嵌入型计算机视角下电力设施紫外内窥系体系之研究

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1、 嵌入型计算机视角下电力设施紫外内窥系 体系之研究 1 绪论1.1 课题研究的意义20 世纪 90 年代以来，在电力系统中应用以及发展新的状态监 测和设备检修技术已成为电力部门最重要的任务之一。这种需要主 要是由两方面的原因促成的：首先，电气设备是组成电力系统的基 本元件，是保证供电可靠性的基础。无论是大型关键设备如发电机、 变压器，还是小型设备如电力电容器、绝缘子等，一旦发生失效， 必将引起局部甚至全部地区的停电，这将会造成巨大的经济损失。 而有些电气设备本身也比较昂贵。其次，人工智能技术、信号处理 技术、传感器技术以及计算机技术的发展使得对电气设备实施有效 的状态监测成为可能。由于状态监测

2、和设备检修系统在经济性、可 靠性和智能化方面的进一步提高，状态监测和设备检修技术将在电 力系统中获得广泛的应用。然而，状态监测现在根本就不够完善仍 需要发展，目前的研究开发工作主要集中在：监测系统的自动化、 可靠性和灵敏性方面，并且希望系统的成本不会太高。现在的络时代，Internet 已经成为人们生活中的重要组成部分， 由于嵌入式计算机系统强大的处理能力和络通信能力，嵌入式计算 机系统已经深入到了人们生活的方方面面，把嵌入式计算机应用到 电力设备紫外监测中具有非常现实而可行的意义。本课题研究的主 要意义有如下几点： 通过对本课题的研究，从紫外内窥系统的整体设计入手，掌 握了紫外检测的核心技术

3、；在硬件方面，掌握了嵌入式计算机的硬 件设计过程的核心技术，完成了紫外内窥探头的研制；在软件方面， 实现了 bootloader 程序的编写，对 Linux 操作系统进行了移植与定 制，对 jffs2 文件系统进行了移植与定制，并完成了嵌入式图形界 面 Qtopia 的移植，掌握了嵌入式计算机软件系统平台构建的核心 技术。在此基础之上完成了紫外内窥系统的软件设计。 本课题是日盲区紫外检测技术、图像采集技 术、嵌入式计算机技术和 GPRS 通信技术相结合的一个课题，是一 个极富有挑战性的课题且具有相当大的难度和很大的工作量。通过 对本课题的完成，掌握了许多领域的核心技术，在为基于嵌入式计 算机系

4、统的紫外内窥检测系统的研发做出技术上的突破和贡献的同 时，也为电力行业相关领域做出了巨大的贡献，所以本课题研究的意义不仅仅在它本身，而是远大于它本身。 为了更好地监测电力设备的状态，本文针对电力设备放电特 性和电子内窥镜的优点，将日盲区紫外检测技术、 图像采集技术、嵌入式计算机技术和 GPRS 通信技术相结合，研制 出了一种新型的电力设备放电监测系统，即基于嵌入式计算机平台 的电力设备紫外内窥系统。它能够很好地防止放电所引起的意外事 故的发生。1.2 课题的研究背景1.2.1 嵌入式计算机系统的发展现状与趋势到目前为止嵌入式计算机系统已经带来了巨大的工业产值12， 而且嵌入式计算机系统已经深入

5、到人们生活中的各个方面，比如说 数字机顶盒、银行自动取款机和智能手机等等。随着社会的发展， 人民生活水平的提高，对生活质量的要求也就越来越高，不仅要求 各种设备功能越来越多，而且要求使用起来更加方便和更便于携带， 而这一发展趋势正是嵌入式计算机系统所满足的。与此同时，对各 种监控设备的要求也是随之提高的，不仅要求能够对设备进行监控， 而且要求低功耗、低成本等功能。因此，嵌入式计算机系统在目前 发展的情况之下，将会有很广阔的应用前景3。2 紫外内窥系统的整体设计2.1 系统的功能需求概述本文立足于自主研发针对电力设备状态监测的紫外内窥系统，利 用先进的嵌入式计算机技术、图像采集技术和光电检测技术

6、，实现 电力设备的图像采集和紫外脉冲的检测。这些基本功能能够解决电 力设备状态监测中所存在的一些问题，同时也可为后期的内窥图像 智能化分析系统的开发奠定了良好的技术基础。本系统的功能需求 主要表现在以下几个方面： 选择合适的嵌入式计算机平台代替普 通的 PC 机，实现图像数据的采集和紫外脉冲的检测； 选择合 适的嵌入式操作系统和嵌入式图形界面，方便系统软件开发； 针 对高压电力设备的放电特性，选择合适的图像采集和光电检测方式； 选择合适的紫外传感器和图像采集设备，尽量减少紫外内窥探头 体积，方便检测； 选择合理的数据传输方式，可靠、安全地实现预警信号的远程传输。2.2 紫外内窥系统的整体框图工

7、作原理：本系统主要是由紫外内窥系统硬件和软件两部分构成。 在硬件部分主要包括嵌入式计算机主板、紫外内窥探头和无线 GPRS 模块；在软件部分主要包括嵌入式计算机软件平台的构建、 基于 Qtopia 的紫外内窥系统的软件设计和基于 GPRS 络的软件设计。 当电力设备内部发生局部放电时，紫外传感器将会检测到局部放电 产生的紫外光，紫外信号经过控制电路进入单片机，嵌入式计算机 系统读取单片机传来的串口数据，通过紫外内窥系统的软件计算出 在某个时间段之内的紫外脉冲数并在 LCD 上显示出来。同时，摄像 头的 LED 灯，为 USB 摄像头进行视频图像采集提供光源，工作人 员可以清楚地看到电力设备内部

8、的放电点，准确的确定故障点的位 置。当在某个时间段之内检测到的紫外脉冲数大于预先设定的值时， 嵌入式计算机就会通过无线 GPRS 模块发送预警信号到手机，从而 工作人员再结合 LCD 上显示的视频图像数据对此电力设备进行相应 的处理。2.3 嵌入式计算机系统针对电气设备放电的特殊要求，决定了只能采用嵌入式计算机系 统。只有嵌入计算机式系统才能够满足紫外内窥系统的极低功耗、 轻便性、高移动性以及某些场合的隐蔽性要求。嵌入式系统是后 PC 时代的一个发展趋势。简单地说，嵌入式系统是以应用为目的、以 PC 技术为基础、软件硬件可裁剪，对系统的可靠性、功能、成本、 功耗、体积严格要求的专用计算机系统。

9、大体上看，与通用型计算 机相比嵌入式计算机系统主要具有以下特点13：专用性强、实时 性高、系统内核小和具有特定的开发工具和开发环境。总体看来， 嵌入式系统具有便利灵活、性能价格比高、嵌入性强等特点，可以 嵌入到现有任何信息家电和工业控制系统中。从软件角度来看，嵌 入式系统具有不可修改性、系统所需配置要求较低、系统专业性和 实时性较强等特点。3 紫外内窥系统的硬件系统设计 .21-313.1 嵌入式计算机系统硬件平台的构建.21-233.2 紫外内窥探头的设计与实现. 23-283.3 GPRS 通信模块. 28-293.4 本章小结.29-314 基于 Linux 的嵌入式软件开发设计.31-

10、464.1 嵌入式 Linux 系统软件设计过程.31-334.2 虚拟机上 Linux 系统的建立. 33-344.2.1 虚拟机概述. 334.2.2 虚拟 Linux 系统的配置.33-344.3 交叉编译环境的建立. 344.4 嵌入式 Qt 的研究与应用.34-414.4.1 选择 Qt 的原因.35-364.4.2 Qt 的几个重要类.36-384.4.3 Qt 的信号与槽机制的介绍. 38-394.4.4 Qt 中文语言的实现.39-414.5 基于 Qt/Embedded 的嵌入式开发平台. 41-454.6 本章小结.45-465 紫外内窥系统的软件系统设. 46-645.1

11、 嵌入式计算机系统软件平台的构建. 46-565.2 基于 Qtopia 的紫外内窥系统的软件设计.56-615.3 基于 GPRS 络的软件设计. 61-635.4 本章小结. 63-64结论为验证本系统对电晕放电检测的可靠性与检测系统的灵敏度以及 判断大型电力设备内部是否存在局部放电和放电位置的性能，进行 了如下实验： 选择普通家用天然气电子打火枪作为局部放电设备； 电子打火枪在距离检测探头 5 米或者稍远处放电； 电晕放电 点与探头之间增加阻挡紫外信号辐射的障碍物； 利用其它工业现 场的光源进行干扰测试。实验结果：当局部放电点的紫外辐射信号 被障碍物阻挡时，将不能检测到局部放电现象。当局部放电点与检 测探头之间没有障碍物时，该检测探头可以准确探测 5 米远处局部 放电(电子打火枪放电)时所辐射的微弱紫外信号，并输出低电平脉 冲信号触发 CPU 中断，从而使嵌入式计算机通过 GPRS 模块发送 预警信号。在测试过程中，传感器对常见的白炽灯，日光灯光源没 有任何反应，但是对紫外信号的检测比较准确。调整电子打火枪与 探头之间的距离进行检测，当距离越远时，检测到的紫外信号就越 微弱，紫外脉冲数也就越少。