繼電保護裝置人機界面實時傳輸與遠(yuǎn)程控制

尹 軍，董 貝，韓春江，侯 倩

0 引言

目前，大部分繼電保護裝置均設(shè)有人機界面HMI (Human Machine Interface)。HMI 已成為裝置與用戶信息交換的重要媒介。面對電力系統(tǒng)日新月異的要求，傳統(tǒng)的HMI 操作方式已經(jīng)不能完全滿足電力系統(tǒng)的需求:首先，某些特殊裝置受規(guī)格大小以及安裝區(qū)域的限制，無法安裝液晶屏等實現(xiàn)HMI 功能的硬件設(shè)備;其次，傳統(tǒng)的(工作方式、IP、對時等)設(shè)置的裝置各項內(nèi)容是通過裝置界面現(xiàn)場操作，或通過二次設(shè)備廠家所開發(fā)特定的工具來實現(xiàn)，這樣就造成裝置必須具備觸摸屏等顯示操作設(shè)備，或者運營人員必須掌握廠家提供的各種工具;第三，對于現(xiàn)有繼電保護裝置，無法遠(yuǎn)程實時再現(xiàn)HMI 界面并進(jìn)行控制。這些都使得實現(xiàn)HMI 界面的實時傳輸與遠(yuǎn)程控制成為迫在眉睫的問題。

本文摒棄了傳統(tǒng)HMI 的操作方式，提出了一種新的思路:利用圖像處理與傳輸技術(shù)實現(xiàn)裝置HMI 的實時再現(xiàn)與遠(yuǎn)程控制，不僅解決了傳統(tǒng)HMI 存在的問題，實現(xiàn)了PC 端圖像與裝置界面的同步，而且本文所設(shè)計的方案不受裝置程序升級或配置文件改變的影響，在當(dāng)今各地對裝置要求迥異的情況下具有很強的實用性。

本文針對繼電保護裝置HMI 的實時傳輸與遠(yuǎn)程控制，提出了基于點陣圖與矢量圖兩類圖像的解決方案。針對點陣圖提出了行程壓縮編碼(RLE)等3 種圖像壓縮方法。經(jīng)過仿真結(jié)果的比較后，在實際工程中采用了RLE 方法和LZW 方法。通過以太網(wǎng)實現(xiàn)了裝置界面圖像的快速傳輸和對遠(yuǎn)方操作命令的快速響應(yīng)。對于某些液晶屏較小，并且不會產(chǎn)生重疊圖像的裝置，則采用基于矢量圖的屏幕圖像傳輸方案。本文最后通過應(yīng)用結(jié)果的對比，分析了上述各種方案的適用性與優(yōu)缺點。

1 繼電保護裝置人機界面屏幕圖像傳輸方案

1.1 HMI 系統(tǒng)簡介

本文主要研究兩類繼電保護裝置人機界面系統(tǒng)。第一類HMI 利用Vxworks 平臺下的Zinc 圖形界面開發(fā)工具進(jìn)行開發(fā)，LCD 控制器選用EPSON公司的1354 顯示控制器，顯示器采用320 ×240彩色液晶屏顯示器實現(xiàn)多窗口界面顯示，輸入設(shè)備使用觸摸屏［2］，人機界面在需要輸入數(shù)值或字符時將自動打開軟鍵盤，根據(jù)輸入類型將自動選用相適應(yīng)的軟鍵盤，使用菜單彈出對話框方式選擇各種功能;第二類，選擇UGL 實現(xiàn)界面系統(tǒng)，采用192 ×64 黑白液晶屏，用單窗口顯示界面，輸入設(shè)備使用按鍵。這兩種情況的研究結(jié)論，可以容易地擴展到絕大部分的繼電保護裝置。

1.2 方案設(shè)計

HMI 模件與遠(yuǎn)程監(jiān)控機通過網(wǎng)口實現(xiàn)點對點通信，采用典型的C/S 結(jié)構(gòu)?？蛻舳?遠(yuǎn)程監(jiān)控機)主要負(fù)責(zé)向服務(wù)器端(繼電保護裝置HMI 模件)發(fā)出獲取屏幕圖像的請求，再將從服務(wù)器端得到的圖像在本地實時顯示，進(jìn)而向服務(wù)器端發(fā)送控制命令;服務(wù)器端負(fù)責(zé)接受客戶端的請求、采集和發(fā)送屏幕圖像，以及響應(yīng)客戶端的控制命令。

遠(yuǎn)程監(jiān)控屏幕圖像的主要步驟包括圖像采集、壓縮、傳輸、解碼、顯示等。當(dāng)采集到的圖像為矢量圖時，由于數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊，冗余度低，可直接傳輸。當(dāng)圖像為點陣圖時，采集到的原始圖像數(shù)據(jù)量龐大，若直接用網(wǎng)絡(luò)傳輸，將會占用大量的網(wǎng)絡(luò)帶寬。為了提高網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男?，降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)載，需要對原始圖像進(jìn)行壓縮處理。整個過程組成框圖如圖1 所示。

圖1 屏幕圖像傳輸與控制總體方案

圖像壓縮有經(jīng)典方法與現(xiàn)代方法兩大類［3］。經(jīng)典壓縮技術(shù)以信息論和數(shù)字信號處理技術(shù)為基礎(chǔ)，是一種旨在去除圖像數(shù)據(jù)中的線性相關(guān)性的編碼技術(shù)，以行程長度編碼(RLE)、LZW 編碼、霍夫曼編碼、預(yù)測及內(nèi)插編碼、矢量量化編碼等為代表。現(xiàn)代壓縮技術(shù)是指不局限于香農(nóng)信息論的框架，充分利用人的視覺生理心理特性和圖像信源的各種特性，能獲得高壓縮比的一類編碼技術(shù)，以模型法、分形法、小波變換壓縮方法最具代表性。本文在分析各種圖像壓縮方法的原理與優(yōu)缺點后，分別對行程長度編碼、LZW 編碼和小波變換3 種方法進(jìn)行了仿真分析，并將前兩種應(yīng)用到實際的工程中。

2 圖像壓縮算法的仿真與分析

2.1 行程長度編碼(RLE)

行程長度編碼(run-length encoding)是壓縮算法中既簡單又高效的方法之一［3］。它把一系列的重復(fù)值用一個單獨的值再加上一個計數(shù)值來表示，實現(xiàn)起來很容易，對于具有長重復(fù)值的數(shù)據(jù)串的壓縮編碼很有效。例如大面積的連續(xù)陰影或者顏色相同的圖像，使用這種方法壓縮效果很好。利用MATLAB 工具，編寫RLE 算法，對繼電保護HMI 圖像進(jìn)行仿真壓縮，該圖像為320 ×240 的256 色的偽彩色圖像，bmp 格式。仿真結(jié)果如圖2所示，壓縮性能如表1 所示。使用RLE 壓縮方法，壓縮比可達(dá)到10.5∶1，大大減小了圖像數(shù)據(jù)量，并且壓縮時間也較短，可以滿足日常圖像壓縮的要求。

圖2 基于RLE 壓縮方法的效果圖

表1 基于RLE 壓縮方法的壓縮性能

2.2 LZW 編碼

LZW 編碼原理是:將每一個字節(jié)的值都要與下一個字節(jié)的值配成一個字符對，并為每個字符對設(shè)定一個代碼。當(dāng)同樣的一個字符再度出現(xiàn)時，就用代號代替這一字符對，然后再以這個代號與下個字符配對。LZW 編碼的一個重要特征是，代碼不僅僅能取代一串同值的數(shù)據(jù)，也能代替一串不同值的數(shù)據(jù)。通過MATLAB 仿真，結(jié)果如圖3所示，壓縮性能如表2 所示。

圖3 基于LZW 壓縮方法的效果圖

表2 基于LZW 壓縮方法的壓縮性能

使用LZW 壓縮方法，壓縮比約為10．18∶1，壓縮后圖像信息不再是一個字符，而是一個字符對，這也是圖像BYTES 是圖像SIZE 兩倍的原因。相比RLE 方法，LZW 方法的壓縮時間長很多，因此對于實時性要求較高的場合不太適用。

2.3 小波變換(WT)

小波變換(Wavelet Transformation)方法把圖像分解成逼近圖像和細(xì)節(jié)圖像之和，它們分別代表圖像的不同結(jié)構(gòu)，然后采用快速算法(Mallat)進(jìn)行壓縮，可以獲得很高的壓縮比［4］。小波變換應(yīng)用于圖像壓縮時，本質(zhì)上是對原始圖像的小波系數(shù)進(jìn)行重組處理，然后用處理后的小波系數(shù)恢復(fù)圖像。利用MATLAB 小波變換工具，對繼電保護HMI 某圖像壓縮進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖4 所示，壓縮性能如表3 所示。使用WT 壓縮方法，二次壓縮的壓縮比可高達(dá)16∶1，但是恢復(fù)后的圖像效果不佳，這是因為在壓縮過程中高頻信息都已被丟棄。本文所壓縮的圖像分辨率較低，僅依據(jù)低頻信息無法完全復(fù)現(xiàn)圖像。

檢測機構(gòu)所有工作人員都必須接受定期培訓(xùn)。無論是技術(shù)人員還是管理人員檢測機構(gòu)都要明確規(guī)定勝任這份工作的人的資質(zhì)，只有實踐經(jīng)歷與專業(yè)水平符合要求才能不斷晉升。除了保證工作人員專業(yè)技能達(dá)標(biāo)還要保證從業(yè)人員職業(yè)素養(yǎng)合格，檢測機構(gòu)要加強工作人員的思想道德教育，檢測機構(gòu)需要定期考察工作人員的專業(yè)技能和職業(yè)素養(yǎng)。確保上崗的員工專業(yè)過硬素質(zhì)夠高。

圖4 基于WT 壓縮方法的效果圖

表3 基于WT 壓縮方法的壓縮性能

2.4 仿真結(jié)果分析

RLE 是一種無損壓縮方法，壓縮比高，壓縮時間短，編程簡單，易于實現(xiàn)，但對于分辨率較大的圖，壓縮時間較長;LZW 方法也是無損壓縮，壓縮比與RLE 方法接近，但是壓縮時間過長;WT 方法是一種有損壓縮方法，理論上壓縮比可以任意高，并且壓縮速度快，但對于分辨率較低的圖像，恢復(fù)后較為模糊?？偨Y(jié)上述方法，結(jié)合電力系統(tǒng)繼電保護裝置HMI 液晶較小，畫面簡潔，分辨率不高的特點，在具體的工程實現(xiàn)中采用RLE 方法和LZW 方法進(jìn)行圖像壓縮。

3 屏幕圖像傳輸與控制方案的具體實現(xiàn)

繼電保護裝置以Power PC 8247，32M RAM 為例。Client 采用i3 內(nèi)核，2G 內(nèi)存筆記本電腦，采用有線網(wǎng)絡(luò)通訊。

在Server 端創(chuàng)建了2 個線程，其中一個線程用來實現(xiàn)圖像傳輸，一個線程用來實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制命令的執(zhí)行。在Client 端創(chuàng)建2 個線程，其中一個用來實現(xiàn)圖像接收，一個用來實現(xiàn)發(fā)送遠(yuǎn)程控制命令。接收線程接受Server 發(fā)送來的圖像數(shù)據(jù)，并存儲到接收緩沖區(qū)，解壓后存儲到顯示緩沖區(qū)，并按照設(shè)定的時間，在設(shè)定的標(biāo)志滿足要求后，從顯示緩沖區(qū)讀取圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示。

3.1 圖像傳輸

3.1.1 圖像采集

本文HMI 模件中的液晶顯示控制器選用EP-SON 公司的SED1354。它包含CPU 接口部分、內(nèi)部控制部分和LCD 驅(qū)動部分［5］，如圖5 所示。其中控制部分是SED1354 的核心，本文的圖像采集也正是通過控制部分的顯示存儲器接口來實現(xiàn)的。

圖5 液晶顯示控制器原理

對于此類HMI，在繼電保護裝置側(cè)，把要顯示的圖像內(nèi)容由CPU 寫入顯示存儲器，遠(yuǎn)程客戶端若要獲得屏幕圖像，也只需發(fā)送命令給HMI，讀取顯示存儲器中的內(nèi)容即可，它與顯示到液晶屏上的圖像是一致的，從而實現(xiàn)了圖像采集的功能。

對于第二類HMI，由于要采集的是矢量圖信息，而顯存中的是點陣圖數(shù)據(jù)，因此不能直接從顯存中讀取數(shù)據(jù)。本文在使用UGL 實現(xiàn)界面顯示的同時，也將矢量圖信息發(fā)送到遠(yuǎn)程客戶端，雙方具有約定的圖形格式和字庫。當(dāng)裝置側(cè)更新圖像時，立即將點陣信息發(fā)送到顯存，同時將矢量信息發(fā)送到客戶端，雖然此時顯存中的內(nèi)容與采集到的內(nèi)容已完全不一樣，但最終顯示的圖像是一樣的，從而實現(xiàn)了圖像采集。

3.1.2 圖像壓縮

當(dāng)采集到的圖像為點陣圖時，需要對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，以減小帶寬占用率，提高傳輸速率。本文在實際過程中分別試驗了RLE 和LZW 兩種圖像壓縮方法。當(dāng)采集到的圖像為矢量圖時，數(shù)據(jù)量已經(jīng)較小，不再進(jìn)行任何壓縮。

3.1.3 圖像傳輸

對于繼電保護裝置HMI 屏幕圖像傳輸和控制，采用基于TCP/IP 的圖像傳輸方式。對于第一類HMI，每隔500 ms 由裝置向客戶端主動上送一次圖像數(shù)據(jù)，同時為防止數(shù)據(jù)丟失，遠(yuǎn)程客戶端每隔1 s 向裝置服務(wù)器端索取圖像數(shù)據(jù)，客戶端的圖像接收線程一旦接收到數(shù)據(jù)，并斷定為圖像數(shù)據(jù)，則進(jìn)行存儲和解壓縮。對于第二類HMI，則不會定期向客戶端傳送數(shù)據(jù)，只有當(dāng)裝置側(cè)圖像改變時，才會在繪制界面新圖像的同時將矢量信息傳送給遠(yuǎn)程客戶端進(jìn)行更新顯示。

3.1.4 圖像解壓縮

圖像解壓縮是圖像壓縮的逆過程，即將獲得的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，重現(xiàn)圖像。對于第一類的HMI，解壓縮方式與壓縮方式相對應(yīng)即可，對于第二類的HMI，將矢量圖在遠(yuǎn)程重繪即可以完成圖像的恢復(fù)和顯示。

3.2 遠(yuǎn)程屏幕圖像控制

除了能夠在遠(yuǎn)程機上觀察到繼電保護裝置HMI 的界面，還必須通過遠(yuǎn)程界面操作裝置，讓裝置實時響應(yīng)，執(zhí)行相應(yīng)操作。對于第一類HMI，輸入設(shè)備為觸摸屏，在遠(yuǎn)程機上通過獲得鼠標(biāo)點擊的位置，轉(zhuǎn)換為裝置上觸摸屏的觸摸坐標(biāo)來實現(xiàn)命令的捕獲，裝置根據(jù)鼠標(biāo)位置執(zhí)行相應(yīng)的操作;對于第二類HMI，輸入設(shè)備為按鍵，本文采用在客戶端設(shè)置相應(yīng)的上、下、左、右、加、減、返回、確認(rèn)等按鈕，模擬按鍵操作，來實現(xiàn)控制。

4 繼電保護裝置HMI 屏幕圖像傳輸控制的結(jié)果與分析

對于第一類HMI，傳輸圖像為320 ×240 的256 色索引圖像。在遠(yuǎn)程客戶端得到了裝置HMI界面的實時圖像。圖6 為連上裝置后，HMI 上所顯示的“遙信量監(jiān)控”界面的正常尺寸。圖7 為利用遠(yuǎn)程客戶端鼠標(biāo)點擊模擬觸摸屏觸摸操作效果的放大圖。

圖6 客戶端獲得的屏幕圖像

圖7 客戶端發(fā)送控制命令并獲得裝置端響應(yīng)的效果圖

本文針對未經(jīng)壓縮的圖像，通過RLE 壓縮后的圖像和通過LZW 壓縮后的圖像3 種情況分別進(jìn)行了試驗，并都實現(xiàn)了期望的效果，各方法性能比較見表4。

表4 各種壓縮方法性能比較

實驗結(jié)果表明，未壓縮的圖像直接傳輸時，速率較慢，占用帶寬較大;經(jīng)過LZW 壓縮后的圖像雖然數(shù)據(jù)壓縮比也較高，但是壓縮時間較長;經(jīng)過RLE 方法壓縮后的圖像，數(shù)據(jù)量小，傳輸速率較快，保證了圖像傳輸?shù)倪B貫性。實踐證明，3種方法中，RLE 方法是最理想的一種壓縮方法。

對于第二類HMI，傳輸圖像為192 ×64 的矢量圖。在遠(yuǎn)程客戶端得到的圖像如圖8。

圖8 矢量圖傳輸結(jié)果

點陣圖與矢量圖的比較如表5 所示。矢量圖的數(shù)據(jù)量比點陣圖小很多，僅為點陣圖的2.21%。若是將點陣圖轉(zhuǎn)化為矢量圖，相當(dāng)于壓縮比為45∶1，這凸顯了矢量圖在純字符圖形傳輸中的優(yōu)越性。

表5 點陣圖與矢量圖比較

上述實踐證明，點陣圖與矢量圖均可作為繼電保護裝置與遠(yuǎn)程客戶端之間傳輸?shù)膱D像。點陣圖逐行逐列記錄圖像信息，易于理解和實現(xiàn)，雖然本身數(shù)據(jù)量較大，但經(jīng)過壓縮后，也不會妨礙傳輸速度，對于圖像形式也沒有限制。因此，基于壓縮點陣圖的圖像傳輸適用性廣，并且可以周期性地向裝置發(fā)送傳輸圖像的命令，更新圖像的頻率可以在裝置效率允許的情況下由客戶端自由決定，客戶端的應(yīng)用程序不受裝置程序升級的影響。矢量圖的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)緊湊，冗余度低，因此數(shù)據(jù)傳輸量小，對于純字符圖像的傳輸優(yōu)勢更高，但當(dāng)存在圖像重疊時則很難處理，這也成為矢量圖應(yīng)用于HMI 屏幕圖像傳輸?shù)南拗?并且基于矢量圖的圖像傳輸，只有當(dāng)裝置界面圖像發(fā)生變化時才會在繪制界面新圖像的同時將矢量信息傳送給遠(yuǎn)程客戶端進(jìn)行更新顯示，客戶端不可自由決定圖像更新的頻率;此外，當(dāng)裝置中的字庫或圖庫發(fā)生變化時，客戶端的應(yīng)用程序必須同步更新才能正確實現(xiàn)圖像傳輸顯示的功能。

5 結(jié)論

本文提出的繼電保護裝置人機界面實時傳輸與遠(yuǎn)程控制方案，解決了裝置在無液晶屏或液晶屏損壞的情況下無法正常監(jiān)控的問題，也彌補了以往無法對裝置界面實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的不足，同時更加便于工程人員利用PC 機調(diào)試和操作裝置;設(shè)計的基于壓縮點陣圖和矢量圖的兩套圖像傳輸策略，以及基于觸摸屏和按鍵的兩套控制方案，滿足了大部分繼保裝置實現(xiàn)人機界面?zhèn)鬏敽涂刂频囊?。該方案已在部分繼電保護裝置上應(yīng)用，并取得了良好的效果。外界干擾對圖像傳輸與遠(yuǎn)程控制的影響將是本文下一步的研究方向。

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