（检测技术与自动化装置专业论文）远程电力监控系统的数据与图像传输研究.pdf

摘要 摘要 随着自动化技术、通信技术以及多媒体技术的发展，电力监控系统有了长足 的发展，面对日新月异的要求，传统的遥测、遥信、遥调和遥控“四遥”功能已 经不能完全满足监控系统的需求了，因此在此基础上引入图像监控，进一步完善 电力远程监控系统。图像监控，通过图像所包含的信息更好地了解所监控现场， 对电力监控系统而言其监控对象大都是静态的，所以系统实现静态的图像传输基 本可满足需求。图像也是一种数据，将原本的模拟量转换为数字量使之成为可压 缩的数据再加以压缩，以图像文件的方式在信道上传输，实现图像监控。对整个 监控系统而言，通信是其最关键的一部分，它分为数据通信与图像通信两部分。 本文以实验室进行的电力配电项目为背景，首先对无线数据通信的实现进行 分析，并比较了两种通信组网方案：基于无线数传电台方案和基于g p r s 无线传 输方案。然后对图像通信中的关键技术进行分析研究，并对几种图像的通信方式 进行比较。由于图像文件数据量很大，不能通过串口一次性传输，所以要对其数 据进行分包，以便在串口中传输，实现和其它数据量采用同一信道进行传输。通 过视频采集卡和摄像头监控图像，并将所采集的图像发送到监控中心，实现远程 监控系统。系统的实现平台是v i s u a lc + + ，从试验的角度，采用视频采集卡、摄 像头和p c 机结合的系统。 本文第一章简要介绍了电力监控系统的发展和通信技术；第二章介绍了基于 不同通信方式的远程监控系统；第三章对远程数据通信的实现进行分析；第四章 对图像通信中的关键技术进行介绍；第五章主要是通过实验实现图像的传输；最 后一章是对全文内容的总结以及一些展望。 关键字：监控系统；数据通信；图像通信 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t e dt e c h n o l o g y , t h ec o m m u n i c a t i o n a sw e l l a s t h em u l t i m e d i at e c h n o l o g y ，t h ee l e c t r i cp o w e rs u p e r v i s o r ys y s t e mh a dt h e c o n s i d e r a b l ed e v e l o p m e n t f a c e dw i t ht h ee v e r - c h a n g i n gd e m a n d s ，t h et r a d i t i o n a l ”f o u rr e m o t e ”f u n c t i o na l r e a d yc a n n o tc o m p l e t e l ys a t i s f yt h es u p e r v i s o r ys y s t e m 7 s d e m a n d s t h e r e f o r ei n t r o d u c e s t h ei m a g em o n i t o r i n gt oc o n s u m m a t et h ee l e c t r i c p o w e rl o n g d i s t a n c es u p e r v i s o r ys y s t e m t h ei m a g em o n i t o r i n g , t h r o u g h t h e i n f o r m a t i o nc o n t a i n e di nt h ei m a g e sw ec a nk n o wm o r ea b o u tt h em o n i t o r i n gs c e n e t h em o n i t o r i n go b j e c t so ft h ee l e c t r i cp o w e rs u p e r v i s o r ys y s t e mm o s t l ya r es t a t i c s t a t e s oi ft h es y s t e ma c h i e v e st h ei m a g et r a n s m i s s i o n si tc a nb a s i cm e e t t h ed e m a n d s t h ei m a g ea l s oi sak i n do fd a t a ，t h ea n a l o gs i g n a l si sc o n v e r t e dt od i g i t a ls i g n a l s ，s o t h ed a t ac a nb ec o m p r e s s e d t h e ni tw i l lb et r a n s m i t t e db yt h ei m a g ed o c u m e n t sw a y o nt h ec h a n n e l ，r e a l i z e st h ei m a g em o n i t o r i n g t ot h ee n t i r es u p e r v i s o r ys y s t e m ，t h e c o m m u n i c a t i o ni st h em o s tc r u c i a lp a r t i td i v i d e si n t od a t ac o m m u n i c a t i o n sa n d i m a g ec o m m u n i c a t i o n s t h ep a p e rb a s e so nt h ee l e c t r i c i t yd i s t r i b u t i o np r o j e c tw h i c hc a r r i e do nt h e l a b o r a t o r y f i r s t m a k e sa n a l y s i st ot h er e a l i z a t i o no fw i r e l e s sd a t ac o m m u n i c a t i o n s a n dh a sc o m p a r e dt w ok i n d so fc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k s ：t h ep r o j e c tb a s e do n w i r e l e s sd i g i t a lr a d i oa n dt h ep r o j e c tb a s e do ng p r sw i r e l e s st r a n s m i s s i o n t h e n c o n d u c t st h ea n a l y t i c a ls t u d yt ov i s u a lc o m m u n i c a t i o n sk e yt e c h n o l o g i e s ，a n dc a r r i e s o nt h ec o m p a r i s o nt os e v e r a lm o d e so fi m a g ec o m m u n i c a t i o n b e c a u s et h ed a t ao ft h e i m a g ed o c u m e n ti sv e r yh u g e s oi t i sn e c e s s a r yt om a k et h es u b - d a t ai no r d e rt o t r a n s m i ti nt h ec o m i tr e a l i z e st h ei m a g ef i l e sa n do t h e rd a t au s i n gt h ei d e n t i c a l c h a n n e lt oc a r r yo nt h et r a n s m i s s i o n u s i n gt h ev i d e of r e q u e n c yg a t h e r i n gc a r da n d c a m e r am o n i t o r i n gt h es c e n e ，a n ds e n d i n gt h ei m a g et ot h em o n i t o r i n gc e n t e r , s ot h a t i tr e a l i z e st h el o n g - d i s t a n c es u p e r v i s o r ys y s t e m t h ep l a t f o r mo ft h es y s t e mi s v i s u a lc + + f r o mt h ee x p e r i m e n t a la n g l e ，u s e sv i d e of r e q u e n c yg a t h e r i n gc a r d ， c a m e r aa n dp ct om a k eu pas y s t e m t h ef i r s tc h a p t e rb r i e f l yi n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n to ft h e e l e c t r i cp o w e r s u p e r v i s o r ys y s t e ma n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y ；t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e d t h e r e m o t es u p e r v i s o r ys y s t e mb a s i n go nt h ed i f f e r e n tm e a n so fc o m m u n i c a t i o n ；t h et h i r d c h a p t e ra n a l y z e dt h er e a l i z a t i o no fl o n g - d i s t a n c ed a t ac o m m u n i c a t i o n s ；c h a p t e ri v i n t r o d u c e dt h ek e yt e c h n o l o g yi nt h ei m a g ec o m m u n i c a t i o n ；i nc h a p t e rv r e a l i z e dt h e i m a g ec o m m u n i c a t i o ni ne x p e r i m e n t ；t h el a s t c h a p t e ri s t h es u m m a r i z eo ft h e w h o l et e x ta n ds o m ep r o s p e c t s k e y w o r d s ：s u p e r v i s o r ys y s t e m ；d a t ac o m m u n i c a t i o n ；i m a g ec o r r e s p o n d e n c e 厦门大学学位论文原创性声明 兹呈交的学位论文，是本人在导师指导下独立完成的研究成果。 本人在论文写作中参考的其他个人或集体的研究成果，均在文中以明 确方式标明。本人依法享有和承担由此论文而产生的权利和责任。 声明人( 签名) ： 弓天三每薮 z 咖9 年c 矿月z 7 目 厦门大学学位论文著作权使用声明 本人完全了解厦门大学有关保留、使用学位论文的规定。厦门大 学有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的纸质版和电 子版，有权将学位论文用于非赢利目的的少量复制并允许论文进入学 校图书馆被查阅，有权将学位论文的内容编入有关数据库进行检索， 有权将学位论文的标题和摘要汇编出版。保密的学位论文在解密后适 用本规定。 本学位论文属于 1 、保密() ，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密( 扔 ( 请在以上相应括号内打“4 ) 作者签名：狄淘袋 导师签名： 日期：上珊年汀月节日 日期：弦谢锈嘲日 f 第一章绪论 第一章绪论 随着我国电网调度自动化、实用化工作的深入，以及电网调度管理需求的 提高，电网实时信息传送量快速增加，通过综合自动化控制模式实现变电站的无 人值守运行和远动控制是变电站管理的一种趋势，而建设无人值班变电站是电网 调度自动化深入发展的必然趋势。国家电力调度通讯中心要求现有的3 5 k v 、 1 1 0 k v 、2 2 0 k v 变电站在条件成熟时，逐步实现无人值班；而新建变电站应按无 人值班方式设计。目前“无人值班”也已成为考察电力企业达标创一流的一个重 要指标。各地电力部门在探索变电站无人值班的实践中，建立起了多种模式的集 控站系统，基本实现了“四遥( 遥测、遥信、遥调和遥控) 功能：已经实现了 将变电站的设备运行数据、状态转送到远方的调度中心，同时也能在调度中心对 现场设备进行控制及调节。这样使运行和维护人员的数量大大减少，运行水平得 到了显著提高，然而要实现现场完全无人化时人们就会觉察到这“四遥”是不足 以实现这一目的的，因为现场还有环境的监控问题，如防火、防水、防盗等，这 些都是不容忽视的问题。 随着计算机技术、多媒体技术以及通信技术的发展，已经很成熟的实现了图 像、声音的数字化以及对声像信号的深入处理和远距离传送。将这些技术引入电 力监控系统中，即除了遥测、遥信、遥控、遥调以外增加一项：遥视。在电力调 度中心、集控站建立图像监控中心，能够对各变电站的有关数据、环境参量、图 像进行监控和监视，以便能够实时、直接地了解和掌握各个变电站的情况，并及 时对发生的情况做出反应以适应行业发展需要，这已经提到了电力系统的发展议 事日程。这样实现监控中心和各变电站的通信成为一个重要的课题，如何实现两 者之间的数据与图像传输，对于变电站实现无人值守、提高电力系统的自动化具 有十分重要的意义和社会价值。 1 1 电力自动化系统的发展 从常规变电站到无人值班变电站的过渡是生产发展的需要，世界科学技术的 迅速发展使得这种需要成为可能。从2 0 世纪6 0 年代开始，世界自动化控制技术 远程电力髓控系统的数据j 图像传输 的发展经历了三个阶段： ( 1 ) 从2 0 世纪5 0 年代到6 0 年代中期是以古典控制理论为基础以模拟控制 为主的第一阶段。调节回路输入信号与设定值比较后经p i d 调节、放大后去控制 受控对象，同时发出反馈信号注入输入网络进行校正，实现闭环控制。电力系统 中的a v r ( 电压自动调整) 和调相设备盼调节多数采用这科，反馈模拟调节系统。 ( 2 ) 从2 0 世纪6 0 年代中期到8 0 年代初期，控制技术进入到现代控制理论 为基础的第二阶段，这个阶段的特点是电子计算机技术、通信技术和控制技术有 了迅速发展，在调度自动化方面，同本、美国等技术发达国家开始采用计算机进 行电网数据采集和监控，同时在变电站丌始采用远动( r t u ) 作为自动化的终端。 数控技术的发展使得控制的精确性、控制的速度和质量有了提高，但是多凹路集 中控制即使采用了冗余技术，可靠性仍得不到保证。 ( 3 ) 2 0 世纪8 0 年代以来控制技术进入了第三阶段一大系统智能控制阶段， 它的特点是面对庞大系统的控制，提出全系统最优指标，再采用任务分解的办法 由分散的小系统去优化完成分配给它的具体指标。这时期微机出现，以微机和小 型机为主组成的分布式控制系统运算速度快、可靠性高、价格合理，适应大系统 调节需要。在电网自动化方面，调度端的能量管理系统、配电管理系统功能已从 电网监控扩大到自动发电控制、经济调度控制、静态安全分析、暂态安全分析、 配电网的地图图象系统功能、需方用电管理以及调度员培训模拟等方面。变电站 的远动r t u 及其当地功能包括运行设备的数据采集、四遥、监控、电能计量、 保护、故障录波、测距、谐波分析、低频减载等功能。 这些新型的电力监控系统集中了分布于各处的数据采集，计算机、传输网络 形成的庞大自动化系统，与发电厂自动化系统配合一起完成电力系统复杂的、安 全的、经济的供发电任务。 我国电网自动化工作开始于2 0 世纪6 0 年代初期，1 9 5 9 年郑州电业局采用 r t u 了解变电站的运行参数、开关变位情况并实现调度对变电站的遥控。2 0 世纪 7 0 年代后期，国产远动装置问世，初期产品属半导体晶体管型的，元件质最不 过关，故障较多，调度端计算机系统故障更多，可用率低接收过来的信号多在 模拟屏上显示。2 0 世纪8 0 年代中期p c 机的出现以及p d p 、v a x 等控制性能良好 的计算机开发应用，调度端s c a d a 开始进入实用阶段。这时国内超高压电网已形 2 第一章绪论 成，配合5 0 万超高琏输电引进的一批自动化设备也已取得运行经验，国际上随 着计算机通信控制技术的发展，放宽了对中国高新技术出口的限制，以此为契机， 我国电力系统有了快速的发展，引进国外先进的s c a d a 和r t u 设备开发了先进软 件。我们的电力部门注意到调度s c a d a 和变电站r t u 同步发展，无人值守变电站 改造的进度加快，地调度s c a d a 实用化验收迅速而巩固，但是多数地方往往先集 中力量搞省地调s c a d a ，无暇顾及变电站自动化，以至基础不稳，给省地调自动 化验收造成很多困难，但2 0 世纪9 0 年代是电网自动化发展最快的时期：新建无 人值守变电站数量增加；计算机性能提高、开发应用成熟、价格下降；通信技术 的发展使得变电站自动化同益更新。这些促使无人值守变电站的发展势头犹如雨 后春笋。 表1 1 电网监控系统发展趋势 1 2 远程通信技术 通信技术是变电站实现无人值守的关键，由于数据通信在变电站自动化系统 的重要性，经济、可靠的数据通信成为系统的核心。现代社会是一个高速发展的 社会，现代远程通信也已经从原始的点火信号发展到了非常快的全球数据交换。 在远程通信领域中，专家们通常将其服务划分为三类：语音、视频和数据。“语 音远程通信 是指使用电信号跨长距离传输人类语音的任何方式，如电话和无线 电广播；“视频远程通信是指以电子方式在一定距离上传输移动的图片和声音， 3 远程i 乜力监控系统的数据j 图像传输 如电视广播或向网络计算机屏幕发送事件的现场情况；“数据远程通信”是指使 用电信号在计算机设备之间在一定距离上交换经过编码的信息。 1 2 1 有线通信技术 有线通信是指传输介质为架空明线、电缆、光缆等形式的通信t ( 1 ) r s - 2 3 2 4 2 2 4 8 5 等分布式串行控制系统，可以传输4 - - - 2 0m a 模拟量信 息或d c 2 4 v 开关量信息，其电气特性遵循负逻辑。这种总线形式结构简单，组网 容易，成本低廉，使用灵活，是最传统的总线控制方式。r s 一2 3 2 是一种低速率 串行通讯标准，传送距离最大约1 5 m ，最高速率为2 0k b s ，适用于对速度要求不 高的点对点本地设备之间的数据传输：r s - 4 2 2 由r s - 2 3 2 发展而来，将传输速率提 高n 1 0m b s ，允许在一条总线上连接最多1 0 个接收器，是一种单机发送、多机接 收的单向、平衡传输规范，弥补了r s - 2 3 2 的不足；r s - 4 8 5 标准在r s 一4 2 2 基础上增 加了多点、双向通信能力，即允许多个发送器连接到同一条总线上，同时增加了 发送器的驱动能力和冲突保护特性，传输速率最大为1 0m b s ，最大距离为1 2 0 0 m 。 在系统要求不是很高，控制系统不很复杂的情况下能够满足要求，但其主从、半 双工工作方式，难以实现各节点之间的数据交换。总体来讲，用r s 一2 3 2 4 8 5 总线 构成的网络，存在通信吞吐量较低、实时性较差、信息集成能力不强、安装大量 电缆增加成本等缺点，且可靠性、开放性差，缺乏互操作性和互换性。对于实时 性要求强、数据吞吐量大、多主机通信或控制系统复杂程度较高的系统，就需要 采用现场总线技术等其他方式。 ( 2 ) 现场总线( f i e l db u s ) 是一种工业数据总线，主要解决工业现场的智能 化仪器仪表、控制器、执行机构等现场设备间的数字通信，以及这些现场控制设 备和高级控制系统之间的信息传递问题。现场总线控制系统，使现场设备信号可 通过一根网络电缆来传输，不再需要现场设备间点到点的连接，显著减少电缆的 使用量，降低了成本，成为工业自动化控制系统的主流。但是由于不同的现场总 线标准协议不同，且存在着应用领域的局限性，因此选择哪一种通信方式应视实 际情况而定。目前国内使用较多的现场总线有： q c a n 总线：c a n 是控制器局域网( c o n t r o la r e an e t w o r k ) 的简称，它作为 一种串行通信总线，是连接智能现场设备和自动化系统的数字式、双向传输、多 4 第一章结论 分支结构的通信网络，在变电站自动化系统有广泛的应用。c a n 是建立在i s o o s i 模型基础上的，不过只选取了物理层、数据链路层和应用层三层。c a n 总线通信 速率高，通信距离远，直接通信距离最远可达l o k m ( 传输速率为5k b s ) ：最高通 信速率可达1 m b s ( 传输距离为4 0 m ) ，每帧数据信息为8 个字节，因而传输时间短， 受干扰的概率低。c a n 总线上节点数多达1 1 0 个，任意一个节点可在任意时刻主动 向网络上其他节点发送信息。信息有优先级别之分，采用非破坏性总线仲裁，当 总线上有两个节点同时向网络上输送信息时，优先级低的节点主动停止数据发 送，而优先级高的节点继续发送。 由于c a n 总线具有较强的纠错能力，支持差分 收发，因而适合高干扰环境，并具有较远的传输距离。在实际应用中，可以采用 同轴电缆、双绞线和光缆、微波等传输介质。 ( 萤p r o f i b u s 总线：p r o f i b u s 总线系列包括p r o f i b u s d p 、p r o f i b u s p m s 、 p r o f i b u s - p a 。分别适用于不同的应用领域，其中p r o f i b u s - p m s 意为现场信息规 范，可用于变电站自动化系统，它选取o s i 的物理层、数据链路层以及应用层， 传输速率为9 6 m b p s ，传输介质可以为双绞线、光缆等 ( 要) l o n w o r k s 总线：l o n w o r k s 总线也是获得较广泛应用的现场总线，其接口封 装了l o n t a l k 协议的神经元芯片_ n e u r o n ，集成芯片中含3 个8 位c p u ，分别用于 o s i 模型的7 层通信协议。通信速率为3 0 0 b p s - 1 5 m b p s 不等，支持双绞线、同轴 电缆、光纤、红外线等多种通信介质。设计上采用面向对象的设计方法，通过网 络变量把网络通信设计简化为参数设置。 基金会现场总线：在系统互连模型中取其物理层、数据链路层以及应用层， 构成现场总线通信模型的相应各层次，传输速率可达3 1 2 5 k b p s 1 9 0 0 m - - - 2 5 m b p s 5 0 0 m ，通信介质为双绞线、光缆等，主要技术内容包括通信协议、通信 栈、用于描述设备的d d l 设备描述语言等。目前支持它的有a b b 、西门子等公司。 基金会总线的数据传输方式有面向连接的数据传输方式和面向无连接的数据传 输方式两类。 ( 3 ) 电力线通信( p o w e rl i n ec o m m u n i c a t i o n ，简称p l c ) 是以电力线路为传 输通道，通过载波方式将模拟信号或数字信号进行高速传输的一种通信方式。在 电力系统中，常用载波通信技术有：低压载波、高压载波、超窄带载波、宽带电 力线载波、扩频技术等。电力线通信方式具有很多其他通信方式不可比拟的优势。 远程电力监控系统的数据j l 鳘i 像传输 我国拥有总长超过3 1 0 0 0 0 k m 的电力线资源，p l c s u 用直达用户的2 2 0 v 低压电力线 作为传输数据的载体，一线两用，是唯一不需要线路投资的有线通信方式。p l c 通过电源插座和电力调制解调器连接到电力网上，信息传输速度高达1 0m b s 以 上，最高可达4 5 m b s ，能够将整个温室设备联为一体，构筑起可自由交换信息的 局域网，为用户提供低价高速的网络接入服务。但由于电力线不是为信息传输而 设计的，在实现过程中也存在诸多弊端。如电力网络的阻抗及衰减特性，制约了 信号的传输距离，负载及无线电的噪声干扰制约了信号的传输质量，对信号传输 产生许多不利的影响。 1 2 2 无线通信技术 无线通信常见的形式有微波通信、短波通信、移动通信、卫星通信、散射通 信和激光通信等。摆脱物理连接的束缚，不通过电缆实现设备间的互联和信息的 传输，成为通信技术研究热点，无线通信技术由近距离、点对点传输的红外技术， 到短距离、点对多点个人局域网( 如蓝牙和z i g b e e ) ，到中距离无限局域网，到 长距离的便携式电话系统( g s m g p r s 和c d m a 等) ，不同种类的技术随着需求的 不同而不断发展完善。 微波通信： 由于微波的频率极高，波长又很短，共在空中的传播特性与光波相近，也就 是直线前进，遇到阻挡就被反射或被阻断，因此微波通信的主要方式是视距通信， 超过视距以后需要中继转发。一般说来，由于地球曲面的影响以及空间传输的损 耗，每隔5 0 公里左右，就需要设置中继站，将电波放大转发而延伸。这种通信 方式，也称为微波中继通信或称微波接力通信长距离微波通信干线可以经过几十 次中继而传至数千公里仍可保持很高的通信质量。 卫星通信： 卫星通信是地球上( 包括陆地、水面和低层大气中) 无线电通信站之| 、日j 利用人 造卫星作为中继站而进行的空| 、日j 微波通信，卫星通信是地面微波接力通信的继承 和发展。我们知道微波信号是直接传播的，因此，可以把卫星通信看作是微波中 继通信的一种特例，它只是把中继站放置在空间轨道上。卫星通信系统由卫星和 地球站两部分组成。卫星在空中起中继站的作用，即把地球站发上来的电磁波放 6 第一章绪论 大后再返送回地球上另一站。地球站则是卫星系统与地面公众网的接口，地面用 户通过地球站出入卫星系统形成链路。由于静止卫星在赤道上空约3 6 0 0 0 k m ， 它绕地球一周时间恰好与地球自转一周( 2 3 小时5 6 分4 秒) 一致，从地面看上 去如同静止不动一般。三颗相距1 2 0 度的卫星就能覆盖整个赤道圆周。故卫星通 信易于实现越洋和洲际通信。 移动通信： 所谓移动通信就是移动体之间的通信，或移动体与固定体之间的通信。移动 通信技术是以无线电波为通信用户提供实时信息传输的技术，以实现在保障覆盖 区或服务区内的顺畅的个体移动通信。目前应用最多的是以下几种技术： ( 1 ) g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ，全球移动通讯系统) 属 于第二代移动通信技术，采用时分多址( t d m a ) 技术，一个频道最多可有8 个移 动用户同时使用，频率的复用大大提高了频率的利用率并增大系统容量，但在电 路交换方式下，即使网络上没有数据传输，其他用户也不能使用空闲的信道，各 系统间没有公共接口，频谱利用率低，无法适应大容量的需求，安全保密性差， 易被窃听。g s m 向3 g 的过渡是大势所趋，但在目前条件下，技术上还不完全 成熟。由于g s m 网络不支持多址接入，按登录网络后的在线时间计费、运营成 本较高，所以当前对g s m 在温室中的应用主要为短消息( s m s ) 业务。 ( 2 ) g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是“通用分组无线服务的英文简称， g p r s 目前是作为现有g s m 网络系统( 2 g ) 向第三代移动通信( 3 g ) 演变的过渡技 术，属于2 5 g 移动通信技术，它在许多方面具有显著优势：覆盖面广、接入范围 大、运行成本较低、传输速率高、接入等待时间短、实时在线、收费合理等，非 常适用于间歇、突发、频繁、小流量的数据传输，同时对偶有大流量数据传输也 能承受，但依赖于通信网络覆盖的地域范围。 ( 3 ) c d m a ( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ，码分多址) 是基于码分多址技术 的数字移动电话系统。与时分多路的g s m 技术不同，c d m a 并不给每一个通话 者分配一个确定的频率，而是让每一个通信都使用全部的频率，使大量用户能够 共享同一个无线频率。c d m a 系统为每个用户分配各自特定的地址码，彼此之 间互相独立、互相不影响对频率、时间和空间没有特定的限制，利用公共信道来 传输信息。c d m a 的优点在于：系统容量大、建网成本低、网络覆盖范围广、系 7 远程电力监控系统的数据j 图像传输 统容量配置灵活、发射功耗小，无线辐射能量低，传输带宽大，传输速度快。其 缺点是依赖于通信网络覆盖的地域范围。 随着通信技术的发展，在电力监控系统的信息传输领域，数据通信已经是 多种多样了，从点对点、多点对点到局域网、广域网。通信系统也不再是使用单 一的一种技术，更多的是有线通信与无线通信相结合，短距离通信使用有线技术， 远距离使用无线通信，采用各种通信技术共同实现通信。 1 3 本文工作及研究内容 随着通信技术、控制技术以及计算机技术的发展，远程电力监控系统不断完 善，现行的变电站监控一般实现“四遥”：遥控，遥测，遥信，遥调，为了实现 真正的无人值守，引入图像监控技术，实现“遥视”功能。 本文主要工作： ( 1 ) 对电力自动化监控系统的发展进行研究阐述，并对通信技术及其发展进行 详细的研究分析，不同的通信技术应用于监控系统产生不同的远程电力监 控方案。 ( 2 ) 对数据通信进行研究并对电力监控系统中的数据通信方案进行论证，实现 远程数据传输。 ( 3 ) 对图像通信技术进行分析，图像的通信因其数据量十分巨大非常复杂和困 难，必须采用编码技术来压缩图像，采用专用的网络实现通信。在电力监 控系统中引入图像监控，探讨该系统中的图像传输的实现，建立实验平台， 实现图像传输。 8 第二章远程监控系统简介 2 1 远程控制体系 第二章远程监控系统简介 2 1 1 远程控制结构模型 传统控制系统试点对点连接的控制系统，如图2 1 所示。 图2 1 传统控制系统模型 其中，控制器和被控对象之间的连接采用专线。随着模块化、集散分布、综 合诊断及低成本等新需求的出现，这种方式已经不能适应发展的需要了。远程控 制系统是计算机技术、通信技术以及工业控制技术相结合的产物，它克服了上述 传统控制技术存在的缺点。远程控制系统的系统结构可以分为以下四个相对独立 的部分： 远程监控中心； 通信网络： 网络接口单元； 现场设备监测与控制系统。 这几部分分工协作，共同实现对设备的远程监控。工作站是远程监控终端， 工作人员执行的操作经过编码后以固定的数据格式通过通信网络传输到网络接 口单元，网络接口单元根据既定的协议对接收的命令进行解释，并执行指令所规 定的具体操作，控制现场设备进行相应的动作，同时将现场设备状态和操作信息 反馈到监控终端。 9 远程f 乜力航控系统的数据与图像传输 2 1 2 远程控制方式 从控制方式上，远程控制可以分为以下四种控制方式： ( 1 ) 保持型远程监控方式 远程监控中心向设备控制系统发出控制命令，子站设备自主地完成这个命 令，监控设备只对设备进行监视，在必要时进行干预。 ( 2 ) 完成型远程监控方式 远程监控系统仅仅向控制系统发出控制命令，子站设备的自主完成这个命 令，远程监控系统不对设备的具体实现过程进行监控，设备完成任务后向远程监 控系统报告。 ( 3 ) 完全型远程监控方式 设备的本地控制系统仅仅是设备的执行机构，全部的操作控制由远程监控系 统完成。控制系统和设备是分离的，而设备控制系统内信号的传递速度要求很高， 控制系统能够立刻对现场进行反应，要求通信线路高速可靠。这种控制方式用在 一些特殊的行业中。 ( 4 ) 人机交互型远程监控方式 设备在本地操作人员和监控系统的系统控制下工作，往往在远程监控系统的 指挥下工作，由本地操作人员对设备进行控制和维护。 2 2 远程监控系统功能分析 从上个世纪9 0 年代以来，随着科学技术的迅速发展，人们的生产行为、生 活方式都发生了重大的变化，作为生活、生产中非常重要的一项技术即监控技术 的重要性正在逐渐被人们所认识和重视。监控系统的演变，是一个从集中监控向 网络监控的发展历史。早期的监控系统，采用大型仪表集中对各个重要设备的状 态进行监视，并通过操作盘来进行集中式操作。而计算机监控系统是以监测控制 计算机为主体，加上检测装置、执行机构与被监测控制的对象( 生产过程) 共同构 成的整体。在该系统中，计算机实现了生产过程的检测、监督和控制功能。 如果生产过程分布较为集中，相距不远，通常可以采用就近监控的办法实现 近距离监控；可是有的生产过程分布的地域极广，相距遥远，如电力、铁路、采 1 0 第二章远程监控系统简介 矿以及石油等。如仍沿用就近监控的办法，则在技术上和经济上都是不可取的， 必须采用专门的技术来克服由于距离遥远所带来的困难，因此产生了远动技术。 所谓远动即远程监控，就是应用通信技术对远方的运动设备进行监控，以实现远 程测量、远程通信、远程控制和远程调节等各项功能。 远程监控系统有两种类型，一种是生产现场没有现场监控系统，而是将数据 采集后直接送到远程计算机进行处理，这种远程监控与一般的现场监控没有多大 的区别，只是数据传输距离比现场监控系统要远，其它部分则和现场监控系统相 同；另一种是现场监控与远程监控并存，一般是采用现场总线技术将分布于各个 设备的传感器、监控设备等连接起来，这样就从分立单元阶段进入了集成单元阶 段，然后各个管理站点的服务器再用局域网连接起来，这样就形成了企业内部网 ( i n t r a n e t ) 。由于建立了基本的网络信息基础结构，设备监测、维护技术进入了 集成系统阶段，在一个单位的内部基本上实现了资源和信息共享。 远程控制所实现的功能如下： 采集与处理功能：主要是对生产过程的各种模拟或数字量进行检测、采样和 必要的预处理，并且以一定的形式输出，如打印报表、显示屏和电视等，为生产 人员提供详实的数据，帮助他们进行分析，以便了解生产情况。 监督功能：将检测到的实时数据、还有生产人员在生产过程中发出的指令和 输入的数据进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并分别作为实时数据和历 史数据加以存储。 管理功能：利用己有的有效数据、图像、报表等对工况进行分析、故障诊断、 险情预测，并以声光电的形式对故障和突发事件报警。 控制功能：在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控 制输出，直接作用于生产过程。 要实现远程监控，最关键的是通信。传统的监控功能实现了对设备运行状 况监视和控制，其中是数据通信，时代的发展对监控提出更进一步的要求，实 现图像监控成为必然，如在电力监控系统中要实现变电站的无人值守。所以图 像数据的传输研究成为了研究的热点。 远程i 乜力监控系统的数据与图像传输 2 3 典型的远程监控系统 如何提高监控系统远程通信的可靠性、准确性和及时性，以及如何扩大通信 的距离，一直是远程测控系统设计和研究过程中必须考虑的一系列关键性的问 题。根据系统中信号远程传输方式的差异，分类列举出以下几种比较典型的远程 监控系统，并对每种系统的优缺点以及适用的场合进行了对比和分析。 ( 1 ) 应用专线的远程监控系统 对于监控距离较短、通信数据量大、通信频繁且实时性、可靠性和保密性要 求都很高的远程分布式监控系统，一般采用自行架设专线( 如电缆) 来作为数据 传输的通道。其系统组成框图如图2 2 所示。 图2 2 专线式远程监控系统框图 系统主站( 监控中心p c 机) 通过扩展的多个串行口及m o d e n ，与各地的 多个子站相连。子站( 或主站) 发送的数据通过串行口送给本地m o d e n 进行 调制之后，通过专线传输给远方m o d e n ，远方m o d e n 将收到的信号解调为数 1 2 第二章远程髓控系统简介 字信号，通过串行口送给主站( 或子站) 的p c 机，从而实现集中管理。这种网 络技术的关键是如何建立主站和各个子站之间的通信协议，以保证整个系统的实 时性和避免冲突的产生，可以采用“快速巡查”或“定点查询”的方法来解决这 一问题。采用专线的远程监控系统存在数据传输率低、传输质量差、传输距离较 近以及传输不可靠等缺点。这种远程监控系统在水利、电力、交通、工业等领域 的应用十分广泛，比如说铁路沿线行车信号灯的监控，水电站发电机组的监控， 都可以采用这种监控网络来实现。 ( 2 ) 利用公用电话网的远程监控系统 在通信不是很频繁、通信数据量较小、实时性和保密性要求不高的场合，可 以租用公用电话网，采用拨号方式建立临时连接的方式来实现远程监控。采用这 种监控系统可以降低系统的硬件成本、缩短建网周期，实现高速、高效的目的。 其系统组成框图如图2 3 所示。 图2 3 应用公用电话网的远程监控系统框图 该系统中的每个子站只需要定时采集被控对象的状态数据，并保存在自己的 数据库中；主站则只能在屏幕上面按状态数据库所保存的最新数据显示各监控对 象的状态。当需要检测远方监控对象的状态或对其执行操作时，主站从自己的数 据库中找到对应子站的电话号码，通过拨号方式向子站发出“握手信号”，相应 的子站接收到“握手信号 后执行摘机命令，从而建立起主站和子站之间的通信 渠道。由于这种监控系统的实时性和保密性都比较差，因此只用在一些了解远方 监控对象的运行状态和提前预防事故的场合。 ( 3 ) 采用光纤通道的远程监控系统 利用光缆传输测量与控制数据，可以充分发挥光缆传输的稳定性好、抗干扰 1 3 远程i 乜力监控系统的数据j 图像传输 能力强、传输容量大等优点。其系统组成框图如图2 4 所示。 图2 4 利用光纤通道的远程监控系统框图 在这种系统中，光纤收发器的主要作用是进行电光、光电转换，并可以直接 接收串行口的控制信号，有些光纤收发器还兼具有以太网接入功能。考虑到系统 的高稳定性和高可靠性，在设计过程中必须慎重选择串行接口和光纤收发器。这 种监控系统的投资较高，但由于其抗干扰和抗雷击能力强，并且通信质量优越， 因此在广播电视站以及通信站的发射机的远距离不间断监控中得到广泛应用。 ( 4 ) 基于i n t e m e t i n t r a n e t 的远程监控系统 监控系统以计算机为中心、以网络为核心的特征日益明显。使用 i n t e m e t i n t r a n e t 的远程监控系统，人们从任何地点，在任何时刻获取到测量信息 ( 或数据) 的愿望成为现实。基于i n t e m e t 的远程监控系统实现了数据共享，具 有信息传递快捷和交互性强等特点，推动着控制技术向着网络化、分布性和开放 性的方向发展，这种发展趋势使控制系统功能的扩展更加灵活，性能不断提高， 使用更加简便。 其系统组成框图如图2 5 所示。实现该系统必须解决许多关键性问题，比如 数据传输的可靠性、准确性和实时性：另外网络数据库的连接和更新不仅应是动 态的、实时的，而且要有高的编程效率和很好的兼容性；t c p i p 协议和现场总 线协议的兼容性，真正达到数据畅通无阻；同时网络的安全性也是一个不容忽视 的环节。基于i n t e m e t i n t r a n e t 的网络化监控系统适用于异地或者远程控制和数据 采集、故障监测、报警等等，其应用范围十分广泛。 1 4 第二章远程监控系统简介 图2 5 基于i n t e r n e t i n t r a n e t 的远程监控系统 ( 5 ) 基于无线通信的远程监控系统 对于工作点多、通信距离远、环境恶劣且实时性和可靠性要求比较高的场合， 可以利用无线电波来实现主控站与各个子站之间的数据通信，采用这种远程测控 方式有利于解决复杂连线，无需铺设电缆或光缆，降低了环境成本。其系统组成 框图如图2 6 所示。 主站 ( 监控 串无线通 中心 行讯调制 口 解调器 p c 机) 子站 系统 组成 爵 无线通串 现场数 射频h讯调制行 据采集 与控制 电路i解调器 口 子系统 图2 6 基于无线通信的远程监控系统框图 1 5 ，。一，。 远程电力j 临控系统的数据j 图像传输 这种远程监控系统的关键是要使射频模块的接收灵敏度和发射功率足够高 ( 可以采用专业无线电台来替代射频模块) ，以扩大站点间的距离，同时还需要 考虑无线电波波段的选择；无线通信调制解调器已经有许多比较成熟的产品，可 以根据实际需要来选择。基于无线通信的远程监控技术的应用领域十分广泛，比 如说智能小区的保安系统、油井远程监测系统等均可以采用这种技术来实现，还 有航空航天上使用的无线电跟踪测轨、遥测、遥控系统，是这种技术的典型应用。 每种监控系统都有其自身的优缺点，有其相应的应用场所。远程监控是监控 领域发展的主要方向。随着今后监控距离的不断扩大以及监控系统复杂度的不断 增加，单一的数据传输方式往往不能胜任；在一个远程监控系统中采取多种数据 传输方式相互配合使用，可以降低系统的实现难度，有利于整个系统的模块化处 理。远程监控系统的数据传输方式将朝复合式、多样性发展。 2 4 本章小结 本章介绍了远程控制体系，分析了远程控制方式，以及介绍了远程监控系统 的功能，并对几种基于不同通信方式的典型的远程电力监控系统进行分析、比较， 指出远程监控系统中的数据传输方式的发展趋势是各种