基于Modbus RTU 通信協議的水廠電力設備智能監控系統

吳 笛

（合肥供水集團有限公司工程管理部，安徽 合肥 230011）

0 引 言

水廠電力設備的監控在近年來得到迅速發展，成為一個新的研究領域，并受到了很多人的矚目。電力設備的覆蓋十分廣泛，需要進行全面監控，才能增強水廠的經濟效益與社會效益[1,2]。為實現以上目的，對水廠電力設備監控系統進行深入研究。

文獻[3]提出發電系統三站合一智能監控系統，實現風儲發電設備的智能監控，并搭建了仿真測試平臺，對智能監控系統的功能與拓撲結構進行了測試，發現系統是有效且可行的。文獻[4]提出電網設備狀態在線監控系統，分別對系統的主要功能、軟硬件結構配置與總體框架結構進行了設計，并展示了系統的應用效果，證明了系統的作用。以上監控系統在通信方面存在易丟失、通信誤碼率高等問題，因此設計一種基于Modbus RTU 通信協議的水廠電力設備智能監控系統。

1 水廠電力設備智能監控系統設計

1.1 Modbus RTU 的從站模塊設計

基于Modbus RTU 通信協議設計從站模塊，實現系統與水廠主站的通信。該總線從站由主控單元、脈沖轉接單元、電源單元、信號收發單元構成。其中，主控單元由現場可編程門陣列（Field Programmable Gate Array，FPGA）芯片、485 芯片與外圍數據存儲芯片構成[5]。在FPGA 芯片內部利用超高速集成電路硬件描述語言（Very-High-Speed Integrated Circuit Hardware Description Language，VHDL）實 現Modbus RTU 通信協議棧，該協議棧主要通過應用接口與DPARM 實現數據交互[6]。選用的外圍數據存儲芯片型號為EPCS4，通過該芯片實現數據存儲。

脈沖轉接單元選用4 路差動線路驅動芯片作為驅動器，將方向數字信號與脈沖數字信號轉化為一對差分信號，抑制共模干擾，并增加信號的傳輸距離[7]。

在信號收發單元中，選用ADS7841 模數轉換芯片作為模數轉換器，實現AD 采樣的目的。通過高速串行外圍設備接口（Serial Peripheral Interface，SPI）實現數據傳輸，使用OPA2171 作為運放芯片，通過DAC7554 芯片實現數模轉換[8]。并通過信號發送器和信號接收器完成信號的收發。

1.2 紅外熱成像模塊設計

在紅外熱成像模塊中，通過紅外熱成像儀、PC機、以太網供電（Power Over Ethernet，POE）交換機、云臺實現水廠電力設備的紅外熱成像監控。設計一種智能紅外熱成像儀，由紅外熱成像攝像頭、紅外熱成像機芯、復合同步視頻廣播信號（Composite Video Broadcast Signal，CVBS）轉通用串行總線（Universal Serial Bus，USB）模組與高級微處理器（Advanced RISC Machine，ARM）構成[9]。選用的紅外熱成像攝像頭型號為TC388，利用5 V 直流電源實現該陣列的供電，其輸出的圖像數據格式為BT656/CVBS。

設計紅外熱成像機芯，由7 個部分構成，分別為探測器、信號調理電路、視頻編碼單元、數據處理單元、溫度控制單元、供電電源以及顯示器。其中，探測器選用氧化釩非制冷紅外焦平面探測器，數據處理單元通過數據處理芯片實現數據驅動增強功能，選用的芯片型號為XQ4036XL-3HQ240N。在信號調理電路中，通過模數轉換器與運算放大器將探測器的模擬信號輸出轉換為16位數字信號。在視頻編碼單元中，利用數字視頻編碼器對16 位數字信號進行轉換，使其成為帕爾制（Phase Alteration Line，PAL）視頻信號。最后將信號接到支持PAL 格式的顯示器上，實現觀察紅外圖像的目的。在溫度控制單元中，通過溫度控制裝置（Thermo-Electric Cooler，TEC）調節紅外焦平面探測器的溫度，結合環境溫度和焦平面溫度實現探測器的溫度調節[10]。供電電源為12 V 直流電源，利用TEC 控制電路板實現電源的輸入。

云臺選用ABK-820 變速預位置數字云臺，是一種高精度萬向云臺。POE 交換機選用以太網全千兆POE 交換機，具體型號為TL-SG1005P。PC 機選用一臺配置Windows 系統的臺式計算機。

1.3 圖像處理模塊設計

在圖像處理模塊中，為實現更加全面的監測，通過圖像拼接擴大監測視角。因此，設計紅外圖像拼接算法，首先設計基于Canny 算子的紅外圖像邊緣檢測算法，具體如下。

（1）通過高斯濾波器平滑處理紅外圖像，消除噪點。

（2）查找紅外圖像的強度梯度，利用點乘Sobel算子獲取x軸方向與y軸方向對應的梯度值，具體為

式中：rx(x,y)為x軸方向對應的梯度值；g(x,y)為紅外圖像；Sx(x,y)為x軸方向的點乘Sobel 算子；ry(x,y)為y軸方向對應的梯度值；Sy(x,y)為y軸方向的點乘Sobel 算子。

計算紅外圖像的梯度方向及其梯度值，其中梯度方向?的計算公式為

梯度值R(x,y)的計算公式為

（3）通過梯度幅度下限或閾值，消除、抑制邊緣檢測中的雜散響應。

（4）將?、R(x,y)作為雙重閾值實現潛在邊緣的確定。

（5）利用滯后實施邊緣的跟蹤，實現其他較弱邊緣的抑制，以確定紅外圖像的最終邊緣。

為實現前景的提取，設計基于OTSU 算法的紅外圖像閾值分割方法，步驟如下。

（1）將紅外圖像分為M個灰度級別，用K表示其總像素點個數，其中灰度級為j，像素點即為Kj，相關公式為

（2）Kj的概率可以表示為

（3）用l表示閾值，將紅外圖像的像素點直接分成2 個集合，分別為背景類Db與目標類Do。其中，Db的像素灰度級在l+1 ～M-1 的范圍內，Do的像素灰度級在0 ～l的范圍內。則Do與Db的概率可以定義為

式中：?o為Do的概率；?b為Db的概率。并利用Gj定義Do與Db的灰度均值，分別用ρo和ρb來表示。

（4）計算?o、?b的方差與ρo、ρb的方差，并計算2 個方差的類間方差，當類間方差達到最大時，其對應的l即為最佳閾值，利用最佳閾值實現紅外圖像分割。

通過多線程的方式實施圖像處理模塊的編碼，將各種算法放在不同線程中。

2 應用分析

2.1 系統安裝與成像測試

利用本文設計的系統監控某水廠的電力設備，觀察該系統的實際應用情況。首先在該水廠布設該系統，并安排工作人員對系統的紅外成像顯示情況進行測試。其中紅外熱成像儀的安裝情況與紅外成像顯示測試情況如圖1 和圖2 所示。

圖1 紅外熱成像儀的安裝情況

圖2 紅外成像顯示測試情況

完成系統安裝后，分別測試系統與水廠主站的通信性能及系統應用性能，即電力設備故障檢測性能測試。在性能測試中，為獲取更具說服力的測試效果，將發電系統三站合一智能監控系統與電網設備狀態在線監控系統為對比系統，共同進行通信與應用測試，并分別用系統①、系統②來表示。

2.2 通信性能測試

在通信性能的測試中，分別對2 種系統的丟失數據幀、通信誤碼率進行測試。首先利用2 種測試系統向主站傳輸不同的電力設備數據，每種數據分別傳輸5 GB，觀察參與系統的平均丟失數據幀數，測試結果如表1 所示。

表1 丟失數據幀數

根據表1 的測試結果，發現設計系統在數據傳輸中整體丟幀更少，而系統①、系統②在數據傳輸中的丟幀更加嚴重，說明設計系統的數據傳輸更加完整。接著測試設計系統與系統①、系統②在通信數據傳輸中的通信誤碼率，分別在不同數據傳輸量下進行測試，測試結果如圖3 所示。

圖3 通信誤碼率測試結果

觀察圖3 可知，在不同數據傳輸量下，設計系統的通信誤碼率較低，整體低于1%，而系統①、系統②的通信誤碼率均高于設計系統，說明設計系統的通信性能更好。

2.3 電力設備故障檢測性能測試

隨后測試設計系統與系統①、系統②電力設備故障檢測性能，也就是分別使用3 種系統對實驗水廠電力設備進行智能監控，觀察系統是否能夠捕捉到高熱故障處。分別測試3 種系統的高熱故障處捕捉量，測試結果如圖4 所示。

圖4 高熱故障處捕捉量測試結果

圖4 的測試結果表明，對于耦合電容器、變壓器、輸電線路、穿墻套管、避雷器這5 種電力設備，設計系統的高熱故障處捕捉量均高于系統①、系統②，說明設計系統的監控性能更好，對于高溫更加敏感，可以有效捕捉高熱故障。同時在5 種電力設備中，輸電線路的高熱故障處捕捉量最高，說明輸電線路是故障高發區。

3 結 論

在水廠電力設備監控與管理問題的研究中，基于Modbus RTU 通信協議設計了一種水廠電力設備智能監控系統，在實現更好通信性能的同時，也實現了更加完善的監控性能。這套系統不僅能夠應用于水廠中，也可以推廣應用到變電站等相似場景。