全数字化系统（共12篇）
全数字化系统 篇1
1 概述
随着我国教育事业的发展,学校的规模不断扩大,学生高密度集中,校区开放程度和后勤服务社会化程度越来越高。如何做好各校区安全保卫工作和处理突发性、群体性事件,减少校园暴力,对学校进行有效的安全防护成为百姓关注的重点。
近年来,学校在人防和物防方面不断加大投入,如增加校卫,由学生组织校卫队,加高围墙,在学生宿舍的窗户上安装钢筋护栏等。这些措施产生了一定的效果,但也存在一些弊端,如校卫队带来持续的支出,宿舍安装钢筋护栏不符合消防要求。因此应该在技术上,建立技术防范监控系统,在各校区的重点部位、人群集中聚集场所安装监控点,实行人防、技防、物防结合的防控体系,可以增强安全系数,减少日常投入,把治安案件控制在最低限度。
2 系统总体设计
2.1 系统分析
2.1.1 环境描述
大学校园主要是针对校园各教学楼出入口、综合楼出入口、学生宿舍出入口、校园的主干道、停车场、食堂、校园各广场、运动场等公共场所等区域进行24小时实时监控。
2.1.2 网络建设描述
在大学校区里已建成以光纤为主干的光纤网络,并分布到各教学楼、宿舍楼、办公楼等区域,形成高速信息公路。监控系统建设将依托校园光纤网络作为监控系统的主干网络。
2.1.3 新型方案——第三代全数字化网络监控系统
数字化网络监控系统是一种以LAN/WAN为现场总线构成的具有高质量的,动态图像实时监控功能的网络视频监控系统,它是大型的、分散的地理区域监控系统的最佳选择。它基于传统模拟监控系统(采用矩阵/画面分割器/长延时录像机等很多种设备构成的,记录和检索均为模拟信号的第一代监控系统)和数字硬盘录像监控系统(记录和检索的是数字信号,仅具有简单的点对点联网功能的第二代监控系统)后最新发展的第三代监控系统。网络监控系统运用最新的数字视频技术、现场总线技术、网络通信技术建立的一套软硬件相结合,崭新的,完整的安防系统,优化了内部结构,减少了不必要的环节,提高整体性能和反应速度,满足新技术不断发展的需要,并能向用户提供全面的增值服务。
1)网络监控系统的稳定性
网络监控系统不像前两代监控系统,生产厂家的规模相对较小,没有一个统一的国际标准,产品样式繁多,不具备大规模的监测和应用条件,产品稳定很难保证,而且一旦某个部件发生损坏,就需要整机进行更换,所以说网络监控系统的主体是计算机,它的国际化认证必须保证其坚固的稳定性和高的可靠性。
2)网络监控系统的强大组网功能
全数字化网络监控系统以网络为平台,采用全新的设计理念,集成当今最先进的网络技术,计算机技术以及数字处理技术。全数字化网络监控系统以IP地址来识别所有的监控设备,采用TCP/IP协议来进行图像、声音和数据处理,真正实现了远程综合监控系统。
(1)布线区域广
没有线缆长度和信号衰减的限制,因为网络是没有距离概念的,由于全数字网络化监控系统采用网络来传输,对远端的控制和数据传输,彻底的抛弃了地域的概念。
(2)可扩展能力
因所有的设备都以IP地址进行识别,增加设备只是意味着IP地址的扩充,同时由于控制中心需要同时观察的摄像机图像有限,这就意味着在无需扩充网络带宽的条件下可以任意无缝扩展系统设备。
(3)庞大的网络监控
由模拟到数字的转换,采用统一的协议在网上传输,系统具有很强的兼容性,接入方式灵活,能够充分满足任何特殊、复杂的要求。
3 系统架构
系统结构如图1所示。
3.1 校园监控系统架构
校园网络监控系统是基于计算机网络的高性能、高可用性、高可靠性的强大媒体信息化教学平台,不但应用于局域网,在城域网也能很好应用。它利用现代化的多媒体技术和网络技术及视频压缩技术,将电子信息技术与校园保卫力量有效的组合起来,为学校提供了一个安全的保护罩。作为一个完整的信息化校园监控平台,它具有以下的特点:
校园网络监控系统是专门为教育行业量身定做的校园安全防范专业解决方案。它建构在标准的百兆/千兆校园网上,以校园网为基础,与校园网完全融合,也能与教育城域网、公众社区网无缝衔接。
校园网络监控系统的一个突出技术特点是充分运用嵌入式计算机技术,所有硬件设备都是基于嵌入式技术,从而保证整个系统非常可靠、稳定、安全。
校园网络监控系统将嵌入式计算机技术、网络通信技术、音视频技术、DSP技术完美结合。在完成了校园网络监控系统的应用后,学校日常的信息化教学工作,校园观摩等等日常活动也全部可在校园网下完成,实现一个专业的校园综合业务网。
1)前端及传输主要设备
项目的系统结构确定后,设备选型对整个系统来说尤为重要,系统要达到预期的效果以及系统的稳定性,无不突出产品选型的重要性。
监控系统建设将依托校园光纤网络作为监控系统的主干网络,所有监控点利用校园网络在各大楼预留的网络信息点作为接入口。
选用全数字网络监控产品,在校园各主要干道、区域都安装一台嵌入式网络编码器,它将摄像机信号、红外探头信号等采集压缩,并通过校园网传输到网络中心,存储在网络硬盘上。
2)网络编码设备
网络编码设备主要选用两种结构设备:一种是网络视频编码器,由摄像机采集图像信号通过编码器进行接入校园网;另外一种是由带有网络编码模块集成一体化的网络红外摄像机、网络高速球。
3.2 传输系统设计
系统传输系统将依托已建成的校园网络作为主干传输线路,前端各监控点将图像编码后接入校园网各就近交换机。从各信息点交换机至前端监控点传输采用布视频专用电缆(SYV-75-5),摄像机采集到的视频信号通过专用视频电缆传至就近校园会集点,接入视频编码器,经过模数转换、压缩后进入信息点交换机。
1)摄像机电源传输:从校园信息间引出一条220V电源线到各监控点,采用二芯绝缘线,利用原已有强电线槽引到各建筑物监控点,预留做低压转换使用,球型摄像机电压转换为24V,固定摄像机电压转换为12V。预留所用线3m,并扎捆好。
2)摄像机控制线:校园信息间分别引出一条RVVP2×1.0屏蔽控制线到摄像机。
3.3 监控中心设备选择
安全防范监控系统监控中心作为校园的安全防范总控(指挥)中心,实行24h值班制度。校总控(指挥)中心位于管理控制结构的最高级,拥有最高权限,负责管理控制全校的安防系统,通过授权调阅全校的视频信息、报警信息;根据各类报警情况的处置预案,处置学校公共部位的报警信息和各分控室上报的信息。
监控中心是安全防范系统的“心脏”和“大脑”,也是实现整个系统功能的指挥中心,负责设备管理、用户权限认证、报警信息的记录和处理等,从而达到对监视内容的实时录像、打印。控制中心主要由配置/认证服务器、计算机多媒体系统、网络解码服务器、网络IP SAN存储设备、监视器及系统管理平台软件各功能服务器模块(如:集中存储服务、流媒体服务、管理服务、代理服务等软件)组成,监控中心各个核心设备可通过交换机连接到校园网或广域网,校园网络接入由学校提供。
监控中心主要设备有:平台管理软件、视频矩阵解码主机、存储管理设备、电视墙,网络设备等组成。下面将对整个系统进行描述,如图3所示。
1)数字网络矩阵主机
前端某些监控点采用网络传输至监控中心,需将视频进行数模转换还原切换上电视。该设备集合了数字录像、多画面分割、视频切换、色彩调节、云台及镜头控制、移动侦测报警、传感器报警、报警联动、智能检索回放(可多画面)、实时抓拍、远程网络传输控制、图像马赛克功能、(远程)矢量电子地图功能、双向语音对讲功能、多种语言选择功能(简体中文、繁体中文、英文等)、数字矩阵功能、定时自动开关机功能、视频字符叠加功能以及音视频预览任意开启关闭功能,支持本地存储和网络传输双码流;支持独创的远程图像时间进度条查询和文件查询双模式;具备强大的录像文件系统管理功能。
(1)监控管理平台
大型网络视频监控报警管理系统是在中型IP网络监控环境下,面向PC-DVR、嵌入式DVR、DVS视频服务器、IP摄像机、解码卡、矩阵卡等数字图像设备集中监控管理需求推出的网络监控录像管理专用软件。基于WINDOWS平台,系统采用了先进的微核心加插件开发技术,软件构架更加稳定灵活,增加了组织管理和基于组织的设备管理与权限管理。管理的设备从单一嵌入式扩展到所有主流数字图像设备,同时增加了集中存储服务、流媒体转发服务、报警转发服务和WEB客户端服务软件,能够更好的满足通用网络监控客户的完整需求。
(2)存储系统
a)存储容量的需求
视频信号通过数字视频压缩技术转换为H.264或者MPEG 4格式的码流,但尽管经过压缩,其所占的空间仍然是非常大的,尤其是保安监控报警联网系统,摄像前端可能达到万级,产生的海量数据是非常惊人的。
单路Half D1格式的流量计算:400M/s,每天产生的数据量为24×400M=9600M,约合9.6G,半个月产生的数据量为9.6G×15=144G;
按监控中心共接收视频信号路数,按上述公式计算。
b)存储方式
采用以分布式加集中式存储方式来实现对数据保存。由于存储数据量巨大,单纯用硬盘录像机内置的存储结构完全不能满足本次系统的要求,将硬盘录像机内置存储作为备用的分布式存储库,重新建立一个能容纳本次平安城市监控系统存储系统,并预留可随时扩容接口。
2)IP-SAN集中存储库
集中式存储实际上是一种通过区域性网络存储的解决方案,针对指挥中心平安城市监控网系统的实际情况,本次方案设计采用性能价格比最高的IP-SAN体系结构。
IP-SAN体系结构的实质是通过i SCSI技术,构建一个基于高速IP网络的集中存储环境,解决用户数据迁移、数据共享、储空间扩展的问题,并大大降低管理成本。让用户能在IP网络环境下充分享受SAN环境带给用户的好处的同时,省去SAN所需的光纤网络的搭建成本,构建一个区域网络的SAN的存储平台。
i SCSI协议将SCSI命令(块IO操作命令)封装在IP包中,通过TCP/IP网络传输到远端。前端的录像服务器,在安装i SCSI Initiator即i SCSI的客户端以后,将应用的磁盘操作(即SCSI命令)封装在IP包中,发送到网络存储服务器。网络存储服务器接收到后,将SCSI命令从包中解出并执行。这样,录像在服务器上看网络存储服务器就象本地硬盘一样,可以完成基于块(Block)的操作。i SCSI的优点:
(1)基于IP网络享受SAN优势的同时,大大降低连接成本,实现一个低成本,高效能的存储网络平台;
(2)由于是对设备进行块(Block)操作,使用方便,可直接使用完全兼容所有软件,支持不同平台的计算机系统:Windows;Linux;IBM AIX;HP Open UNIX;SUN Solaris并根据多数用户的需求进行扩充,从而实现存储集中,数据集中,而且能够大大提高存储的速度;
(3)功能强大,支持各种备份、复制、镜像、快照功能,完全可以在IP网络上实现。不需要HBA卡(为了提高速率可以使用专用的i SCSI Initiator HBA)、专线等支持,传输距离上没有任何限制,这对于异地数据的传输及备援等应用相当有帮助;
(4)无需改变现有IT构架,初期投入成本低,并充分理由现有IT技术人员,管理与维护都是基于以太网络平台,降低管理成本;
(5)传输速度快:千兆网i SCSI的速度可达1Gb,效能上已超越NAS。如果用10Gb以太网络,i SCSI就可以达到10Gb的高速,比FC SAN的下一代版本-4Gb还要快;
(6)在NAS设备增加对i SCSI Target的支持,就可以将NAS设备纳入IP SAN体系结构。
摘要：本文以大学校区全数字化安防监控系统为例,阐述了由摄像机采集图像设备、网络编码服务器、配置、认证服务器、网络IPSAN存储设备、监视器及系统管理平台软件各功能服务器模块等组成的第三代数字网络监控系统。
关键词：数字化,网络编码服务器,校园网,IP,SAN存储设备,系统管理平台软件
参考文献
[1]殷铁军,秦兆海.安全防范技术与电视监控系统[M].北京:电子工业出版社,1998.
[2]王春海.网络视频技术及应用标准教程[M].北京:人民邮电出版社,2002.
全数字化系统 篇2
陈锡禹
【摘要】 本文简述了研究全数字化光学电流传感技术的意义，分析了国内外研究现状和研究发展趋势；以及全数字化光学电流传感技术方向目前国内的瓶颈，尚待解决的问题，未来研究的主攻方向。
关键词： 数字化 光学电流 传感技术
1、前言
随着微电子技术、光电技术、通信技术的飞速发展，智能化、数字化和网络化的测试、控制技术迅速在电力系统中得到广泛应用，并深刻改变传统电力系统的运行、维护和管理模式。[1]尤其是光电技术的应用及其与信息技术的结合，使得传统电力系统工业面临一场重大的技术变革。而今的光学电流传感技术的日益发展也对传统电力系统提出了重大挑战。
电流、电压互感器作为电量测量装置，是监测一次设备运行状态的关键，也是二次设备工作的基础。而如今的数字化光学电流传感技术离不开光学电流传感器，即那些利用光学技术直接或间接地对电流换能或测量，从而实现对电流传感的装置。[2]由于光学电流传感器与传统的电磁电流互感器相比具有非常显著的优点而受到越来越广泛的关注。近年来，此领域的研究获得许多进展，有些研究单位已进行了挂网实验，有些研究成果正进入产品转化阶段。[3]但是，我国在此领域的研发、生产和应用方面仍相对滞后,无论在科研、设备、技术、工艺,还是在应用方面都无法与欧、美国家相比。随着我国人民生活水平的不断提高及认识程度的深化，我国对于此类产品的需求会逐步增大，所以，我国开展对此的研究具有重大的社会意义巨大的经济效益。
2、国内外电力系统中光学电流传感技术发展情况
2.1我国光学电流传感技术发展
随着光学电流传感技术的发展，由于实现数字化变电站的要求，我国基于电磁感应原理的传统电磁式互感器暴露出了一系列严重的缺点。[4] 1.电磁感应式互感器的绝缘结构日趋复杂，体积大，造价随电压等级数呈指数关系上升；
2.由于其固有的铁芯会产生磁饱和、铁磁谐振等现象，造成动态范围小、频带窄等；
3.以模拟量输出不能直接与计算机相连，难以满足新一代电力系统自动化、电力数字网等发展需要。[5,6] 与之相对比的光学电流传感器，它涵盖不同的测量原理、方法及测量传输方[7]式。与传统的电磁式互感器相比，它的优点也凸显出来[8]: 1.测量频带宽，测量精度大；
2.动态范围大，可在相当宽的电流范围内保持良好的线性特性； 3.绝缘性能好，可用于传感材料的光学玻璃，传输信号的光纤； 4.无开路导致高压的危险； 5.不含油，没有爆炸危险； 6.受电磁干扰小；
7.体积小，质量轻，结构简单；
8.不含铁芯，没有磁铁共振，没有磁饱和及大电感引起的滞后现象;[9] 9.采用数字接口，通信能力强，可以直接和计算机相连，实现多功能化，智能化，数字化的要求。[10] 如果采用数字接口，通信能力强，对实现数字化电力系统有着重要的意义。由于光电传感器下传的是数字信号，与通信网络容易接口，且避免了信号在传输、储存和处理中的附加误差，提高了系统可靠性。这个特性在强电磁环境中可有效地保证信号的准确性和可靠性。同时，随着微机保护和控制设备的广泛采用，光电互感器可以直接向二次设备提供数字量，不需要保护装置中的变换器和 A/D 采样部分，使设备得到大大的简化。[11] 2.2国外光学电流传感技术发展
国外光电电流互感器的研究始于二十世纪六十年代末和七十年代初，到八十年代和九十年代初OCT己经开始了产品化研究，目前许多大公司己经形成了成套产品。具有关资料统计，到1999年底，大约有2000多台OCT挂网试运行。早在1978年，美国西屋电气公司就研制出用于SOOKV的OCT，其准确度为:比差0.3%、角差士5 ,量程3kA，挂网试运行一年。美国五大电力公司各自在1982年左右成立了OCT专题小组，且研制成功了161kV独立式OCT(1986-1988)。在1989年5月至1992年又成功地研制了最高工作电压为345kV，测量范围为20-2kA，准确等级为0.3级的计量用和保护用OCT，且挂网试运行。1991年6月ABB电力T&D有限公司公布了用于345kV变电站计量和保护的OCT系统，在运行四个月后，与标准CT比较，误差仅0.4‰ 到1994年ABB公司不仅拥有多种电压等级的交流数字光电式OCT，也开发出直流数字式OCT，并在多个地区挂网运行。日本也是较早开始OCT研究的国家之一。日本除研究SOOKV, 1000kV高压计量用OCT外，还进行SOOKV以下直到6600电压等级的GIS用或零序电流、电压光电传感器。东方电气公司和东芝公司合作，1987年8月至1989年3月研制的GIS设备用OCT在制造厂条件下长时间进行试验，运行稳定，试验数据皆符合JGC1201标准，并在1989年末通过试验鉴定。[15]
3、尚待解决的问题以及对未来的展望
与国外相对比，我国的光学电流传感器还有很大的差距。但近些年来光学电流传感器研究取得了可喜的进步，但离实用化，产品化仍然有一定距离。其障碍在于需要克服各种因素引起的系统温度与振动稳定性降低的问题。[12] 目前，已经得到普遍应用的光纤数据通信网络将逐步取代微波、载波等传统通信方式，成为电力系统通信的主干网络，将原来分布的、孤立的各发、变、配、送、用电系统融合为一个整体；光纤传感技术与故障诊断技术的结合为电力主设备的安全可靠运行提供了全新的监测手段，大大提高了电力主设备的运行管理水平；数字化、智能化电子设备和数字继电保护装置的广泛应用，在保持原有功能的基础上，提供了系统功能扩展和集成的良好平台。[13][14]
目前，我国所面临的困难还有“准确测量任何时刻的电流瞬时值”是电流互感器的理想测量品质[15]。广泛使用的铁磁线圈电流互感器，尽管稳态测量精度能[16]够满足 0.2 级的要求，然而短路故障时存在磁路饱和现象，动态测量能力差，是保护装置误动和拒动的主要原因[17]。基于Faraday电磁感应原理的Rogowski线圈电子式电流互感器，不存在磁路饱和现象[18,19]，但其在基本原理上决定了Rogowski线圈电流互感器不能测量稳恒直流，但是对于变化比较缓慢的分量，比如非周期分量，也不能保证测量精度[20]。
目前的研究多集中于测量用光学电流传感器，对线路防护(继电保护)用电流互感器的报告还不多。然而这两种用途的光学电流传感器对电力系统而言都是需要的。故对线路防护用电流互感器的研究亦应加强。
4、参考文献
全数字化系统 篇3
关键词： 电力系统； 数字式； 全光纤； 保偏光纤； 电流互感器； MATLAB仿真
中图分类号： TB 971文献标识码： Adoi： 10.3969
引言随着电力系统的不断发展，对互感器的要求越来越高，而传统的电磁式电流互感器在运行中渐渐暴露出一些严重的缺点，已经很难满足数字化电站的要求。目前的市场情况是，电力系统广泛采用的仍是电磁式电流互感器，它有以下特点：（1）一次绕组中的电流完全取决于被测电路的一次电流大小而与二次电流无关；（2）它的二次绕组与测量仪表、继电器等的电流线圈串联。由于测量仪表和继电器等的电流线圈阻抗都很小，因此它的正常工作状态接近于短路；（3）它在运行中不允许二次侧开路。如果二次侧开路，则二次电流值为零，这时电流互感器的一次电流全部用来励磁，铁芯中的磁通密度将会大幅度增加，从而引起铁芯中的有功损耗增大、铁芯过热，最终导致电流互感器损坏。同时由于铁芯磁通密度剧烈增加，故互感器的二次绕组中的感应电压峰值可达到数千伏之高[1]。如此高的电压必将对设备绝缘和运行人员的安全都造成危险。为了有效防止电流互感器的二次侧开路，对运行中的电流互感器，当需要拆开所连接的仪表和继电器时，必须先短接其二次绕组，进行泄放电。上述电磁式电流互感器的特点表明：传统式电流互感器绝缘结构复杂、尺寸大、运行成本高、造价高，最重要的是测量准确度无法保证。因此，研究新型的数字全光纤式电流互感器以取代传统电磁式电流互感器已成为社会发展的一个必然趋势，所研究的系统是基于法拉第效应偏振态调制的全光纤电流检测系统，采用的传感元件为保偏光纤制作的电流传感头。1全光纤电流互感器系统原理目前光纤系统主要选用半导体光源，其主要原因是：半导体光源的发光波长在光纤的低损耗窗口中传输，电流注入发光可以进行强度调制；光源体积小，发光面积可以与光纤纤芯匹配，从而提高光源与光纤的耦合效率；可靠性高，高温下可以连续工作；响应速度快，光束的相干性好，适合于高速率、大容量的光纤系统；具有结构紧凑、重量轻、使用方便、工作寿命长，单色性好等优点。全光纤电流互感器是基于法拉第效应偏振态调制的原理来实现对电流的测量的[2]，系统结构框图如图1所示。工作时光源发出的光经过耦合器后由光纤偏振器起偏，起偏之后进入图1全光纤电流互感器的系统框图
Fig.1The system block diagram of the
allfiber current transformer传感光纤即保偏光纤之中。保偏光纤缠绕在通过大电流的导线周围，由于传输中的大电流产生磁场，以及保偏光纤中的法拉第磁光效应偏振态调制作用，偏振光的偏振态发生改变，携带偏振态信息的偏振光经过检偏器之后，进入光电探测器。光电探测器接收到的是电流信号，需要再通过转换电路转换成电压信号，鉴于光电探测器接收到的信号只有微安数量级，所以还必须进行信号放大与电路调理，最终经过比例因子转换得到光纤电流互感器的电流信息。2全光纤电流互感器系统建模对利用保偏光纤作为大电流传感头的全光纤电流检测系统进行琼斯矩阵分析[3]，可以得到：E=J′AJ′FEin（1）假设检偏器与实验室坐标系的夹角为γ，则检偏器渥拉斯顿棱镜的Jones矩阵为：J′A=cosγsinγ
全数字化继电保护测试系统设计 篇4
全数字化继电保护的使用, 必然带来相应测试、检测的设备、方法以及手段的变革。但是, 与数字化保护设备的研究热潮相比, 全数字化继电保护测试仪的研究报道并不多见[1,2]。由于变电站继电保护在设备选型、投入运行前以及运行过程中, 需要对其进行各种形式的测试, 除了常规的静态试验外, 在一些特殊电网运行工况或事故分析时, 往往还要通过动态模拟试验进行深入分析。采用新型全数字化继电保护后, 由于继电保护的信息获取和控制命令的传输建立在符合 IEC61850 规约的通信网络之上, 与传统继电保护的检测方法截然不同[3,4,5,6,7,8,9,10,11,12,13]。为了保证全数字化变电站的安全稳定运行, 需要对全数字化继电保护试验方法、手段、规范等展开研究, 并在此基础上开发出新型的保护测试系统。
在 IEC61850 的框架蓝图中, 过程层中的光电互感器将数字式的采样值经内部转换后, 通过光纤传输至合并单元 (OEMU) , 合并单元将各路光电互感器传送进来的二次侧数据 (保护和测控) 汇总后作同步处理, 按照 IEC61850 - 9标准组帧, 通过光纤发送至新型的数字化继电保护设备[1,2]。
全数字化继电保护测试系统将模拟从光电互感器至合并单元、以及从保护到智能断路器的全部工作, 它具有以下功能和特点:
a. 接受外界多路模拟电量 (电压、电流量) 的输入, 在内部通过同步采样并按照 IEC61850 - 9 的协议逐次组帧打包且实时传送至被测保护装置[1,2];
b. 在数字化继电保护测试系统上设置了多路数字开入和开出量端口, 保护装置发出的动作信号可以以通用对象的变电站事件 (GOOSE) 信息或开关量输出的形式发送至测试系统, 再由测试系统通过自身数字开出量端口输出至动态模拟试验室的开关或静态保护测试仪的开关量输入接口;
c. 通过内建的仿真实验平台, 根据所选的故障仿真模型、故障工况完成闭环测试;
d. 内置定值校验模块, 可以分别完成常见的电流保护、距离保护、差动保护的各种校验功能。
有别于继电保护测试仪仅用于保护功能性静态测试, 本测试系统立足于现有技术成熟、应用广泛的电力系统动态模拟试验、继电保护静态试验以及电磁暂态仿真试验, 使传统试验手段在新的数字化保护的试验、测试以及仿真分析试验中能够充分发挥所长。
1 硬件设计
硬件框架的整体设计如图1所示。
1.1 处理器
由于测试系统对数据处理的实时性要求很高, 需要实现的功能任务多而复杂, 对于一个测试装置的核心硬件处理器的选择就至关重要。本测试系统选用的是低功耗 CPU+DSP 相结合的实时系统, 其中 CPU 主要负责管理人机对话和与 DSP 通信, 采用英特尔移动版超低功耗迅驰处理器 (Intel Celeron M 600 MHz) , 配合英特尔855GME+ICH4芯片组、贴片DDR内存, 可以实现无风扇稳定工作。DSP 采用 TI 公司671X 高速浮点系列, 拥有8个32位指令/周期、超长指令集 (VLIW) 、256 KB 片上 RAM、4个外部中断等资源。利用 DSP 强大的数据处理能力和高运行速度, 主要完成数据采集、编码组帧、发送、接收 GOOSE 信号、与 CPU 通信、定值校验等任务。DSP 与 CPU 的数据通信主要通过 DSP 上的双口 RAM 完成。
1.2 A / D 采样与控制
考虑常见单侧、双侧线路保护, 以及双圈、三圈变压器保护等试验的需要, 共设置27路模拟量通道, 在测试仪内部必须先通过电流变换器和电压变换器使输入的模拟量转换为常规的小电量值, 然后进入16位的 AD 采样模块, 采样模块由 DSP 工控板上的 FPGA 控制, 该 FPGA 最多可以支持192路 AD 模拟量输入, 方便扩展使用。
1.3 开关量输入、输出
由于部分全数字化保护设备的跳闸信号仍然通过传统的硬跳闸逻辑回路实现, 为了在测试过程中检测保护跳、合闸硬接点状态, 共设置了8路开关量输入通道, 且各通道均采用了相应的抗干扰措施。
按照 IEC61850 规约, 保护设备通过以太网发出跳、合闸数字信号到就地智能开关操作断路器断合, 而全数字化保护测试系统必须能够模拟部分智能开关的功能, 即接收到保护发出的跳闸数据帧后, 输出硬逻辑接点, 从而可以跳开模拟保护试验装置或动态模拟试验系统开关, 本测试系统一共设置了8路开关量输出通道。
1.4 网络通信
全数字化保护测试系统主要与保护装置通过以太网进行通信, 包括从测试系统发送到保护装置的采样值传输和保护装置发送到测试系统的逻辑量信息, 如开关跳闸信号、闭锁、告警信号等, 并采用光纤以太网作为传输介质。
2 设计思路
全数字化继电保护测试系统主要由三大功能组成:模拟实验、仿真实验和定值校验, 此外还包括实验数据管理与分析模块。这些功能的实现主要依赖于 IEC61850规约的采样值传输模型和 GOOSE 信息传输模型的实现。整个测试系统将功能划分后, 按满足功能需求确定具体的软硬件配置方案。其中, 管理层 CPU 运行在以稳定著称的 Windows 2000系统下, 并利用 Microsoft Visual C++开发环境开发人机接口的管理软件, 该软件内嵌仿真实验功能和与 DSP 通信的功能, 并能在实验过程中和结束后实现数据管理和分析。而 DSP 运行在著名的袖珍型实时多任务操作系统 μC/OS 下, 通过不同优先级的任务划分, 辅以管理层 CPU 的实时调度, 可以井然有序地完成 DSP 上所要完成的任务。在宏观上, 将管理层 CPU 与 DSP 设置为主从式工作模式, 管理层 CPU 为主, DSP 为从, 任何任务的执行和参数的获得都必须通过管理层 CPU 来发送命令, 若 DSP 需要主动上传数据, 只能向管理层 CPU 发出通告信息, 而管理层 CPU 会不间断地去查询 DSP 是否有命令需要处理。
2.1 模拟实验
在模拟实验中, 将动模实验中互感器或继电保护测试仪输出的原始模拟量接入至测试系统中, 测试系统将实时连续地输出符合 IEC61850 规约的采样值报文数据至保护装置。
考虑常见保护的配置情况以及 IEC61850 规约的要求, 模拟试验可以完成针对单、双侧各种电流、距离、纵联距离、纵联方向、纵联差动等线路保护, 两侧、三侧变压器保护等元件保护的模拟试验。
为了实时记录试验过程中的扰动以及保护的动作情况, 试验过程中, 增设了扰动记录环节。该环节可以全程记录试验过程中系统电压、电流模拟量的变化、模拟开关量输入、GOOSE 信息的输入等各种模拟量、状态量的变化情况, 为保护动作行为的试验、分析总结提供依据。
2.2 暂态仿真
在测试系统中建立了暂态仿真测试平台, 在测试系统后台中通过运行暂态仿真软件, 收集被保护设备的暂态电流、电压数据。将这些数据量按 IEC61850的标准组帧发送, 并检测保护动作情况, 依此调度仿真计算程序, 实现闭环测试。
2.3 定值校验
继电保护装置定值的整定与校验是密不可分的, 保护定值能否适应电网运行方式的变化、并满足灵敏度、选择性、速动性的要求, 直接关系到电力系统的安全稳定运行, 所以定值校验对于定值整定的适当与否起着极其重要的作用。
测试系统用于定值校验采用的计算模型如图2所示, 其中图 (a) 与图 (b) 的区别是系统侧变压器中性点是否接地, 可做以下几种故障类型的校验:单相接地短路 (含系统侧变压器中性点接地和不接地) 、两相短路、两相接地短路 (含系统侧变压器中性点接地和不接地) 、三相短路等。
测试系统根据所选故障工况进行故障计算, 将所得的故障离散值按照 IEC61850 协议发送至数字化保护设备, 并通过接收保护设备的模拟开关量或 GOOSE 信息可以准确判断保护的动作情况。
2.4 采样值传输模型的实现
为保证标准的相对稳定性, IEC61850采用了应用和通信分离的方法[14]。采样值传输的抽象模型在7-2中定义, 其特定通信服务映射 (SCSM) 在9-1和9-2中定义。由于9-1比9-2更易实现, 但是缺乏9-2中的灵活配置性。本测试系统考虑到应用现状, 目前拟采用9-1的实现方式。
在9-1的实现方式上, 为了保证报文传输的高实时性, 避免在通信堆栈上造成延时, 应用层的 PDU 经表示层编码后直接映射到数据链路层和物理层, 传输层和网络层均为空。
2.4.1 应用层
根据测试系统所要实现的功能, 9 - 1中定义的12路数据量只需实现其中的9路 (保护用三相电流与测量用三相电流相同) , 而预定义了27路模拟量输入, 故在应用协议数据单元 (APDU) 置入发送缓冲区之前, 将3个应用服务数据单元 (ASDU) 连接成一个 APDU。APDU 帧格式如图3所示。
2.4.2 表示层
通过抽象语法记法1 (ASN.1) 的基本编码规则 (BER) 对采样值缓冲区数据进行编码, 编码格式为 TLV, 由标记、长度和值组成。在9-1中 APDU 采用简化的编码方式, 将标记值设为0x80, 表示上下文类。
2.4.3 数据链路层
选择交换式以太网, 默认情况下报文的目的地址是广播。以太网类型设置为0x88BA。支持报文传输的优先级服务 (IEEE 802.1p) 。
2.5 GOOSE 信息模型的实现
为了实现众多智能电子设备 (IED) 之间数据通信的可靠性和实时性, 在 IEC61850 中定义了通用变电站事件 (GSE) 模型[3]。GOOSE 模型作为 GSE 的一种类型, 主要用于过程总线上跳闸命令的传输。与采样值传输模型类似, 为了避免通信堆栈上造成延时, 保证报文传输的快速性, 实际实现时, 在应用层专门定义了 PDU, 经过表示层编码后, 不经过 TCP/IP 协议, 直接映射到数据链路层和物理层。
2.5.1 应用层
与采样值传输模型不同, 该层的 PDU 采用 ASN.1规范且不能被简化, 在描述过程中必须依赖于 MMS 类型的支持。例如, 在 ASN.1描述的 IMPORTS 构件中, 需要引用 MMS 中 Data 参数。
2.5.2 表示层
采用BER对应用层的 PDU 进行编码。
2.5.3 数据链路层
遵循 ISO/IEC8802.3协议 (以太网协议) , 将以太网类型设置为0x88B8, 提供报文传输的优先级服务 (IEEE802.1p) , 报文默认优先级为4, 并且分配特定范围的组播地址, 使其范围从01 - 0C - CD - 01 - 00 - 00到01 - 0C - CD - 01 - 01 - FF。
3 μC / OS 下多任务方案设计
μC / OS 是一种源代码开放且免费的嵌入式操作系统, 适用于中小型系统的开发[15]。在 μC/OS 中, 一个任务就是一个线程, 从任务的角度认为自己独占CPU。每个任务都是一个无限循环, 它始终处于以下5种状态之一:休眠态、就绪态、运行态、挂起态 (等待某一事件发生) 和被中断态。这5种状态的相互关系及转换过程如图4所示。μC/OS 可管理64个任务, 用户可以使用56个, 每个任务的优先级必须不同, 在运行就绪的条件下, μC/OS 总是运行优先级最高的任务, 0代表最高, 63代表最低。
3.1 任务间通信方式
在进行任务划分之前, 必须考虑到任务间或中断服务与任务间的通信问题。在 μC/OS 中, 各任务之间的通信常用到信号量、消息邮箱、消息队列。
a. 信号量主要用于控制共享资源的使用权、标志某事件的发生、使2个任务的行为同步, 有二进制型和计数器型2种。
b. 消息邮箱用于任务间需要交换消息的情况。通过定义一个指针型变量指向要发送的消息, 一个任务将该指针通过邮箱机制和系统内核服务交给另一个任务。
c. 消息队列与消息邮箱类似, 但是可以交换邮箱阵列。定义的指针变量指向的是指针数组, 数组中的每个元素都指向一个消息。
3.2 任务划分及优先级设定
根据功能需求分析, 一共设定了2个系统任务和4个用户任务。
a. “看门狗”任务。这是系统级别优先级最高的任务, 同时也是整个系统优先级最高的任务, 优先级设为5。为了保证系统的稳定运行, 系统会定时的“喂狗”, 如果出现意外情况, “看门狗”程序会向系统发出一个复位信号。
b. 接收 GOOSE 信号的任务。系统级别的另一个任务, 优先级设为6。负责从网络接口处接收 GOOSE 信号并将其通过消息队列投递给用户任务2。
c. 用户任务1。从双口 RAM 中检查并核对来自管理层 CPU 的命令, 优先级设为16, 并将其通过消息队列投递给用户任务3, 告知用户任务3从双口 RAM 中下载数据。
d. 用户任务2。从消息队列中接收 GOOSE 信号, 分析该信号并将其通过开关量输出端口输出。优先级设置为17。
e. 用户任务3。负责在双口 RAM 上下载和上传数据, 若管理层 CPU 发出定值校验的命令, 必须操作信号量同时启动用户任务4。优先级设置为18。
f. 用户任务4。等待进行定值校验的信号到来, 进行短路计算启动定值校验功能。优先级设为19。
4 结语
全数字化继电保护测试系统基于 IEC61850 规约, 具有模拟实验、暂态闭环仿真、定值校验三大功能, 能够对数字化保护设备进行全面测试。利用 DSP 处理器处理系统前台的接收、采样、组帧、发送等任务, 在后台基于低功耗 CPU 搭建人机接口操作界面, 在实验的整个过程中可以通过人机接口实时地监测和管理实验进度, 并能够在实验结束后对数据进行分析和保存。
数字教育资源全覆盖项目介绍 篇5
“教学点数字教育资源全覆盖”项目
实施情况汇报材料
学校简介：
临夏县麻尼寺沟乡三台小学始建于1956年，2004年通过整村搬迁项目搬迁至卧龙沟村。学校服务半径为三台村、卧龙沟两个行政村，服务人口562人。
卧龙沟村地处甘肃省与青海省交界处，四面环山，气候阴寒湿冷，交通位置偏远，是一个典型的纯少数民族聚集地区。人民生活条件普遍较差，思想意识落后，全村现在仅有一个从初中毕业生，其余刚刚脱盲。
三台小学现有四个教学班，学生50人，教师5人，（其中本科学历3人，大专学历2人）教师合格率为100%。
由于特殊的地理位置加上特殊的村情，导致了学校发展特别困难。主要面临以下几方面问题：
1、师资不足，严重制约着学校课程的开设与学生的全面发展。
2、教师的不专业导致在教学中也有诸多的困难。
3、信息的闭塞，导致教师知识更新慢，无法及时解决教学中遇到的困难。
4、特殊的村情使学生的知识面极窄。
2013年8月，上级主管部门为我们学校配发了“教学点数字教育资源全覆盖”项目的全套设备（包括联想主机一台，长虹42寸的彩电一台，优课优盘一个，500G硬盘一个以及相应的连接设备）。
为了更好的发挥这套设备的作用，使它真正在教学中发挥作用，我校主要干了以下工作：
1、前提准备阶段
1.1合理选择项目安装位置，严格按照上级文件精神，使用布线安装图，安装好强弱电的布线，规范安全用电设施。同时做好防尘、防盗措施。
1.2各教学点选择一间教室，作为数字资源接收室和教学应用专用教室。
1.3配套解决防盗设施。学校自筹经费，为实施项目的教学点配套统一解决防盗设施等。
2、安装调试工作
设施设备到位后，学校配合县教育局认真学习设备安装技术，并在县教育局仪器站站长赵鑫同志的帮助下，严格按照有关技术要求，做好设备安装调试工作，确保了所有设施设备安装后正常运行。
3、加强培训和教学应用工作
教育部有关文件和会议一再强调，该项目的实施，将给各教学点推送大量的数字教育资源，要高度重视教师应用能力的培训工作，有力推进教学点教育教学质量的提高。
3.1 2013年8月28日对我校的一名教师进行了“教学点数字教育资源全覆盖”项目的县级培训。之后在其指导下，对全校教师开展了“数字教育资源全覆盖”项目的校级培训。我校通过六期培训，从设备安装到实际教学应用进行了对所有教师的指导。
3.2 通过教师对使用设备进行教学时遇到的问题解决与自主探
索讨论，我们学校对该套设备的积累了一定的好经验，是设备在教学中发挥了极大的作用，也提高了设备的有效使用率。
3.3 学校为了让优质数字教育资源“面向学生，走进课堂，用于教学”，通过鼓励教师使用该套设备，使教师的教学效率提高了，学生的学习积极性也有了极大的提高。
4、加强项目设备管理
项目设备属于国有资产，应严格执行《事业单位国有资产管理暂行办法》。学校建立完善项目设备购置、验收入库、维护保管、资产处置等内部管理制度并具体实施，做到帐、物相符。决不允许项目设备截留和挪作它用，更不允许任何人将项目设备搬回家用。
5、项目验收工作
我校的“教学点数字教育资源全覆盖”项目接受了县上验收和省级验收。
5.1 我校的“教学点数字教育资源全覆盖”项目从一开始得到了上级部门的帮助与不断指导，县教育局仪器站站长赵鑫同志多次在我校检查我校的设备使用情况并指导工作。使我校的“教学点数字教育资源全覆盖”项目在县级检查中取得了很好的效果
5.2 2013年11月，省教育厅领导专家对我校的“教学点数字教育资源全覆盖”项目进行了验收检查。并实地察看了所有教师的使用设备上课情况。省上在领导专家对我校的“教学点数字教育资源全覆盖”项目给予了极大的肯定。
6、教学成果
6.1 由于该村的特殊情况，学生在入学前根本没有接受过任何学前教育。在一年级的教学中，通过使用这套设备后，学生能够正确朗读拼音发音，能够正确的书写遇到的汉字，通过动画演示学生对于所学知识有了直观的感受。
6.2 在早自习时通过使用该套设备资源让学生自学听课文朗读，解决了学生普通话发音不标准的问题。
6.3 由于师资不足加上教师的不专业，像音乐、美术等课程无法正常开设，根本没办法执行国家课程标准，使用了该套设备以后，让不专业的教师变得“专业”。现在我校开齐了课程标准规定的所有课程，并可以按课程标准规定进行所有课程的教学
6.4 有了这套设备，我校学生的学习积极性有了极大提高，学生的知识面宽了，知道了解的多了。丰富了学校文化生活，校园里不再是死气沉沉的，随时可以听到学生的欢歌笑语，6.5 英语一直是我们学校的软肋，没有专业的教师，导致教师重点抓不住，通过教师使用该套设备备课、上课、学生自学。现在我们学校不再是“哑巴英语”的天下了。
全数字化时代思科的安全新生态 篇6
四年前，网络世界的巨擘思科开始转型，无论是出于对IT应用趋势的预判，还是对自身业务发展的紧迫感，如今看来，这一战略决策让思科在瞬息万变的科技变革之中抢占了先机。
作为思科转型策略的重要参与者，BretHartman在四年前加入思科，现任思科全球副总裁兼安全事业部首席技术官，凭借三十多年在安全领域的技术积淀和经验积累，为企业级用户搭建了一个更加安全、更加快捷、更加易用的集成式网络安全架构解决方案。企业安全越来越复杂
从最初的单机时代，到Jnternet连接网络设备所搭建的互联网时代，再到各种终端设备互相连接的物联网时代，网络安全领域的局面变得越来越复杂。作为计算机和网络安全相关技术发展和演变的亲历者，Bret认为，“很多年前我们就已经发明了很多安全技术，而有些技术其实还在不断推陈出新，对于已有的安全技术我们还是应该有一定的传承，并且重新对它们进行再次思考和再造，在过去的技术基础之上不断推动安全技术的演进。”
当今企业级用户所面对的新型威胁不断出现、攻击手段层出不穷，用户必须不断采纳新型安全技术，以应对这一动态威胁形势。举例来说，一个企业级用户为了解决一种新型威胁，通常的做法是会采用一款新的安全产品来加强防御。随着威胁数量日益增多，所部署的安全产品数量也不断增多。但是随之而来的，单个安全产品的有效性反而呈下降趋势。我们发现当用户使用第一款安全产品时，其有效性非常高。随着安全产品数量的不断增加，尽管总体有效性是增加的，边际有效性却是不断下降的。与此同时，企业级用户面临的整体复杂性不断攀升，其可管理性却在不断下降，调用某款安全产品的效率也随之降低。也就是说，随着企业级用户部署的安全产品数量的增加，能够提供给用户的防御力和其构成的复杂性之间存在一个安全有效性的缺口。
“我们希望在控制因安全产品数量增加而造成的复杂性的同时，也让每一款安全产品本身的安全能力得到足够提升，让网络安全的防御力与设备复杂性之间的安全有效性缺口得以弥合，从而让整体防御力和设备有效性得到共同提升。”Bret解释说。弥合安全有效性缺口
对于企业用户而言，如何在庞杂交错的企业安全架构中实现网络安全的有效性是他们最关心的问题。作为网络设备提供商，思科拥有庞大的用户群体，对于企业用户在网络安全方面的痛点和难点也有着更深入的理解。“我们的想法就是希望给企业级用户提供更易于部署的安全产品。”Bret告诉记者。
凭借过去三十多年在安全建模和分析等方面的丰富经验，以及近些年在云、虚拟化、SOA和Web服务安全、策略制定和管理方面的丰富积累，Bret为思科的企业级用户规划和构建了一个具备集成化、整合化和自动化的安全解决方案，使客户已有的安全产品效用得到最大限度的提升。
具体来说，“集成化”是指各个安全产品之间能够有更好的互操作性，可以更好地统一管理，能够最大限度降低安全产品造成的复杂性；“整合化”是指将企业级用户可能在同时使用的七八十个不同的安全产品进行整合，让这个企业使用的安全产品的数量逐步减少：“自动化”是指向安全产品内嵌更多的智能，当一个攻击发生时，安全产品可以自主地采取行动，无需人为介入。
“这三点也正好是思科这么多年以来投资的三个主要的安全战略。”Bret说。
思科的安全产品线覆盖安全的不同领域，这些产品之间采取高度集成化的架构方法，可以实现高度可兼容和互操作。如果只是某个产品本身的能力很强，是不足以解决客户的安全问题的，思科的安全产品采用的是集成化架构的方法，不同的安全产品可以组合在一起共同解决网络安全领域面临的不同问题。
同时，思科的安全产品覆盖了安全问题整个生命周期，在攻击发生之前、攻击发生之中以及攻击发生之后，都有相应的产品：第一类型，针对攻击发生之前，思科称之为预防性安全产品，比如思科推出的下一代防火墙（NGFW）技术；第二类型，针对正在发生中的攻击，通过检测正在发生中的攻击，及时把它阻止在某一个位置，思科将这个产品叫做“高级恶意软件防护”；第三类型，针对攻击发生之后，指确认攻击已经发生，并且入侵到了网络中的时候，为了防止它去侵害更大范围的网络，会把入侵的攻击和威胁控制并锁定在网络某一个区域，思科把这叫做“网络分区”。
要解决安全问题，所有企业都一定要注重三个平台，而思科的安全产品也正是在这三个平台基础上打造的。首先是“网络平台”，通过这个网络平台，可以收集各种远程数据信息，了解在网络设备之间所发生的各种通信，从而针对网络设备执行安全策略：第二个平台是“终端设备平台”，包括台式机、笔记本、移动设备，通过对终端设备进行检测，一旦发生网络攻击就会执行安全策略；第三个平台就是“云平台”，目前有很多工作负载都是在云平台上进行的，如果检测到这些工作负载有任何异常行为，就会执行安全措施。思科的安全产品纵贯这三个平台，实现了统一管理，从而简化了企业用户的安全问题的复杂性。
构建基于标准化平台的安全生态圈
企业级用户的IT构建是一个循序渐进的过程，而安全相关产品是与企业IT基础设施建设几乎是同步的。在这个高度互联的时代，几乎所有大型企业用户都已经在安全领域进行过多次投资，它们的安全资产已经很多。对这些企业用户而言，它们更关心的是如何能够在已有的安全技术和产品基础上进行改进和提升。思科的安全产品是基于标准化平台开发的，因此完全可以与企业现有的安全产品进行互操作。
在谈及不同厂商之间安全技术和产品的互操作性问题时，Bret认为，安全产品未来一定是越来越多地走向标准化道路，如果一家安全厂商想要在安全市场具有竞争力，它必须是基于标准的。如今全球安全厂商之间的合作已经成为一种趋势，这其中既有设备提供商也有软件和服务提供商，正是因为这些安全厂商之间更好的合作，才能够让他们共同的用户也就是这些企业更加安全。
在这个标准化的、可扩展的安全生态圈的构建之中，思科正在扮演越来越重要的角色，思科的主战场正在由原有的网络市场拓展到更广阔的lT范畴。
全数字化系统 篇7
手术转播和示教系统利用信息技术、网络技术、计算机多媒体等信息技术实现了手术过程语音和影像双向实时的储存和传输。数字化手术室不仅要具备对患者进行手术治疗的功能,还需适应快速发展的现代医学要求,实现高清手术转播和示教、远程医疗、学术会议交流等诸多功能[1]。为满足手术转播和示教及日益频繁的学术交流会议的需要,国内很多医院都在筹划并组建自己的手术转播和示教系统[1,2,3,4,5,6,7]。
1全高清相关概念简述
1.1 1080P概念
1080P是美国电影电视工程师协会(Society of Motion Picture and Television Engineers,SMPTE)制定的视频显示格式,是高清数字电视格式标准。英文字母P即逐行扫描(progressive scan),通常帧率为60 Hz,标示在P后面,如1080P60,常见的帧率还有24、25、30 Hz。1080P的分辨率有别于1080i的隔行扫描(in-terlaced scan),是720P的2.25 倍,是标清4Cl F(704×576)的6 倍,是CIF(352×288)的20 倍[8]。
1.2 Full HD(全高清)概念
Full HD的屏幕分辨率是1 920×1 080,显示完全达到207 万像素,Full HD指的是屏幕的物理特性,而1080P则是一种高清信号格式。Full HD的显示屏无论播放DVD、有线电视影碟、高清视频,始终保持着1 920×1 080 的物理分辨率[9]。
1.3 4K分辨率概念
在数字技术领域,采用二进制运算,用构成图像的像素来描述数字图像的大小。4K分辨率即4 096×2 160 的像素分辨率,属于超高清分辨率,每一帧的数据量达到50 MB[10],是以后的发展趋势。当然超高清的代价不菲,无论解码播放还是编辑都要顶配的机器,目前还不适合在医院推广。
2 系统开发背景及需求
我院是一家大型三级甲等综合性医院,2013 年手术4.806 1 万例次,医院在完成大量手术的同时,还要完成医学硕士、博士研究生及本科生的临床教学任务,手术示教的需求突出。高清手术转播和示教系统实现了手术观摩与演示、手术转播和示教及与手术医生的实时语音双向交流。同时减少了进入手术室的人员数量,解决了传统临床手术教学模式人数的限制,降低了手术患者感染的风险。
3系统设计与实现
3.1系统设计的需求
手术转播和示教应满足以下2 个核心需求:
(1)兼容目前已有的医疗影像,远程显示的图像分辨率达到1080P。
(2)学员只需登录手术教学平台,在观摩手术操作过程的同时,可调阅该患者的相关信息,如电子病历、医学影像胶片、各种检验报告等,从而方便学员全面了解教学案例的情况。
系统应能够实现视频音频双向的传输以及控制信号监控,同时确保在传输过程中信号不衰减,保障高清的显示效果。该系统可将手术全过程的图像、解说实时地转播到教学场地进行示教;学生能通过双向对讲系统与手术医生进行讨论交流,专家也可指导疑难手术,同时能记录图像、声音,便于日后教学研讨。
系统在满足核心需求的同时还应该满足容易安装实施及后期维护方便;在安装系统后保障手术室洁净的同时,还需满足对手术示教设备的日常检修维护方便可行。同时系统方案应具有较好的扩展性,可以在增加部分设备的前提下实现示教手术室和示教室的增加。
手术转播和示教系统,通过实用性与扩展性相结合、先进性与稳定性相结合、开放性与保密性相结合,能够统一存储视频图像,并实现授予不同用户不同权限,方便内部网络客户端对视频图像调阅的同时保证数据安全可靠、记录登录相关信息。
3.2 手术转播和示教系统设计内容
满足医院手术转播和示教设计的需求,通过数字网络与信息化技术,将手术室中各种设备进行整合,集中管理手术室内各种信息,有力支持手术医疗及手术示教。
完成手术室手术各种信号(术野视频信号、各种医学成像信号、语音信号)的数字化采集;建立数字化平台,整合各种医疗信息;实现全高清双向语音、视频通信,共享双方/多方视频音频。实现摄像机角度和焦距的控制;海量存储手术过程视频音频,方便后期手术教材制作;实现远程医疗和视频学术会议;上级医师可以通过手术转播和示教设计系统进行监督和指导。
3.3 手术转播和示教系统功能实现
手术转播和示教系统(如图1 所示)通过数字网络连接全高清手术室、学术报告厅、远程会议中心,包含了数字化手术室、中心机房、示教室、软件系统等部分,实现手术转播、同步存储、同步回放及全面记录。
其主要功能包含:
(1)记录高清影音,支持720P/1080P/1080i视频全程高清晰记录,实时传播手术影音信息。系统可高清晰记录手术全过程,充分展示手术转播示教和医疗观摩的成果。
(2)支持各种专业医疗影像设备接口,多种信号采集。支持HDMI、VGA、DVI-i、SDI/HD-SDI、复合视频等各种信号接口。支持同步采集、录制、传输各种医疗影像设备信号,包括全景摄像机、术野摄像机、内镜、患者监护仪等设备。系统提供丰富的接口,能够支持多种专业医疗影像设备信号的采集。
(3)提供灵活多样的手术转播与示教、接收及显示方式。录播解码系统和录播多路信号独立回放系统(硬件方式)及PC(软件方式Rec Player),适合大型示教观摩场所(学术报告厅等)全面、清晰显示观摩示教内容需要。
(4)采用模块化布局、分布式架构。系统易于扩展,可扩展至远程医疗、远程探视、满足后期医学培训资料及课件的制作,充分共享资源。满足手术室的手术示教需要,可弹性满足医疗机构各类信息化应用的需要。
(5)交互方式灵活多样,语音可扩展支持手机、普通固定电话(PSTN)、网络电话(IP电话)、视频会议终端等设备交互,方便各种应用开展。
3.4 数字化手术室配置及布局
采用独立吊臂方式安装一台术野摄像机,用来拍摄患者手术部位视频;在手术室角落内吊顶安装一台全景摄像机,摄像机拍摄的实际分辨率达到1 920×1 080,用于观察手术室内人员的整体活动。手术间墙壁安装医用触摸控制屏,以完成术中所有信号的切换。安装扩音音箱和佩戴耳麦式无线话筒实现语音的互动。具体布局如图2 所示。
3.5 中心机房
中心机房主要采用媒体交换平台MES-32、存储/点播服务器IBMX3650M3、存储服务器IBMDS3500(24 TB)、KVM一体机Rextron LUS108D等设备,通过接口与医院信息系统(hospital information system,HIS)、影像归档和通信系统(picture archiving and communication system,PACS)、 电子病历(electronic medical record,EMR)系统、实验室信息系统(laborato-ry information system,LIS)等无缝集成,实现信息融合、共享。
中心机房完成信令、控制信息的交换、视频流转发管理、录像点播管理、设备接入管理、授权认证管理;实现手术的直播、转播、点播;实现信息的共享、交流;具备充分保护医生和患者隐私的严格机制。
3.6示教室
示教室主要由手术示教观摩单元、全景摄像机、高清投影机、遥控电动幕、高清专业电视、专业音箱话筒等设备组成。
在手术观摩示教室,既可以对指定台次的手术进行实时互动式观摩学习,又可以对服务器中已经生成记录的手术视频进行点播学习。
3.7 软件系统功能
通过建立完善的医疗信息平台,与HIS、LIS、PACS等系统通过接口实现连接,建立手术患者的数据库和相关教学资料,方便医生了解患者信息。通过系统接口自动获取手术室手术排班情况。在医生进入手术室时,可以通过触摸屏列表选取手术患者。
手术转播和示教系统主要包括以下4 个子系统:
(1)手术室工作站系统。负责管理及调度手术室内所有的视频资源。可以调阅患者的各种信息资料;可以与手术观摩系统进行语音视频互动。
(2)手术观摩系统。可以观摩授权手术间的手术,调阅患者的各种信息资料;可以与手术室工作站系统进行语音视频互动。
(3)直播、点播系统。管理(上传、编辑、发布等)录制的视频文件。借助网络,播放视频;对各种信号源编码/解码,对录制好的视频文件采用系统提供的播放器或通用播放器进行播放回放。
(4)视频后台管理系统。定义用户、设定各种权限、手术观摩申请、批复、设置MCU(multi-point con-trol unit)、基础数据的维护等。
4 效果分析
数字化全高清手术转播和示教系统解决了传统手术示教普遍存在的教学不便的问题,节省了手术观摩和病情会诊的医疗资源。数字化全高清手术转播和示教系统扩展了手术观摩的空间,使手术观摩人数突破手术室场地限制,增加了学习和实践的机会,增强了观摩者身临其境的真实感觉。通过数字化全高清手术转播和示教系统可对进修医师、实习生等进行手术操作技能的教学;可对疑难手术进行相关的学术会议交流;同时可以对外科医师或执业医师手术操作进行考核。它为手术相关的科研、教学提供了先进的设施条件。
本系统竣工后,能够满足三级甲等综合性医院的手术、教学及科研需求。全高清1 920×1 080高清分辨率比传统的模拟标清更清晰的画质,能够再现手术真实完美画面,记录手术细节,为手术医护人员提供了实时的图像参考。该系统的应用增强了会场的现场效果,有利于促进医院的学术交流,提升了医院的品牌形象。
5结语
数字化医疗设备在医疗领域应用广泛,提高了医生手术效率和保证了安全性,具有实用性和先进性[11]。我院全高清手术转播和示教系统实现了手术室手术野、全景和其他视频的无损传输,最终为医院手术转播、示教和医疗会议交流提供高质量的视频转播效果,保障了手术室良好的工作秩序,保证了观看手术的质量。该系统有较好的可扩展性,可以增加部分设备,实现示教手术室的增加。该系统建成后,转播示教效果良好,可为其他医院建设类似系统提供成功的案例。随着数字技术的创新、信息化的不断深入、网络技术的不断发展,手术转播示教系统的广泛实施会不断促进医疗信息化长期稳步的发展,造福于社会、造福于人民。
参考文献
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全数字化系统 篇8
与常规保护系统相比,基于IEC61850的全数字化保护系统由更多的元件构成[1,2],其系统可靠性不仅取决于保护本身,还取决于合并单元、交换机、网络介质以及同步时钟源等元件。例如,国内的试点应用中曾经出现因网络风暴[3]而导致保护复归。IEC61850-9-2过程总线[4]的现场应用还非常有限[5]。这些都表明国内外对IEC61850全数字化保护系统的可靠性仍有疑虑。因此,分析IEC61850保护系统与常规保护系统在结构上的区别,建立IEC61850保护系统的准确可靠性模型,从而为提高其可靠性提供理论依据是目前亟待研究的问题。
保护系统属于可修复系统,文献[6-11]利用马尔科夫模型建立了常规保护系统的可靠性模型。但上述模型皆假设保护系统中只包括一个元件,即继电保护。该假设对常规保护系统是可行的。而全数字化保护系统中包含更多的电子元件。当系统中包含十几个甚至更多的元件时,将由于马尔科夫状态空间爆炸而失去求解的可能。这是建立全数字化保护系统的马尔科夫模型遇到的主要问题。
本文针对IEC61850全数字化保护系统的功能与结构特点,提出了分层的马尔科夫模型,并提出一种状态空间简化方法。分析表明,该方法既极大地简化了状态空间,且具有很高的计算精度。同时,该模型中利用系统结构函数Φ(X)一般化地表达系统结构,从而使得所提出的模型可适用于具有各种结构的全数字化保护系统。
1 全数字化保护系统结构
1.1 典型结构
全数字化保护系统一般由非常规互感器、合并单元、交换机、网络介质、保护装置、同步时钟源等构成。图1是全数字化保护系统的一种典型结构。图中,一次系统采用3/2接线。合并单元将采样信号打上时标后以多播方式发布到满足IEC61850-9-2标准的过程总线[4],保护从过程总线获取采样和控制信息。为提高可靠性,保护系统中的同步时钟[12]以及网络介质(包括光纤以及光纤端口)采用冗余配置[13]。为进一步提高可靠性,交换机也可采用冗余配置从而构成双网结构。限于篇幅,本文对此不做展开,更为详细的讨论可见文献[11]。
1.2 系统结构函数
利用系统结构函数可以一般性地描述全数字化保护系统的结构。可靠性框图[14]是生成系统结构函数的常用工具。图2是图1所示保护系统的可靠性框图,图中,TS为同步时钟源;MU为合并单元;EM为网络介质;SW为交换机;PR为保护;数字为元件编号。需要说明的是,保护系统的可靠性包括可靠不拒动和可靠不误动。一般情况下,保护系统拒动的危害性大于误动,且对系统拒动的分析远比误动复杂,故本文只分析前者。对保护系统误动的分析与拒动类似。
本文利用最小路集[10]方法计算系统可靠性。设P1,P2,…,Pp为系统的所有最小路集,Xi为系统中第i个元件的状态变量。由于Pj中各元件是串联关系,故Pj的结构函数为
整个系统由各最小路集并联而成,故系统的结构函数为
图2所示的系统共包含32条最小路,按照上述方法很容易得出其结构函数。对于更为复杂的系统结构,可以利用邻接矩阵法找出最小路集[12]。
在上述分析中,状态变量Xi(i=1,2,…,n)为布尔型。但在实际中,无论整个保护系统还是其构成元件都具有多个状态,如投运、检修、自检、被发现故障以及隐含故障等状态。为表示上述状态,引入变量Yi和变换函数gi:
这样,系统结构函数可利用多态变量Yi表达:
2 分层马尔科夫模型
为降低全数字化保护系统马尔科夫模型的复杂度,本文提出了2种方法:
a.根据全数字化保护系统的特点,提出分层的马尔科夫模型,将描述系统层的状态提炼到顶层马尔科夫模型中;
b.根据马尔科夫状态的概率,去除数目巨大但又概率极低的状态。
2.1 系统层马尔科夫模型
系统层马尔科夫模型描述的是全数字化保护系统层面的状态及状态迁移,如图3所示。定义马尔科夫状态Sm为
则系统层马尔科夫模型包括4个状态,即
S0代表系统中所有元件皆处于投运状态;
SIP代表系统处于修理或检修(inspection)状态;
SDN代表系统处于故障停运(down)状态;
SX代表其余状态。
由上述定义及式(4),Φ′(S0)=1,Φ′(SIP)=Φ′(SDN)=0。而SX为复合状态,故Φ′(SX)无确定值。
系统层马尔科夫模型考虑了全数字化保护系统的下述事件。
a.系统检修。系统以检修率θp被周期性地检修,该事件使模型从状态Ⅰ或Ⅳ进入状态Ⅱ。
b.保护被检测出故障。设保护系统的自检效率为SEr(SEr[0,1]),保护的故障率为λr,则该事件将驱动模型从状态Ⅰ或Ⅳ进入状态Ⅱ,迁移率为SEr·λr,并以修复率μp返回状态Ⅰ。
c.保护自检。若模型处于状态Ⅰ,则该事件将使模型进入状态Ⅳ,迁移率为λr-sc。
d.被保护设备故障。设设备故障率为λc,设备故障后状态的变迁依赖于模型的当前状态。若当前为状态Ⅰ,则保护正确动作、故障设备被隔离,模型仍处于状态I;若当前为状态Ⅱ,则保护拒动,模型以迁移率λc进入状态Ⅲ;若当前为状态Ⅳ,则从状态Ⅳ到Ⅲ的迁移取决于Φ′(SX)的值,只有当Φ′(SX)=0时,从状态Ⅳ到Ⅲ才有迁移。
e.后备保护动作。若设备故障而主保护拒动,则模型将进入状态Ⅲ。此时,后备保护将动作切除故障设备。随后,保护系统和设备都将被检修。由于保护系统的检修时间一般短于设备的检修时间,且只有保护系统恢复运行后,设备才可以投运,故从状态Ⅲ到Ⅰ的迁移率为保护系统的修复率μp。
f.共模故障[15]。本事件将使模型从状态Ⅰ以迁移率λcc进入状态Ⅲ。
2.2 状态空间简化方法
如上所述,复合状态SX的Φ′(SX)值不确定,应将其展开为简单状态。但对于复杂系统,展开后的状态数量非常巨大,需要寻找状态空间简化方法。保护系统属于高可靠性系统,其组成元件的故障率远低于维修率。因此,同时包含2个以上故障元件的状态的概率非常低。考虑一个含有n个相同的独立元件的系统,系统中同时发生k个元件故障的概率符合二项式分布:
其中,λ、μ为元件的故障率和维修率。
若假设n=50,k=3,λ=0.02/a,μ=0.1/h。则根据式(6),可得Pr(3)=2.33-10。
以上分析给出一个启发:可以忽略状态空间中数量巨大但概率极低的“罕见状态”,从而达到简化状态空间的目的。简化方法如图4所示。图中,状态k(k=1,2,…)表示该状态中包含k个故障元件(但保护正常);状态k+R(k=0,1,…)表示该状态中包含k个故障元件,同时伴有保护停运。所有k≥3的状态都作为“罕见状态”而被忽略。
2.3 元件层马尔科夫模型
在图4中,MC1、MC2表示元件层马尔科夫模型,用于确定该图中被展开的简单状态之间的状态迁移。MC1、MC2的详细模型见图5。
MC1为非保护类元件的马尔科夫模型,如图5(a)所示。模型初始处于状态1(EUP,运行状态)。元件的故障率为λe,元件自检效率为SEe。若故障未被检出,则以迁移率(1-SEe)λe进入状态2(EDU,未被检出的故障状态);否则,以迁移率SEeλe进入状态3(EDN,被检出的故障状态);随后,故障被修复,模型以修复率μe返回状态1。MC2为保护元件的马尔科夫模型,如图5(b)所示。其中,RSC为保护自检状态。
2.4 状态方程
首先,确定马尔科夫状态。状态空间中包括3个系统层状态(S0、SIP、SDN)以及根据图5将复合状态SX展开后的子状态。设仅考虑k个故障元件,n为元件总数,则子状态数量为
然后确定状态方程,其表达式为
其中,A11,A21≡由系统层马尔科夫模型(MC0)确定的状态转移子矩阵;A12,A22≡由元件层马尔科夫模型(MC1,2)确定的状态转移子矩阵。
子阵A22为稀疏矩阵,其稀疏度可定义为
其中,Nnz为矩阵中非零元素数,其值为
由表1可见,本文的方法可以极大地简化状态空间的复杂度。
3 保护系统可靠性指标
基于上述马尔科夫模型,各状态Sm的稳态概率P={PSm}可通过求解如下方程组得到:
定义保护系统的可用度As为所有保护系统可正常工作的马尔科夫状态的概率之和。利用结构函数Φ′(Sm),As可用下式方便求得:
定义保护不可用度Un为一次设备无故障但保护故障或停运的概率,其值为
定义保护系统异常不可用度UAB为一次设备和保护系统皆故障(或停运)的概率。该概率利用系统层马尔科夫模型即可确定:
定义保护系统未预备概率PUR为当需要保护系统动作时,保护系统却不能正确动作的条件概率。根据定义,PUR可利用下式计算:
4 算例
若非特别说明,以下计算采用表2所列的数据。
4.1 误差分析
下面分析由于状态空间简化所造成的误差。简化误差定义为
其中,As表示系统精确可用度;Ask表示当仅考虑k个元件故障时的近似可用度。当k分别取1~4时,对应的误差见图6。由图可见,当k=2且检修间隔t小于10000 h时,简化误差Ek小于0.15%。可见,本文提出的简化方法具有足够高的精度。
4.2 可靠性计算结果
图7是保护不可用度Un及异常不可用度UAB曲线。影响全数字化保护系统可靠性的因素有很多,本文仅分析自检和定检这2个因素。
由图7可见,当保护的自检效率SEr从0逐渐提高到0.99时,保护系统的可用度也随之提高,但提高的程度有限。这是因为,全数字化保护系统除了保护自身,还包括其他众多元件。若将系统中所有元件的自检效率皆提高到0.99,则系统的可用度得到大幅度提高。
系统检修周期也会影响系统的可靠性。若检修周期过短,则保护系统会由于经常退出运行而降低可用度;反之,若保护系统故障不能被及时发现同样会降低系统可用度。利用图7可以确定保护系统的最优检修周期。例如,当SEr=0.6时,从图上可确定系统的最优检修周期为3000 h。
理论分析和仿真结果都可得到如下结论:
a.保护系统中各元件的故障率越高,则最优检修周期越小;
b.一次设备故障率越大,则最优检修周期越大;
c.系统配备自检功能后可增大最优检修周期;
d.共模故障率不影响最优检修周期。
5 结语
本文研究了IEC61850全数字化保护系统的马尔科夫模型,模型中考虑了合并单元、过程总线、同步时钟等关键元件,为定量分析、优化全数字化保护系统的可靠性打下了良好基础。
a.根据全数字化保护系统的特点,提出了包含系统层和元件层的分层马尔科夫模型,极大简化了模型,并便于利用程序自动生成状态方程。
b.根据状态概率,提出了一种马尔科夫状态空间简化方法,有效解决了全数字化保护系统状态空间爆炸问题,同时保留了很高的计算精度。
全数字化系统 篇9
关键词：全空域,测控系统,射频采样,数字多波束形成
0 引言
随着航空航天事业的飞速发展,将逐步建成无人机网络、卫星导航系统和卫星星座网络,这给地面测控系统提出了更高的要求。全空域多目标测控技术是目前测控领域面临的一个重要课题,也是地面测控系统面临的新挑战。目前全空域相控阵测控系统的建设已提上日程,而波束形成技术作为全空域相控阵测控系统的关键技术,其形成方式及算法的设计尤为重要。相位控制可采用模拟方式( 在射频端采用微波移相器) 实现或采用数字波束形成( DBF) 方法实现。而采用数字波束形成方式,亦有一次变频和超外差方式之分。同其他波束形成方式相比,基于软件无线电的数字多波束形成技术在全空域多目标测控系统中具有独特的优势,值得深入研究。本文在分析全空域测控系统对波束形成设备需求的基础上,提出了基于射频采样的波束形成模块实现方案,并对共形球面阵的波束形成技术进行了分析及验证。和现有的波束形成方式相比,提出的实现方法简化了硬件设计,集成度高,幅相一致性好且多波束形成灵活。
1 全空域相控阵测控系统
全空域相控阵测控系统目前多采用球面共形阵进行分析[1],其优点是对于目标跟踪可平滑过渡,相位中心唯一,球面扫描增益一致; 但其缺点是阵面复杂,对于装配工艺、测试、维护及波束形成算法均提出了挑战。因此需要对球面阵波束形成方式及算法进行研究。以美国空军正在实施的网格球顶相控阵( GDPAA) 系统为例[2],该系统要求EIRP大于104 d Bm,而G / T值大于12 d B / K,能对中高轨及静止轨道卫星进行测控通信。其阵面采用多个五边形阵和六边形阵拼成一个整体上的球面,而每个多边形阵由若干子阵面组成,每个子阵面又由若干阵元所构成。最终用到的阵元数为60 300 个,其后的波束形成模块,包括信道设备、数据采集传输及波束形成算法极其复杂。
由上述分析可见,全空域相控阵测控系统如图1所示,采用球面共形布阵,阵元数极多,因此要求波束形成模块尽可能简单,以减少成本和空间,降低系统建设和维护的复杂度。
2 基于软件无线电的接收前端分析
由于受模数转换器件性能( 主要指采样位数、采样率及输入带宽等) 的限制,接收机体制主要有2 种[3]: 超外差和直接变频体制。其主要区别在于将信号下变频到基带的级数不同: 直接变频只用1 级,而超外差体制则采用2 级以上。下变频次数的增加虽然使接收机的复杂性也相应增加,而直接变频接收机也面临一些技术问题,所以现有的接收机大部分为超外差体制。但是随着器件的发展,使直接射频采样成为可能,即真正意义的软件无线电接收机具有了一定的可实现性。因此本文提出基于直接射频采样的接收机体制。由于超外差及直接变频体制原理在现有文献中已有详述,本文不再赘述。本节仅对直接射频采样体制的原理及其实现方式进行讨论分析。
直接射频体制接收机原理如图2 所示。天线接收信号经低噪声放大器( LNA) 提供合适的射频增益,其输出信号经过预选滤波器滤波后,输出需要频带的信号。滤波器的输出信号用频率为fs1的脉冲进行采样保持,然后通过连续时间插值滤波器进行二次抗混叠滤波,此时得到奈奎斯特带宽内信号,采用常规的AD芯片即可对该信号进行量化。这种直接射频采样的特点是模数转换分2 步进行[4]: ① 对射频信号进行带通滤波和无量化采样; ② 经过连续时间低通或带通滤波器滤波后,得到中频( 或零中频) 信号,然后用常规ADC进行量化。通过把采样和量化分开在不同的阶段实现,降低了对ADC的射频输入带宽、时钟抖动和采样率的要求。
这种体制的优点是: ① 消除了常规超外差接收机中因使用模拟混频器和本地振荡器而带来的增益起伏和噪声; ② 简化了硬件设计,使接收机可集成在单片微波集成电路上; ③ 消除了模拟失真和混频器非线性失真; ④ 可重配置,通过软件定义可灵活完成空时域滤波等功能,即真正意义的软件定义无线电功能。下面对该体制原理进行分析。
设采样脉冲信号为:
式中,; fs1为采样脉冲频率。式( 1) 的频域表示为:
式中,ωs1= 2πfs1。设场放输出信号为x( t) ,抗混叠滤波传递函数为h( t) ,采样后二次抗混叠滤波传递函数为f( t) ,则滤波后输出为:
其频域表示为:
将式( 2) 代入式( 4) ,得
式中,,Tk=P(kHωs1)/(2π),而XBL(ω)、XBR(ω)定义如下:
3 直接射频采样实现方案
由第2 节的分析可见,直接射频采样体制接收架构最简单,易于将相控阵接收组件集成化、小型化。因此下面讨论如何实现该种体制应用于数字波束形成的接收组件。
利用现有的芯片,可实现基于上述直接射频采样接收体制的数字波束形成接收组件。直接射频采样具体实现可分为T/H + AD结构和单射频AD芯片结构。以目前的芯片水平,采用T/H + AD结构可达Ku频段,如HMC5640 芯片,其射频输入带宽为18 GHz,最大采样率4 Gs/s,输入Vpp为1 V,其时钟抖动小于70 fs[5]。而单射频AD芯片可支持射频输入带宽至S频段。由于篇幅关系,此处仅对单芯片结构进行介绍。
单芯片采样原理仍如图2 所示,只是将采样保持与量化功能集成在一个单片微波集成电路上。如e2v公司的EV10AQ190 系列、TI的ADS54RF63 及ADC12D800RF等。以EV10AQ190 芯片为例,主要关注性能指标[6]如射频输入带宽( 3 d B) 为5 GHz、有效位数7. 7 位( 输入2. 3 GHz) 、时钟抖动120 fs等。由上述指标可见该芯片支持对统一S频段测控系统的直接射频采样。在射频直接输入时,其模数转换有效位数可达8 位左右。
4 球面共形阵数字波束形成
4. 1 架构设计
现有的测控系统,多采用射频移相器和数字波束形成相结合的方式[7]: 在射频端利用移相器实现子阵波束合成,然后采用超外差接收技术下变频到中频( 如在某测控频段系统中常采用2 级下变频到70 M中频) 。最后在中频进行AD采样并实现子阵间的数字波束形成。这种架构满足当前仅对某一部分空域进行单目标或少目标测控的需求: 由于覆盖空域小可采用平面相控阵,所需阵元少,布阵空间较充裕。因此可采用超外差接收体制的相控阵,该体制降低了AD采样的要求,但提高了信道的复杂度,而且采用射频移相精度受限。这降低了波束指向精度、导致旁瓣升高,并且不利于多目标多波束形成。
采用直接射频采样接收体制实现的数字波束形成架构如图3 所示。采用这种架构有如下优点:① 省去了下变频链路,简化了结构,可实现小型化;② 形成灵活的可扩展模块,可扩展为行波束形成、列波束形成、子阵波束形成及阵面波束形成等模块;③ 采用数字化,可灵活形成多波束; ④ 容易形成零陷,抗干扰性强。
4. 2 波束形成算法分析
阵元在球面上均匀分布,如图4 所示( 图中仅画出第n环)[8]。
其中第m个阵元坐标为( xmn,ymn,zmn) ,
式中,R为球体半径; Rn为第n环半径; N为n环上阵元个数,与期望的环上阵元间弧线长度dθdesired有关; floor( ) 为向下取整运算; 相邻环间纬线距离相等为dφ,因此ndφ为第n环到球顶的纬线长度;dθ= 2πRn/ N为环上阵元间实际弧线长度,与实际的阵元个数N有关,容易得到dθ≥ dθdesired。共形阵的合成方向图为n环上所有阵元共同作用得到:
式中,λ 为波长; wmn为加权系数; θ 为目标方位角;为俯仰角。共形阵相位补偿因子为:
值得说明的是,以上分析中的坐标( xmn,ymn,zmn) 既可表示阵元的坐标,也可表示第m个子阵模块的坐标。
5 测试结果分析
采用上述直接射频采样数字波束形成技术,实现了DBF处理模块样机。在数字波束形成中,主要关注通道的幅相一致性,因此对该处理模块在不同温度条件下的接收信噪比、幅相一致性进行了测试,测试结果如表1 所示( 其中幅度单位为d B,相位单位为度) 。由表1 可见,在高低温及常温下通道间的幅度差异<0. 5d B,相位差异< 4°,满足应用需求。
对DBF子阵合成的和差方向图测试结果如图5所示,其中图5( a) 为和波束方向图,而图5( b) 为差波束方向图。
由图5 可见,主旁瓣比约13 d B,差零深约33 d B,测试结果与理论相吻合。其原因是采用直接射频采样的数字波束形成技术,阵列幅相误差较小,而且阵列校正精度高。
6 结束语
全空域相控阵测控系统作为下一代地面测控系统的发展趋势,将会得到越来越多的关注。采用直接射频采样技术实现的测控系统数字波束形成处理模块,满足全空域共形阵对多波束形成的需求,实现了设备集成化、小型化。因此基于直接射频采样的数字波束形成技术在全空域测控领域中的应用将会得到越来越多的关注和应用。
参考文献
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分布式全数字拼墙系统 篇10
大屏幕图像集中显示的核心部分是多屏处理器, 也叫多屏显示控制器, 是一种基于某一操作系统平台并且具有多屏驱动功能、可用不同方式对各种类型信号进行远程显示及控制的专用图形处理设备, 通俗地说, 它就是一套功能极其强大的计算机系统。多屏处理器内部除了包含一般计算机本身所具有的硬件之外, 同时还有高性能的专业图形卡、专业视频矩阵卡和专业RGB采集卡, 各个板卡之间相互协调工作, 基于PCI总线共同组成一套高性能的多屏处理器。多屏处理器是整个多屏显示系统的信息处理中心, 它不但要接受从系统外部输入的各式各样的信号源 (如来自各工作站和其它子系统的大量数据流) , 并且还要对这些信号源信号进行处理, 最后送到显示墙上作为桌面信号显示, 并使图像拼接成一个超高分辨率的整体桌面。在信号显示模式方面, 从外部输入的多路视频信号, RGB信号、网络信号等等都可以不同组合方式显示在桌面上。
2 传统处理器的PCI总线架构的缺陷
传统处理器是基于共享型的PCI总线, 把CPU主板卡、网卡、RGB输入卡和声卡等构成一个系统。共享式的PCI总线只有133MB/s的带宽, 对性能日益强大的显卡等则无法满足其需求, 它是目前图像处理器显示速度提高和质量改善的主要瓶颈。
3 分布式数字拼墙系统
针对传统处理器的局限性, 提出一个新的观点:分布式数字拼墙系统。
分布式数字拼墙系统同传统拼墙系统的最大区别在于它是一种新的全数字化拼墙系统, 也就是说, 各种不同类型的信号在整个传输和显示过程中均以数字量的形式存在, 信号和命令传递的唯一通道是高速数字交换网, 各种图形、图像、视频信号和命令都以分时复用方式在交换网络上传输。采用专用网络技术可以有效简化整个系统的信号连接线缆, 大量减少系统的附件数量, 减少采购、生产、调试、检测、工程安装和售后服务等环节的工作量, 从而有效降低整个的系统成本、提高系统可靠性和可维护性;数字信号的抗干扰能力大为加强。同时, 网络传输技术作为目前主流的信息传输技术, 有着成熟的技术基础。
该系统是高亮度、大画面、高分辨率的信息集中显示平台。其显示分辨率是显示单元分辨率乘以拼墙单元个数, 它可同时显示电脑数据信息 (桌面和网络信号) 、电脑显示信息 (RGB) 及各种实时视频信息和网络IP视频信息。
大屏幕系统支持多种 (图形、图像、视频) 信号的同时实时动态显示, 网络、视频、RGB信号、计算机图形信号均以开窗方式显示, 大屏幕系统可以满足多种画面显示要求, 各种显示画面可以在全屏范围内任意大小、任意位置显示 (支持全屏、单屏和任意区域显示) 。
3.1 功能描述
整个系统的功能结构, 该系统中每一类设备都可以有多个, 视乎现实中各具体系统的需要而定, 或为了实现系统冗余。
系统建立在一个高速数字专用网上, 分为四个基本组成部分:控制平台、交换平台、信号采集平台和显示平台。
控制平台包括用户操作层和控制服务层;交换平台包括高速数字专用网及其上的交换机设备;显示平台包括显示信号处理部件和显示部件;信号采集平台完成对多种模拟数字图形、图像、视频信号的采集工作, 包括应用图形服务器和视频服务器, 采集的信号既可以是来自于系统外部的数字和模拟显示信号, 又可以是来自于系统上自身运行的应用。信号采集平台对信号进行采集、压缩处理后, 通过高速数字专用网传输到由控制平台分配的相应显示信号处理部件, 经过解压缩和拼接、缩放、叠加处理, 将信号在由多个显示部件构成的拼接墙上显示。
3.2 控制平台
它是整个系统控制的核心, 包括用户操控层和控制服务层。这二者既可以是分别存在于物理上独立的不同设备, 又可以是存在于同一物理设备上的逻辑上独立的两个功能部分。用户操控层位于控制服务层之上, 主要是面向操控人员, 同用户发生交互;而控制服务层则面向系统内部, 同其他功能部件发生交互。
用户操作层:操作人员同系统交互的平台, 其上运行集中控制管理系统, 通过与控制服务器通信, 可以实现监控区域管理、图片管理与显示、信号源管理与显示、拼接墙投影机开/关等功能;
控制服务层:当系统上电或系统中设备发生增减, 它完成系统中设备的注册管理工作, 获得整个系统的拓扑信息, 并将相关信息反馈到用户操作层;它还接收用户操作层传送来的指令, 完成对信号采集平台的初始化和配置工作, 为各种信号源配置接入的信号, 为各个信号分配信号传输对应的目的显示信号处理部件地址。
3.3 交换平台
这是整个系统信息传递的通道, 系统中所有的数据和命令信息传递都要通交换平台来完成, 它包括高速数字专用网和交换设备。
高速数字专用网:根据系统要求, 可以有多种拓扑结构、多种控制协议的专用网络可以选择。但它们都需要满足高带宽、低延迟的特点, 这是因为系统中存在着多种数据信息 (数字视频数据、数字RGB数据、Vlink数据等) , 而每一种数据又不一定只有一路信号, 而可能是多路同时在网路中传输, 故而系统的数据吞吐量是相当大的, 必须低延时地将海量数据传输到目的节点。
千兆交换机设备:它应用在采用以太网技术的专用网络中, 属于系统专用网络的一部分, 完成网络交换调度的工作。它采用将共享的局域网进行有效的冲突域划分技术, 各个冲突域之间用交换机连接, 以减少CSMA/CD机制带来的冲突问题和错误传输。通过在数据的始发者和目的接收者之间建立临时的交换路径, 使数据帧直接由源地址到达目的地址。采用以太网交换机可以尽量避免数据包的碰撞冲突, 极大的提高以太网的数据传输率和确定性。
3.4 信号采集平台
信号采集平台包括应用图形服务器、视频服务器、RGB服务器和VLink服务器, 完成对模拟视频和数字图形、图像、视频信号、数字RGB数据、Vlink数据等的采集工作。每一类设备可能只是一台, 也可能有多台, 每一台设备可接入的信号也可能是多个。这完全视实际需要而定。
应用图形服务器和Vlink服务器:分布式全数字多屏处理系统支持VTRON独创的快速网络显示软件VlinkExpre s s, 通过和VTRON开发的虚屏软件的结合, 实现本地计算机高分辨率画面的网络显示方式。对于客户的信号系统和ISCS系统服务器的高分辨率图形显示, 传统只能显示显卡输出的分辨率到DLP大屏显示, 而现在通过VTRON的虚屏软件, 将虚拟出一个高达拼接墙整墙分辨率的虚拟桌面, 应用系统运行在虚屏上面, 网络抓屏软件VlilnkExpress软件通过网络的方式实现了高分辨率图形在DLP大屏幕系统的显示, 很大程度降低了依赖多屏处理器系统处理的局限, 为客户的显示提供了非常好的灵活性。
视频服务器:视频服务器主要实现对模拟视频信号的采样和数字化, 然后将每一帧信号进行压缩, 通过TCP/IP实时的传送到目的显示信号处理部件。通过压缩可以大量的减少数据量, 其过程既可以采用软件方式也可以采用硬件方式实现, 可以实现几路视频信号的同时压缩。
3.5 显示平台
显示平台是由显示单元组成的拼接显示系统, 其显示分辨率随拼接单元数增加, 显示内容 (窗口) 不受单元边界限制, 可任意缩放、移动和叠加, 可有各种特技显示方式。此平台可分为显示部分和单元信号处理部分, 每个显示单元包括一个显示信号处理部件和一个显示部件。本部分是分布式数字拼墙系统的重点, 因为正是该部分完成了分布式信号处理的功能, 而这也是本系统区别于从前系统的最大特点。
显示信号处理部件:显示信号处理部件采用专用单板机来实现, 它接收网络传输过来的图形、图像、视频等多种显示信号和窗口叠加、拼接、缩放等多种控制命令, 分别对不同信号进行相应处理。对视频信号、数字RGB信号和Vlink信号等, 完成信号的解压缩处理;然后根据信号的叠加、拼接、缩放等控制命令完成相应的操作, 生成全屏的数字图像信号, 通过DVI接口传输到显示部件。具体来说, 此部分具有的基本功能可以分解如下:
实际上, 显示部件的显示部分可采用投影显示器、平板显示器、LED显示器等。如采用DLP显示单元, 显示单元的核心投影机芯采用工业设计, 支持7×24小时连续不间断工作模式, 而且具备内置信号处理器, 能够直接接入全制式的视频信号、800×600~1600×1200分辨率范围的RGB信号和1080p/1080i/720p的格式的高清信号, 所有输入信号均可以实现象素级缩放、整墙的漫游、叠加等PIP的功能。
3.6 系统可用性
于拼墙系统都是应用在要害部门的大型监控中心, 作为整个控制系统的一个组成部分而存在, 因此它的安全性和生存性是一个非常重要的问题。控制网络可用性表现在系统处于非正常状态下, 能维持基本的服务和功能以及保护基本的设备和资源, 不造成灾难性的后果。
3.7 系统扩展性
基于远程视频监控应用的需要, 分布式数字处理系统所提供的分布式网络解决方案能最简单的接入更多的信号画面, 在不做任何系统变更的情况下整个系统能够实现所有IP视频信号源的连接和对其中400路以内的视频信号 (CIF格式) 进行同时显示处理。对于不同IP编码协议的信号源, 也仅需要进行对应的控件开发和加载既能升级。以后需要扩展接入更多的IP流媒体视频信号时, 只要将信号直接接入网络即可, 有效地降低系统的成本。
4 应用
例如在某市公安110大屏幕系统中, 由6列4行 (俗称6X4) 67寸24个屏组成, 含有24个节点机、一台H3C千兆交换机、32个视频服务器、一台桌面服务器、一台RGB服务器、一台主控服务器, 一台控制电脑。为了兼顾传统的模拟信号的输入, 保留了一台24入24出的RGB矩阵和一台64入32出的视频矩阵。如图所示:
控制电脑就是用户操控平台的用户层, 通过VWAS软件的控制完成信号的调用。通过视频服务器接入海量的IP视频信号源在大屏幕上显示。比传统的光纤传送的远程视频信号源, 更方便地进行显示控制。在部队、公安、高速公路、轨道交通、石油和电力 (特别是无人值守的站点) 等行业的应用上更显示出其优势。
5 结语
本文对分布式数字拼墙系统概念和特点进行了介绍, 然后对分布式数字拼墙系统的各个功能部件的功能进行了分析, 最后根据分布式拼墙系统应用领域特点提出了整个系统应具有的一些特征。目前, 分布式全数字拼墙系统已经在许多的实际工程项目中得到应用, 如:公安系统、地铁系统、电力系统等。分布式数字拼墙系统是一个全新的技术领域, 在业界是一个创新。
摘要：本文首先对分布式数字拼墙系统概念和特点进行了介绍, 然后对分布式数字拼墙系统的各个功能部件的功能进行了分析, 最后根据分布式拼墙系统应用领域特点提出了整个系统应具有的一些特征。分布式数字拼墙系统是一个全新的技术领域, 在业界是一个创新。
关键词：分布式,全数字,拼墙系统
参考文献
[1]何炎祥编.分布式操作系统.高等教育出版社.
全数字化系统 篇11
来自IDC的《2016年全球IT行业预测报告》显示，67%的CEO表示，到2017年底时，全数字化转型将成为公司的战略核心。到2019年，75%的制造价值链将采用互联的流程、资产、产品和服务来提高响应能力和工作效率；到2018年，全球将有220亿部物联网设备。
企业希望能够迅速采取行动，以便能够充分利用新的机遇，但数字化转型对网络的依赖，使安全风险也同步加速。
羁绊
71% 的高管认为对网络安全的担忧正在阻碍其组织内的创新，近 40% 的高管表示，他们曾因网络安全问题停止过任务关键型计划。
以上数据来自思科对1014名财务和业务部门的企业高管所进行的一份调查，这些企业遍布澳大利亚、巴西、加拿大、中国、法国、德国、印度、日本、英国和美国10个国家。
如果缺乏有效的网络安全战略，公司的创新和增长也将会受到影响， 因为这会阻碍数字产品和业务模式的发展。
数字化时代，安全威胁的攻击面越来越广、威胁源越来越多，攻击的复杂度也日益提高。应对安全风险的产品越来越多，安全的解决方案越来越碎片化。市场调研公司ZK Research的一项调查显示，企业目前平均采用32个安全厂商的设备。然而，防御的效果真的是越多产品的叠加就越好吗？
“企业级用户为了解决一种新型威胁，通常的做法是会采用一款新的安全产品来加强防御。随着威胁数量日益增多，所部署的安全产品数量也不断增多。企业级用户面临的整体复杂性不断攀升，可管理性却在不断下降，调用某款安全产品的效率也随之降低。”思科大中华区安全业务总经理庄敬贤解释道，“随着企业级用户部署的安全产品数量的增加，能够提供给用户的防御力和其构成的复杂性之间存在一个安全有效性的缺口。”
突围
“65%的CEO提到他们的风险管理方法是落后的。” 来自Gartner全球主管研究部门的高级副总裁Peter Sondergaard表示。在控制因安全产品数量增加而造成的复杂性的同时，如何让每一款安全产品本身的安全能力得到有效提升，让网络安全的防御力与设备复杂性之间的安全有效性缺口得以弥合？
对此，Peter也给出了解决建议，“为了应对每天都会出现的新的安全漏洞，企业应该对检测和响应进行更多的投入，从之前的90%防御+10%检测/响应过渡到60%防御+40%检测/响应。”
这与思科的安全理念不谋而合。“思科有一个全局架构的理念，在攻击之前、攻击中和攻击后的每一个环节都能够把我们对安全的理念通过技术来实现。”思科全球副总裁、大中华区首席技术官曹图强说。
过去3年，思科投入了几十亿美元进行收购，整合与研发了与有效安全相关的产品。思科CEO罗卓克（Chuck Robbins）在接管思科的第一年完成了15次收购，其中4次的收购对象是安全公司。目前，思科专门负责网络安全的人员有5000人。
思科未来的目标是希望做到防御力跟复杂性成正比，弥补安全有效性缺口的解决方案包括集成化、整合化和自动化三个环节。
“到现在为止，企业90%的时间以上花在攻击前加固防御，但再强的外围防御也会有被突破的可能，我们必须接受这个现实。攻击发生时对攻击的定位、定类，响应和隔离，攻击后如何分析、报告，再把攻击中学到的东西放到攻击前的加固和防御上。”庄敬贤补充道，“这个循环周期就是思科提出的全面防御概念，针对企业的完整网络架构，包括终端，包括分支、边线、园区网、数据中心云、运作技术在内的全面覆盖。”
网络安全的基础已经不再是安全应用硬件，其基础正在转向对数据的收集、分析和洞察。思科看到了企业全数字化转型的趋势，面对新的安全威胁挑战，思科的策略是按照应用场景部署，不止做单点防御，通过数据、联接、安全、大数据分析、自动化这五个层面综合的核心价值，去帮助企业用户实现战略发展。
全数字化系统 篇12
铝电解是电解槽通以大电流将氧化铝粉电解成金属铝的高耗能生产过程。近几年来, 国内铝电解行业为了适应市场经济的需求, 正向高产量、大电流、大功率方向发展, 开发大容量的铝电解槽是当今国内铝电解行业的主导方向。
整流技术及设备与大型预焙电解槽控制、超浓相输送技术并称为铝电解工业的3大核心技术。铝电解工艺生产制度要求采用恒电流供电, 这样可以提高电流效率, 降低吨电耗, 延长电解槽运行寿命, 具有显著的经济效益, 所以整流电源是电解铝厂的核心装置, 其整流效率、稳流精度和供电可靠性直接关系到铝电解的原铝综合电耗。
据业界公认的看法, 以下两个方面是电解铝节能降耗的的主要途径:
(1) 采用微机控制铝电解生产过程, 节能降耗。针对电解槽控机而言, 实现智能化模糊控制, 保证电流平稳, 控制阳极效应的发生频率, 起到节能降耗的目的。
(2) 铝电解整流机组的经济运行, 节能降耗。针对整流控制而言, 保证整流机组合理化运行, 减少损耗, 控制电流输出平稳, 提高整流效率。
在电解槽控制方面, 目前长沙业翔、中铝郑州研究院等厂家及机构相继开发出成熟的电解槽模糊控制系统, 现场运行效果也较为理想。而在整流控制方面, 相比较而言, 引进国外设备价格过高, 国内设备采用的整流技术较为落后, 尚无成熟的产品。
1铝电解行业电源特点及现状
1.1铝电解行业电源要求
平稳、精确的电流强度是铝电解生产线工艺的要求。当今的电解铝生产线追求高的电流效率, 已远远不满足于只要有足够的直流电能就能粗放地生产, 而是每台槽都设有智能槽控箱, 并由该控制箱的单板机控制该槽的电解生产工艺参数, 诸如加料、升抬阳极、控制铝水平、控制氧化铝浓度、槽温等精细的受控因素。电解槽内的温度近1 000 ℃, 电解槽工况的一次测量仪表至今尚未成熟, 槽况的各项参数都是以通过该槽的电流强度和在该槽上形成的电压为基础再用数学模型间接得到的, 在此基础上再调节控制, 追求好的电流效率和低的能耗指标, 而平稳的精确的电流控制无疑是槽控的基础和保证。
整流控制技术作为铝电解工业3大技术核心之一, 电流的平稳输出直接影响着铝电解的工艺指标, 电流稳定导致吨铝电耗的变化同样影响着铝电解的经济指标, 其重要性不言而喻。
1.2国内整流电源的发展
国内整流电源的发展见表1。
2自动稳流的节能原理
由于铝电解槽的阳极效应及供电系统的电压波动, 引起电解系列电流不同程度的波动, 而电流波动主要在以下几个方面影响铝电解的生产。
2.1系列电流波动导致电流效率下降
系列电流波动对槽电压及电流效率有直接影响, 电解槽内阴极金属液面由于电磁力的作用被歪斜了, 在电解槽的中心部分, 由于垂直电流与固有磁场的相互作用产生的收缩力使金属突起。而使金属镜面倾斜和隆起的力与系列电流的平方成正比, 金属镜面的最大突起部分的摆动振幅决定于系列电流的波动值和初始 (额定) 倾斜值。要消除金属镜面的摆动, 必须使系列电流完全稳定。
在系列电流无稳流装置时, 金属液面的摆幅增大, 电解槽不能工作在设定的理想极距下, 而是加大阴阳极间不致短路的最小极距, 由此导致槽平均电压约增加2%, 于是增大了电解槽的功率。在这样的电流下电解槽的热平衡使电解质保持在较高的温度, 从而使电流效率降低, 一般下降2%～2.5%。
2.2系列电流波动导致电能单耗增加
根据法拉第定律, 单位时间内的铝产量与其槽电流平均值成正比, 而回路内的电能损耗是与回路内的电流有效值成比例。当电流波动时, 回路电流有效值总是大于平均值, 只有当电流波动值为零时, 电流的有效值才等于电流的平均值。所以电流波动使电能损耗增加, 这一消耗导致吨铝电耗的增加。
据前苏联动力工业研究所测试调查得出的结论, 没有自动稳流装置, 铝厂的年电能消耗将增加3%。
2.3系列电流波动导致阳极效应频率增大
在没有自动稳流装置的系统中, 系列电流的波动将导致同时产生多个阳极效应的概率增大, 从而使电流波动幅度增大, 进而又会提高阳极效应的频率。阳极效应发生时, 槽电压升高导致阳极电流密度增大, 致使槽温迅速升高。一般而言, 温度每升高10 ℃, 电流效率降低1%, 而且效应发生使得铝在电解质中的二次反应加剧, 严重降低电流效率。
另外, 电流波动时由于集肤效应而使电解槽内电流分布不均, 导致阳极各部分消耗不同, 出现底掌不平, 甚至造成阳极局部脱落;同时电流波动过大也使得计算机的采样误差增加, 影响槽控机的控制精度。
由此可见, 铝电解整流控制系统中, 设置自动稳流装置是非常必要的, 采用自动稳流装置对于改善铝电解生产指标、降低电耗具有重要意义。晶闸管整流装置配以自动稳流控制是当前铝厂供电整流的最佳方案。
3大屯铝业全数字整流控制系统构成
3.1全数字整流控制系统构成
江苏大屯铝业全数字整流控制系统 (图1) 是由江苏大屯铝业有限公司与中国矿业大学共同研制开发的, 是国内第一家自主开发的基于SIMADYN D技术的铝电解整流控制系统。
全数字整流控制系统具备大容量可控硅变流装置所需的电流调节、闭环控制与整流机组保护功能。同江西九江整流器厂生产的KES-2×43 KA/780 V大容量变流装置整流柜配套, 在江苏大屯铝业有限公司230 kA整流机组研制成功并投入使用。
该系统由1台总控柜、4台控制柜及1套工业控制计算机组成, 总控柜可以采用Profibus-DP、MPI、RS232C等通讯协议与外部设备进行通讯, 控制柜能够对各自的整流机组进行继电保护和稳流, 总控柜与控制柜之间采用现场总线方式进行通讯来传递数据, 实现信息共享与自动化。主控制室设一台上位机, 采用WinCC构建整流系统过程可视化监测平台。
江苏大屯铝业全数字整流控制系统由3部分组成:
第一部分为稳流控制系统。
稳流控制系统采用SIEMENS SIMADYN D作为控制核心, 实现电流给定和晶闸管闭环控制功能。稳流控制系统也是整套全数字整流控制系统的核心和技术关键点。
第二部分为继电保护系统。
采用SIEMENS SIMATIC系统S7-300可编程序控制器和TP170A人机界面, 实现整流柜继电保护、故障报警、电流分配、MR开关调档及状态显示等任务。
第三部分为可视化监测系统。
采用SIEMENS WinCC6.0构建上位机组态系统, 实现整流柜系统的过程可视化监测及报警系统。
3个系统之间采用SIEMENS开放式总线, 5台S7-300之间采用Profibus-DP总线, SIMADYN D与S7-300之间采用PTP通讯协议, S7-300、TP170A与PC采用MPI通讯协议。由此建立了基于SIEMENS的分布式结构系统。
3.2控制系统数学模型及原理
全数字整流控制系统电流调节原理如图2所示。从中可以看出系统包括电流给定部分、给定积分部分、电流调节部分、同步信号部分、脉冲发生部分、脉冲放大部分、降压变压器部分、整流变压器部分、整流器部分、电流测量部分、测量信号滤波部分及负载等组成。
根据图2, 可以建立整流控制系统的动态模型, 即对于上述各个部分进行分析, 确定每一部分在系统中的作用与地位, 运用数学工具分析几个主要组成部分输入输出之间的函数关系。
电流调节系统的动态结构图如图3所示。从该结构图中可以看出, 系统包括电流给定、给定积分器、电流调节器、可控硅整流器、阳极效应等扰动电压、负载 (电解槽) 、电流测量与滤波等主要部分的数学模型。
在图3中, 各个参数的含义如下:
Ig为给定电流, τi为电流调节器时间常数, τs为可控硅失效时间常数, τR为电解槽系列等效时间常数, τoi为电流反馈滤波时间常数, Ki为电流调节器比例常数, Ks为可控硅整流器放大系数, R为铝电解槽系列等效电阻, Id为整流装置输出电流值, Ud为整流装置输出电压值, ΔUd为阳极效应等扰动电压值, α为电流反馈系数。
3.3SIMADYN D稳流单元功能设计
SIMADYN D全数字控制系统于20世纪90年代中期进入中国, 成功应用到铁矿、金矿、铜矿和煤矿的直、交流传动系统上, 且性能很好。江苏大屯铝业有限公司审时度势, 以科技创新为主导思想, 并对“是否可以将先进的SIMADYN D系统运用到铝电解整流控制系统”进行了多次调研和可行性论证。
一般来说, 电解铝整流控制系统的功能要达到:当电解工艺发生效应时, 控制系统要迅速使整流器输出的电流增加到期望值以满足实际的需要, 即控制系统的反应速度要快。调速系统所用的电源是时变的, 对控制系统的快速性要求也很高, 而具有多CPU控制、实时、多任务并行处理功能的SIMADYN D控制器正是针对控制领域的快速开闭环控制及变流器控制而开发的。因此, 将SIMADYN D全数字控制器应用到电解铝整流控制系统中, 从控制的角度来讲是没有问题的。
SIMADYN D控制系统的硬件和软件完全采用模块化设计, 可以根据控制任务的大小任意配置系统的硬件和软件。如图4所示, 为大屯铝业SIMADYN D控制系统的硬件配置结构图。该系统由PM5、ITDC、MM3、CS7、SS4、SS52、SE20.2组成。
大屯铝业整流系统采用有载调压整流变压器及大功率晶闸管整流机组, 将220 kV的电网电压通过整流变压器及MR有载调压开关降到与系列电压相应的交流电压, 再通过三相桥式晶闸管整流器变为可在一定范围内调节的直流电压。
整流控制系统中的SIMADYN D控制器实现其电流闭环调节功能, 通过对晶闸管导通角的控制, 实现输出直流电压的快速变化, 由于取消了机械传动的调压系统, 而改用SIMADYN D微处理器电路及其专业变流功能程序控制调节, 其动态响应速度仅为几ms, 因而任何外部的电网波动、阳极效应等的扰动所引起的系统电流变化, 均可通过SIMADYN D迅速调节输出电压而保持系列电流的稳定, 其稳流精度可达1‰。系列电流曲线几乎呈一条水平直线。
在控制方式上, 由于SIMADYN D控制及晶闸管自身极其快速的调节和关断作用, 辅之逻辑控制的应用程序, 当并联运行的4台整流机组中的任意1台因人工或事故跳闸时, 整流控制系统可自动迅速的将总电流分摊到其他的3台机组上, 维持系统总电流不变, 保证了电流的输出平稳。
此外, 晶闸管整流装置在发生故障时, SIMADYN D控制器在10 ms内快速自动将该柜的脉冲封掉, 即将输出电流降到0, 从而使断路器实现无载分闸, 这将极大地降低断路器的维护工作量, 同时也保证了变压器的使用寿命。
3.4全数字控制系统的科研价值
全数字控制系统具有稳流精度高、响应速度快、控制方式灵活多样、可靠性、维修量小、技术经济性价比高等特点。
就整流器而言, 晶闸管整流器显然贵于二极管整流器, 但就整个整流系统而言, 由于SIMADYN D的调节范围大, 在有载调压方案上采用35级调压, 大幅减少了整流变压器的造价。而二极管稳流方案中配上饱和电抗器, 价格昂贵。因饱和电抗器调压范围所限, 方案需采用79级调压, 因此需要配置相应79级MR开关, 其造价比35级有大幅攀升。根据引进询价了解, 采用晶闸管稳流方案的整流系统造价比同规格二极管稳流方案减少5%左右。而运行期间, 晶闸管稳流方案的节能、低维修量的优点可获得更大的长期利益。
大屯铝业铝电解整流控制系统在技术上实现了三项重大突破:
(1) 真正意义上的全数字整流控制
将先进的SIMADYN D全数字控制系统首次开发运用到铝电解大电流整流系统上, 并取得了成功, 实现了真正意义上的全数字整流控制。
(2) 独特的阳极效应处理方式
摒弃了阳极效应发生时频繁调节MR有载开关的控制方式, 通过SIMADYN D全数字控制系统快速的闭环调节功能实现系列电流实时自动分配, 有效地解决了阳极效应电压短时升高对整流变压器的要求, 保证了电流的平稳输出。
(3) 先进完善的SIMENES集成架构
整流控制系统从核心的SIMADYN D稳流控制系统、S7-300可编程序控制器和TP170A人机界面构成继电保护系统, WinCC6.0构建上位机组态系统, 3个系统之间采用SIEMENS开放式总线, 通过Profibus-DP、MPI等通讯协议。构建了基于SIEMENS的分布式结构系统。
这三大技术突破和特点也使得大屯铝业全数字整流控制系统成为铝电解整流控制领域一个划时代的产品。
4整流控制系统的应用及节能效果
目前大屯铝业全数字整流控制系统已运行2年多, 系统运行状况良好, 整流效率达到行业先进水平, 稳流效果显著。
大屯铝业电解铝全数字稳流控制系统凭借晶闸管μs级的响应速度和SIMADYN D 1‰的稳流精度, 极大程度的保证了电流的平稳, 改善了电解生产指标, 有效地降低了吨铝电耗。
4.1降低吨铝电耗减少成本
系统投入后, 电流波动减小, 电流平稳, 电解槽工作在理想极距下, 从而电流效率提高约2%。
按设计产能电解槽178台, 年产铝10.6万t, 吨铝直流电耗13 600 kW/h计算:
每年可节电 (10.6万t/年产能)
13 600×2%×10.6×104=2 883.2×104 kW/h
4.2降低阳极效应减少损失
全数字整流控制系统投入后, 系列电流波动减小, 电流平稳, 阳极效应发生的概率随之减小。
同时SIMADYN D系统在处理阳极效应上的独特控制方式 (不依赖于MR调压开关而是通过SIMADYN D控制系统的电流闭环调节) , 从而有效避免阳极效应发生时冲击电流造成的电能损耗, 根据冲击电流计算公式:
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式中 Idcx为无效应时的系列电流值;NX为电解系列同时发生阳极效应的个数;ΔuCX为一个阳极效应电压值, 取30 V;NXC为系列生产总槽数;uP为一个电解槽的平均电压, 取4.3 V;EF为电解槽分解电压 (反电势) , 取1.25 V。
在178台电解槽, 10万t/年产能情况下, 178台电解槽运行时一个效应冲击电流为
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按系统正常运行时阳极效应系数平均为0.3, 效应5 min计算, 每天降电流时间为
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每天可节省电耗 (10.6万t/年产能)
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综上所述, 全数字整流控制系统的设备投资较少, 按10.6万t/年产能计。每年降低电耗4 638.9×104 kW/h, 节能效果显著, 经济效益可观。
5结束语
江苏大屯铝业铝电解全数字整流控制系统, 是国内第一家自主开发的基于SIMADYN D技术的铝电解整流控制系统, 这一成果使铝电解整流控制水平达到一个新的高度, 也标志着铝电解整流控制技术上进入一个新的阶段。
全数字整流控制系统具备大容量晶闸管变流装置所需的电流调节、闭环控制与整流机组保护功能。控制系统采用SIMADYN D作为控制核心, 使得系统的稳定精度、控制范围及反应速度达到质的飞跃;独特的阳极效应处理方式颠覆了传统的MR开关调节, 使得系统更加节能、稳定和可靠;完善的SIEMENS集成架构, 从可编程控制器、变流控制系统、人机界面到过程可视化系统, 形成了基于SIEMENS架构的产品线, 有效地保证了系统的完整性、兼容性、先进性及可靠性。
全数字整流控制系统于2004年10月在江苏大屯铝业投用至今, 安全稳定运行, 控制系统未出现一次事故, 说明了系统的稳定性和可行性。电解槽整流效率达到行业先进水平。节能效果显著, 经济效益可观, 极具推广价值。
摘要：介绍了电解铝整流技术的原理, 大屯铝业全数字整流控制系统的集成架构及其硬件、软件组成, 功能设置及控制原理;介绍了稳流控制系统、集成控制系统、可视化监测系统的构成及功能, 以及作为行业创新成果在实践中应用的显著效果及取得的可观效益。
关键词：控制系统,稳流,全数字控制,阳极效应,SIMADYND
参考文献
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