变电站远程图像监控系统的应用

北京电力设计院（100037） 姜 欣  北京电力公司变电公司（100054） 熊洋静
摘要：介绍了变电站远程图像监控系统的基本原理、结构和功能要求，并结合我国电力通信网络建设的现状，提出了变电站图像监控系统在电网运行中的两种实用的应用方案，并进行了比较，指出了以太网的方案是图像监控系统的发展方向。
关键词： 变电站远程图像监控、无人值班变电站、数字图像压缩
0 引言
    随着无人值班变电站技术的不断发展，已经实现了对远方变电站的遥测、遥控、遥信、遥调，即“四遥”功能。而变电站远程图像监控系统是对“四遥”功能的进一步补充——“遥视”, 它是通过视频的方法，直接观察监控目标，如变电站中的配电装置、主变、设备间、电缆室等，监视并记录变电站的设备的运行以及安全情况，并提供事后分析事故的有关图像资料，同时它还具有火灾报警、安全保卫等功能，对提高无人值班变电站的管理水平和安防水平大有益处。因此，我国越来越多的地方电力局采用远程图像监控技术作为无人值班变电站管理的新手段。
1 数字图像传输的基本原理
数字远程图像监控技术是随着现代电子、通信、网络和计算机技术的迅速发展而产生的新技术，它与会议电视、可视电话在技术上有共通之处，核心都是利用数字图像压缩技术实现视频通信。整个远程图像监控过程大体可分为视频采集、数据传输、信号接收三部分，其简单流程可以看出，为了使采集到的模拟视频信号转变为数字信号在数字信道上进行传输，需经过以下几个步骤:
①数字化，即将来自摄像机的模拟视频信号转换成数字信号。
②数字图像压缩编码，即对数字化后的高速图像数据进行压缩编码，便于在数字信道上传输。
③数据复合，即将压缩后的数字图像码流与其他如控制、报警等数据进行复合，并加入纠错编码，形成统一的数据流。
④信道接口，用于将数据发送到通信网的接口设备。
在接收端则是上述过程的逆向过程，经解压缩后的图像数据可经复合后在电视监视器上显示或直接显示在计算机屏幕上。
2 变电站远程图像监控系统的组成结构
   变电站远程图像监控系统一般可分为前端（厂站端）设备、通信设备和后端（主站端）设备三大部分。
   前端是由摄像机、报警设备（红外报价探头、烟感报警探头等）、云台镜头控制器、照明灯具、灯光控制器、前端监控主机（编码器）等设备组成。云台镜头控制器用来控制摄像机的转动及镜头的变焦和聚焦，同时具有视频切换和报警接收功能。灯光控制器用来控制照明灯光，从而保证在光线不足的情况下或晚间也能获得清晰的图像。前端监控主机一方面将切换后的视频信号数字化，并进行图像压缩编码，再将压缩后的视频、报警等数据复合后通过通信信道经监控服务器发送到主站端监控接收主机；另一方面，前端主机接收来自主站端控制主机的控制信号，实现云台、镜头、灯光等控制，以及进行报警的布防和撤防。
   通信设备是指采用的传输通道和相关设备，可以是以太网、ISDN、DDN、电话线等形式，传输媒介可以是光纤、微波、电话线等。由于图像信号的数据量大，如标准CIF图象1秒钟的数据率为352(图象宽)×288(图象高)×25(1秒钟的桢数)×3(真彩色)×8(1字节8比特)＝60兆比特，即使经过30多倍压缩，1秒钟的数据率也有2兆比特，所以建议传输通道选择E1(2048bps)通道或光纤广域网络。随着近几年我国信息产业的发展和国家对电力系统技术改造的大力投入，电力企业的通信条件已经发生了巨大变化，大部分电力局已经具有了光纤网络，并在建设时都预留了图像通道，这就为变电站远程图像监控技术的应用提供了良好的实施基础。如北京地区500kV、220kV变电站都具有2Mbit/s带宽的图像通道，城近郊区各变电站到集控站都要求有2Mbit/s或384KMbit/s带宽的图像通道。
   后端设备主要由视频监控服务器和若干监控主机组成，来自不同前端的数据，通过通信接口接入视频监控服务器，由监控服务器将其转发到后端通信网上，这样，在通信网上的计算机均可配置成监控主机，可由多个用户同时进行监控，每个用户可同时监控一个前端，也可一个用户同时监控多个前端。视频监控服务器除转发视频等数据外，还能完成对整个监控系统的管理，如优先权、用户权限、日志、控制协调、报警记录等。
 3 变电站远程图像监控系统的功能
   ①图像监视功能。在监控主站上能灵活、方便、清晰、实施地监视任一路摄像机的画面，并对其云台和镜头进行控制。监视范围包括：主设备和辅助设备的运行状态、复查开关设备的操作结果、注油设备的油位、站内要害部位（设备间、无人值班的主控室、站区大门处、储油设施、水泵房、蓄水池等）。
  ②灯光控制功能。
  ③安防和消防报警功能。一旦发生盗警、火警，远程图像监控系统可以让值班员实时监控盗警、火警情况，并通过图像记录，为公安机关和管理机关提供证据。当火警发生时，值班员可以通过实际观察现场情况，以确定是否启动站内水喷雾系统，避免水喷雾系统误动造成重大经济损失。
  ④数字录像功能。[Page]
  ⑤摄像机的预置功能。如果一台摄像机要监视多个目标点，带预置功能的一体化摄像机是一种很好的选择，它能预置多个监视位置的云台和镜头参数，使用时能方便、快速地转动预置点，并自动调整好镜头的焦距和图像的清晰度。
  ⑥警视连动功能。在发生报警时，监控主机上的图像应能自动切换到相应的摄像机，有预置功能的摄像机还能自动转到预置点，并自动启动数字录像。
  ⑦超温监测功能。图像监控系统应配备金属热感探测器或专用的红外测温探测器，能自动进行超温检测和报警。
  ⑧多路分屏实时监视功能。系统能在一台监视器屏幕或电视墙上同时实时显示多路来自不同变电站的图像。
⑨同时监视功能。多个监控终端能同时监控同一或不同前端。
  ⑩系统管理和记录功能。包括优先等级和使用权限的设置、用户操作的记录、控制权的自动协商等。
4 变电站远程图像监控系统的实用模式
   针对我国电力系统的信道特点，以下的两种变电站图像监控系统的应用方案具有相当的实用价值：
①矩阵方案：
厂站：前端由CCD摄像机、三可变镜头、云台、红外报价探头、烟感报警探头组成，中间由矩阵主机、画面分割器、图象编码器组成，后端是光端机。如图2。
主站：由光端机、图象解码器、监视器组成。如图3。
这是较传统的图象监控方案。在用户资金紧张时推荐。
 
                            图2 矩阵方案(厂站端)


 
                          图3  矩阵方案(主站端)
②以太网方案：
厂站：前端由一体化球形摄像机、红外报价探头、烟感报警探头、以太网图象编码器组成，中间是以太网集线器、网桥、硬盘录像机，后端是光端机。如图4。
主站：由光端机、图象解码器、大屏幕显示系统组成。如图5。
 
图4  以太网方案(厂站端)
 
                    图5  以太网方案(主站端)



二种方案对比：
项目    以太网方案    矩阵方案
1    球形摄像机    抗污染、抗电磁干扰能力强可以工作在污染严重、电磁干扰强有温控能力，可工作在环境温差大的恶劣条件清洗维护方便    CCD相机、镜头、云台组合    机械部件暴露，防污能力差，清洗维护困难，对环境温度适应性差
2    一对一的以太网编码器，集线器    每路图象都可以上以太网，方便多用户同时观察图象    矩阵主机、画面分割器、图象编码器    同一时刻只有一路图象可以上传主站，不支持多用户浏览。3个设备串行连接，1个出问题，则系统瘫痪
3    硬盘录像机    可以报警探头触发、图象运动触发录象，主站可以查询录象资料。硬盘空间循环使用，不需更换磁带        没有录象功能事故后无法无法分析
4    大屏幕显示系统    显示画面数平米。清晰度高    监视器    显示画面小
5        可以直接上主站以太网，图象没有损失，质量高        通过图象采集卡上主站以太网，图象多次压缩、解压缩，损失大
从以上2个方案看出，以太网方案代表了图象监控系统的发展方向，具有图象清晰，使用灵活，性价比高的特点。
5结语
    变电站远程图像监控系统虽然增加了变电站的初期造价，但是它的实际应用将大大有利于变电站特别是无人值班变电站的安全运行、事故处理和生产管理，对电网的安全、稳定生产有着重要意义，它与变电站站内的综合自动化系统的有效结合，才能实现真正意义上的全天候无人值班变电站。
 




参考文献
1．孔俊宝。数字会议电视系统。电视技术，1998（6）。
2．叶念国。遥视警戒系统的实践。电网技术，1999,23(10).
3．罗毅，涂光瑜，张锦辉。变电站信息数字化综合传输方案。电力系统自动化，2001，25（8）。
4．张锦辉、罗毅，涂光瑜。多媒体主站系统设计。电力系统自动化，2001，25（11）。

作者简介
 姜欣  男，工程师，1997年于东南大学（原南京工学院）获电力系统自动化专业学士学位，同年到北京电力设计院从事变电站一、二次电气设计工作一直至今。

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熊洋静  女，工程师，1997年于杭州电子工业学院获计算机专业学士学位，同年到北京电力公司变电公司从事变电站运行管理工作。

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