义。预期成果该项目的预期成果可分为基本功能的实现和探索性研究两部分。该系统的基本功能包括如下几点：（1）数据分析 即对采集到的数据通过融合进行判断是否存在发生灾情的可能。该功能不是用户直接所接触到的功能，但在保证报警信号正确性中发挥着核心作用。（2）自然灾害报警 采集气象参数判断是否有自然灾害发生，自然灾害发生之前，一般会在气象参数变化中体现出一定的征兆，有助于我们在灾害发生之前的较长时间内做出预报和预防准备，该功能对监控对象所处环境的各种参数进行分析，当发现威胁时及时向监控中心发送报警信号，并将所采集的判断依据提交给监控中心。（3）远程控制 监控中心可以对数据采集端的采集方式以及报警判别算法进行控制，使其按特定要求采集、传输数据。（4）数据存储 监控中心的服务器具有保存历史记录的功能，对过去所采集到的各项数据进行保存以备日后查询、分析。除完成上述基本功能外，本项目还要对前沿技术进行研究，以探索更先进的监控方式和其中的技术难题，计划发表至少2篇高水平论文。一、本研究项目的科技依据（包括科技意义和应用前景，国内外研究概况、水平和发展趋势；应用理论基础研究项目应阐述学术思想，立论根据，特色或创新之处，主要参考文献目录及出处；推广项目说明成果成熟程度，适用范围，以及成果的知识产权等问题）在本项目中主要使用了GPRS无线通信技术，该技术在电力监控中的应用尚不多见。本项目对GPRS应用领域的扩展具有重要的意义。GPRS是通用分组无线业务的简称，是一种以GSM为基础的数据传输技术，它提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性的和频繁的少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。GPRS无线数传终端应用范围十分广泛，几乎所有的远程数据传输业务都可以使用，并且不受地理环境、气候、时间限制，因此在我国工业自动化和其他领域得到了广泛应用。电力系统为保障电网的运行建立了专用的通信网络，电力系统的通信需求，基本上都是由电力通信专网承担的。但电力系统对通信的要求是多样的，电力通信在部分场合还无法满足电力生产的需要，而GPRS作为将移动通信与数据通信合二为一的技术，使移动通信网络具有提供更多增值业务的能力。移动公司的GPRS系统本身对公众提供了多种多样的GPRS应用，许多GPRS公众业务在电力系统中都是可以应用的。基于GPRS的远程监控系统是集现代无线通信技术、信号采集技术以及计算机网络技术为一体的现代监控系统，已经成为现代监控领域发展的新趋势。现在很多国内外企业都利用GPRS数据传输网络进行现场数据的监测。在工业现场利用各种传感器进行信号采集或对设备已存在的数据或模拟信号进行分析，GPRS MODEM可通过标准接口与各种数据采集仪表相连，在正常工作模式下GPRS传输模块将仪器仪表的数据通过移动通信分组网络传递给数据管理服务器，数据服务器可通过DDN专线、ADSL,ISDN连接等形式连接到企业内部网络上，在控制中心的服务器上建立一个中央数据库，对收到的数据进行整理贮存，产生相应的报表和指示。GPRS作为一个开放的业务平台，有着广泛的行业应用。目前，利用它的数据传输特性，已经有几种行业应用。(1)发散数据的采集。适用十于采集点分散，而数据需要远距离传送并集中处理的行业，如电力、水利、石油、燃气、交通、环保等行业，仅以电力行业为例，传统的电力抄表都是人工抄表，电能表分布广泛，势必会付出大量的人工成本，而且效率低下，准确度不高，而利用GPRS功能在电能表内嵌GPRS模块，可根据指令将采集到的数据信息通过分组技术，经过短信中心完成存储和转发功能，管理中心收集到数据后进行统计和计算，实现了远程数据采集的自动化，降低了企业成本，提高了可靠性和实时性。(2)智能公交管理。目前的公交管理自动化程度较低，主要依靠调度中心按照时刻表进行调度，而市民等站不能掌握车辆到站的具体时间，很不方便。在采用智能调度系统后，以GPS和GPRS相结合的移动终端，实时的向调度中心汇报自己的位置，根据调度中心对整体运营车辆收集的数据进行处理和安排，再由调度中心发布到动态电子站牌上，使得市民对车辆运行位置和到站时间了如指掌，方便了市民的出行，同时公交系统也提高了工作效率，减少了能源消耗，改善了服务。(3)实时信息查询。GPRS应用在税务、公安、交通等部门，便于在巡查过程中及时的进行信息的查询与核对，进行现场办公，缩短了处理时间，提高了工作效率。(4)车辆安全。在车辆上安装GPS+GPRS模块，使得管理中心实时的掌握车辆的位置信息，为汽车的救援服务和防盗抢案件的侦破提供了有效的手段。(5)银行交易。传统的银行POS机是通过有线方式与银行联网，速度慢且不方便，而具备GPRS功能的无线POS机，摆脱了线路的束缚，具有体积小巧、携带方便、速度快等优点，特别适合于现场办公和上门收费的各种服务。(6)家居智能化。当GPRS应用走入家庭的时候，用手机或电脑实现家电和安保系统的远程控制已不再是梦想，GPRS使家居生活智能化成为现实。随着电网的管理也逐步向自动化、综合化、集中化、智能化方向发展，图像监控系统也逐步走进电力行业，作为电网管理手段的进一步补充和完善。根据文献资料调查，将GPRS技术应用十电力系统在国内基本处于研制阶段，且大部分研究都应用于电力设备状态的监控，未见大范围推广应用及产品出售。特别对于电力设备的防盗及自然灾害的监控的研究还很少。本项目研究提出应用GPRS网络覆盖面广、实时永远在线的突出优点实现各移动巡检终端与远程巡检中心的实时巡检信息交互，其特色是技术先进、经济、实用。二、研究、推广应用内容和预期成果（说明项目的具体研究、推广内容、技术关键和重点解决的技术问题，预计达到的技术经济指标，预期成果和提供的形式及其依托工程，应用该成果的单位落实情况和可能应用的其它工程或单位及效益。）本项目具体研究内容如下：1.数据采集终端的硬件设计。搭建ARM嵌入式系统开发平台，包括电路板的设计调试，操作系统的移植。在平台上实现图像、环境温度、湿度信号、风速信号的采集。根据在平台上的调试结果完成数据采集终端的最终硬件设计，设计遵循高可靠性、低功耗、小型化的原则。2.数据采集终端的软件设计。包括底层驱动程序的设计和上层应用程序的设计，实现数据的采集、分析、压缩、传输功能。终端软件的编写采用ADS编译器。3.数据采集终端数据分析算法和图像压缩算法的设计。设计合适的算法进行图像的识别、数据融合，以提高判别的准确性。图像的传输是间歇性的，但由于每幅图像数据量较大，为缩短传输时间，传输之前必须压缩，必须设计适合嵌入式系统的图像压缩算法。4.监控中心软件设计。以微软的Visual Studio.NET为开发平台设计上层软件，实现数据的接收、存储、查询、远程控制功能。5.系统的可靠性设计。电力系统的运行必须具有较高的安全性和可靠性，研究硬件设计中的电磁兼容、静电防护问题，以及软件的可靠性设计方法，同时设计出系统的可靠性测试方法。本项目要重点解决的技术问题主要有：1.风速信号的采集。采集终端安装之后必须具有隐蔽性，风速测量装置不能太大，设计小型风速测量装置。2.利用图像识别技术和数据融合技术，对采集到的图像信息和其他环境参数进行处理，准确判断天气状况及变化趋势。3.可靠性测试方法的研究。对所设计的系统，如何判断是否满足电力环境的可靠性要求。4.监测点的选取原则。监测点怎样分布才能满足经济性和监测全面性、科学性的的要求。预期成果：该项目的预期成果可分为基本功能的实现和探索性研究两部分。该系统的基本功能包括如下几点：（1）数据分析 即对采集到的数据通过融合进行判断是否存在发生灾情的可能。该功能不是用户直接所接触到的功能，但在保证报警信号正确性中发挥着核心作用。（2）自然灾害报警 采集气象参数判断是否有自然灾害发生，自然灾害发生之前，一般会在气象参数变化中体现出一定的征兆，有助于我们在灾害发生之前的较长时间内做出预报和预防准备，该功能对监控对象所处环境的各种参数进行分析，当发现威胁时及时向监控中心发送报警信号，并将所采集的判断依据提交给监控中心。（3）远程控制 监控中心可以对数据采集端的采集方式以及报警判别算法进行控制，使其按特定要求采集、传输数据。（4）数据存储 监控中心的服务器具有保存历史记录的功能，对过去所采集到的各项数据进行保存以备日后查询、分析。除完成上述基本功能外，本项目还要对前沿技术进行研究，以探索更先进的监控方式和其中的技术难题，计划发表至少2篇高水平论文。经济效益：1.该项目可降低盗窃事故的发生率、并减轻自然灾害的危害性。大大降低因自然灾害或其他原因带来的经济损失、以及电力系统的修复成本。2.该项目可以大大减少巡视人员的工作量，节约人力资源成本。三、拟采取的研究方法和技术路线电力线路实时监控系统总体上可分为两部分：数据采集终端和监控中心。监控中心接入internet，数据采集终端通过GPRS以无线方式连入internet。系统结构图如图1所示。数据采集终端分布于各个需要监测的线路段。数据采集端通过GPRS模块以无线方式将采集到的数据发送到监控中心的服务器。监控中心工作人员可通过当地浏览器对数据采集终端进行远程控制。GPRS和internet网络及其之间的连接由电信运营商提供。该项目所设计的内容就是数据采集终端和监控中心。图1 系统总体结构示意图1.研究方法（1）由上而下与由下而上相结合由上而下（Top down Approach）是一种正统的设计方式，所有的设计遵循系统工程的流程进行，确定需求、制定系统规格、设计、实现、测试，按照步骤有序进行。相对应的由下而上（Bottom up Approach）是指一个系统由已经有点基础（或组建）为起点，开始往上延伸，最后将系统完成。本项目的设计将两种方法相结合，由上而下设计的同时考虑现实因素，如某元件是否能买到，充分利用现实存在的有利条件，避免不利因素的限制。（2）UML系统建模UML（Unified Modeling Language），统一建模语言，是一种用来描述对象导向程序语言开发的图形化语言，具有描述事物的多重性，所以也可以在嵌入式设计领域中应用。UML包含以下几种图形：类图、对象图、用例图、顺序图、协作图、状态图、活动图、组建图、部署图。UML设计的初始目的在于描述软件系统，尤其是对象导向项目的设计与规划。但UML本身包含了许多前人的智慧，具有变形性和应用性，可以用于不同的领域。在本项目的数据采集终端和监控中心软件设计中均采用UML进行建模。（3）面向对象的思想随着系统需求的日益增加，系统功能和复杂程度不断增强，为使系统的开发变得容易，需逐步改进对系统的思考方式以及系统开发方式，面向对象的开发就是在这种情况下产生的。对象是客观世界中具有独立属性及能力的实体，有着某种特征（状态）和行为，在面向对象的开发包括面向对象的分析（Object-Oriented Analysis）、面向对象的设计（Object-Oriented Design）、面向对象的编程（Object-Oriented Programming）。面向对象的分析是所有软件分析活动的第一步，仔细划分系统各部分，然后将系统各部分作为一个对象进行功能或行为上的分析或定义。面向对象的设计是将面向对象分析所建立的分析模型转变为软件构造蓝图的设计模型，即在预定义的基本类框架上构建一个系统，在该过程中只要进一步确定各个对象的功能以及各个对象之间的关系。面向对象的编程是指使用面向对象的设计语言把面向对象设计的系统模型程序化，亦即完成具体实现。在本项目中，监控中心软件开发采用面向对象的程序设计语言C#，开发平台为Visual S。2.技术路线本项目中的监控中心软件设计独立性较强，可以单独设计。而数据采集端软件设计和硬件结构联系较为紧密，必须和硬件设计同时进行。但数据采集终端和监控中心软件的开发共同遵循如下步骤：（1）需求分析系统需求是系统设计和实现的目标。系统需求包括系统功能要求、系统性能指标和系统限制。系统功能具体有以下一些方面:系统应用于哪个领域和应用环境，实现哪些功能，向外提供哪些接口等;系统性能指标包括:系统的事务处理能力，系统可靠性的要求度，系统响应的时限要求等;系统限制是指对于系统体积、功耗、工作温度范围等方面的特殊要求。系统需求开始可能是一个模糊的概念，随着认识的深入才会逐渐明确。（2）系统设计系统设计阶段的任务包括制定项目的进度计划，制定系统方案，确定软硬件方案，为项目的系统实现阶段做准备，见表1。在实际的实施过程中，硬件方案和软件方案的制定是协同进行的。表1 系统设计阶段任务计划步骤目标任务结束标准步骤1分析系统需求，制定项目进度计划合理的可以实现的系统需求规格表、项目进度计划图步骤2制定系统方案数据流图、系统框图步骤3确定硬件方案硬件功能块图步骤4确定软件方案软件结构图、软件流程图（3）系统实现系统设计阶段完成后产出了一系列的图，包括硬件的功能块图，软件模块图，程序流程图。接下来系统实现阶段的任务就是将上述这些图进一步具体化，变成硬件连接图和软件代码。在实际实施时，软硬件实现是同时进行的，而熟悉和理解资料手册贯穿在整个系统实现和调试的过程中的。（4）系统测试该过程实际上包括系统的调试和测试两个阶段。系统调试就是验证设计是否正确地实现所预期的功能。在本系统开发过程中，设计、调试和测试是紧密相连的。对于设计出来的硬件和软件代码都需要进行检查、测试，如果有错就需要进行调试，修改设计排除错误再次进行测试，直到测试通过。各个功能模块之间的联系较多，并存在很多的不确定性，要想准确地找到问题所在，需要相当的背景知识与经验。系统测试的目的在于及时发现系统的问题，验证系统设计符合系统规格。在系统开发过程中，先建立许多小模块，然后逐渐组合成大的子系统，接着组成系统。与设计过程对应的是单元测试，集成测试和系统测试。在不同的阶段，用相应的测试来检测每个阶段的工作是否被正确地执行，是否有潜在的问题，找到这些问题，加以修改和完善。四、工作总体安排和年度进度序号时间段内 容12009.3-2009.4合同签订、技术细节讨论。22009.4-2009.11项目实施。32009.12项目验收、投入正式运行。五、实现本项目预期目标已具备的条