论文题目：变电站SF<sub>6</sub>表计智能直读设备的研究与开发
摘要：六氟化硫（SF6）作为变电站广泛使用的高压设备绝缘灭弧气体,其运行压力、温度以及密度等参数关系到变电站的正常运转与人员设备的安全,国家规定SF6断路器必须装设SF6气体密度表。随着近年来智能电网建设的逐步推广,各种仪表的远程监控已成为智能变电站中不可或缺的组成部分。目前大部分变电站使用的传统机械式SF6密度表,其测量的气体压力数据无法被远程监控,已经不能满足变电站自动化管理的需要。为了解决传统机械式SF6密度表在智能变电站中难以应用的问题,本文提出了一种基于机器视觉的变电站SF6密度表直读设备,能够在无人参与的情况下自动读取SF6密度表示数并上传。本文从课题的技术背景、硬件设计、算法设计、软件设计以及功能测试五个方面进行研究与阐述。本文的主要工作内容如下:（1）本文在对电站SF6密度表直读设备研究的基础上,以此设备为核心,结合LoRa无线通信技术设计了一套变电站SF6密度表读数的远程采集系统。（2）本系统的硬件主要分为直读终端和集中器两个部分。直读终端即本文提出的SF6密度表直读设备,其硬件电路以MCU为核心,外围拓展了图像采集电路、LoRa无线通信电路和RTC定时电路等功能模块;采用锂电池进行供电的同时,对电路做了低功耗处理,以达到1年以上的待机时长;除此之外还利用了太阳能对其进行电源管理以进一步提高续航能力。集中器是整个系统数据的中转站,除了MCU控制单元之外,还设计了LoRa电路与直读终端进行数据交互;与上位机的通信通过以太网PHY电路进行;另外还设计了掉电检测电路,以便检测其供电状态并及时反馈,提高其工作的稳定性。（3）本文的SF6密度表直读设备采用机器视觉技术实现对SF6密度表示数的读取。首先结合了模板匹配等传统图像算法,利用像素点在空间分布上的特点,采用虚拟指针法确定了指针所在的角度;之后根据像素点变化梯度的规律,找到起始刻度线所在的角度,最后再计算出SF6密度表的读数。本文设计的读数算法能够做到自动判别起始刻度的位置,解决了目前SF6密度表读数大多需要手动标定起始刻度的问题,同时也解决了传统机械式SF6密度表数据无法读取传输的问题。（4）本系统的直读终端与集中器之间采用LoRa无线扩频通信技术进行数据的交互,解决了有线传输布线困难存在安全隐患,以及NB-Io T数据经由运营商产生的数据安全问题。系统软件以功能为框架,设计了LoRa的通信逻辑与数据链路层的通信协议帧,另外还设计了上位机的交互界面,用于远程监控SF6的气体密度以及各设备的状态信息。（5）在完成直读设备与集中器的所有软硬件设计之后,对直读终端的电源性能、设备功耗、LoRa的通信质量、集中器掉电检测电路的可行性以及上位机界面的显示效果进行了测试,并根据测试结果对各部分进行了评估。测试结果表明,各部分的功能与性能都达到了预期的要求,因此该系统可以应用于变电站SF6密度表的远程监控,对于变电站自动化管理方面的应用具有重要的参考价值。
关键词：SF6气体密度表;机器视觉;LoRa;远程抄表
学科专业：工程硕士（控制工程）（专业学位）
摘要
Abstract
第1章 引言
1.1 课题研究背景与意义
1.2 国内外研究现状
1.2.1 远传式SF_6密度表的研究现状
1.2.2 SF_6密度表读数识别的研究现状
1.2.3 SF_6数据远程传输方式的研究现状
1.3 本文的主要内容及章节安排
第2章 系统总体设计与相关理论基础
2.1 系统总体设计
2.2 LoRa无线传输技术
2.2.1 LoRa概述
2.2.2 LoRa的扩频调制技术
2.2.3 LoRa数据包
2.2.4 CAD模式与空中唤醒
2.2.5 空中传输时间
2.3 模板匹配
2.3.1 模板匹配的概念
2.3.2 模板匹配的分类
2.3.3 NCC算法
2.4 本章小结
第3章 系统硬件设计
3.1 直读终端硬件电路设计
3.1.1 终端硬件整体设计
3.1.2 终端微控制器系统单元设计
3.1.3 锂电池供电电路设计
3.1.4 终端电源管理电路设计
3.1.5 图像采集电路设计
3.1.6 LoRa无线通信电路设计
3.1.7 终端定时唤醒电路设计
3.1.8 电池电量检测电路设计
3.1.9 片外存储扩展电路设计
3.2 集中器硬件电路设计
3.2.1 集中器硬件整体设计
3.2.2 集中器微控制器系统单元设计
3.2.3 集中器供电电路设计
3.2.4 掉电检测与切换电路设计
3.2.5 以太网PHY电路设计
3.3 直读终端结构设计
3.4 本章小结
第4章 SF_6密度表指针读数算法设计
4.1 算法概述
4.2 表盘图像预处理
4.2.1 表盘图像采集
4.2.2 模板匹配提取表盘
4.2.3 表盘图像二值化
4.3 指针读数算法
4.3.1 指针角度的读取
4.3.2 起始刻度线角度的读取
4.3.3 指针读数的计算
4.4 指针读数算法实验分析
4.5 本章小结
第5章 LoRa自组网与系统软件设计
5.1 LoRa自组网设计
5.1.1 网络拓扑选择
5.1.2 系统通信方式
5.1.3 信道复用方式
5.1.4 通信协议帧设计
5.1.5 LoRa模块参数配置
5.2 系统功能软件的设计
5.2.1 直读终端功能软件设计
5.2.2 集中器功能软件设计
5.3 上位机QT界面设计
5.4 本章小结
第6章 系统测试与结果分析
6.1 直读设备测试
6.1.1 锂电池供电电路测试
6.1.2 锂电池充电管理电路测试
6.1.3 直读设备功耗测试
6.1.4 LoRa通信质量测试
6.2 集中器掉电检测电路测试
6.3 上位机QT界面效果展示
6.4 本章小结
第7章 结论
7.1 工作总结
7.2 后续展望
参考文献
致谢