變電站遠(yuǎn)視系統(tǒng)的研究

變電站遠(yuǎn)視系統(tǒng)的研究

1　引言

隨著電力產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，中國正在進(jìn)行“網(wǎng)廠分開、競價上網(wǎng)”的改革，以便開放電力市場，引進(jìn)競爭機(jī)制，降低發(fā)電本錢，公道利用資源，并終極使用戶獲利。而電力市場不斷完善后，將答應(yīng)用戶參與電力市場的競爭，生產(chǎn)調(diào)度與市場交易一體化，調(diào)度的作用和地位進(jìn)一步進(jìn)步。這就要求變電站實(shí)現(xiàn)無人/少人值守，裁員增效。

根據(jù)我們的了解，目前國內(nèi)只有廣東、江蘇等發(fā)達(dá)省份的部分變電站實(shí)現(xiàn)了“四遠(yuǎn)”(遠(yuǎn)測、遠(yuǎn)信、遠(yuǎn)控、遠(yuǎn)調(diào))和無人值班(實(shí)在是無人值班，有人值守模式)，調(diào)度值班職員在遠(yuǎn)方控制中心即可能對變電站的各類電氣參數(shù)進(jìn)行監(jiān)視，對斷路器與電動刀閘進(jìn)行控制。遺憾的是，四遠(yuǎn)不涉及變電站環(huán)境(如防盜、防火、防爆、防漬、防水汽泄漏等)的監(jiān)控內(nèi)容，人們對這種“無人值班”心存疑慮。電阻測試儀| 電阻計(jì)| 電表| 鉗表| 高斯計(jì)| 電磁場測試儀| 電源供應(yīng)器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測試儀| 電容表|

隨著多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)通訊技術(shù)的不斷成熟，數(shù)字視頻技術(shù)的日臻完善，現(xiàn)代數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)的發(fā)展，使得數(shù)據(jù)傳輸速率和帶寬不斷向上突破，為視頻監(jiān)控技術(shù)的研制提供了必須的基礎(chǔ)。因此，遠(yuǎn)程圖像控制與信息治理即遠(yuǎn)視系統(tǒng)的研究課題，列進(jìn)了議事日程。

2　設(shè)計(jì)思想

變電站遠(yuǎn)視系統(tǒng)主要是把變電站現(xiàn)場的監(jiān)視圖像、聲音、報(bào)警信號和各種設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集處理，采用先進(jìn)的圖像編解碼壓縮技術(shù)和傳輸技術(shù)，集設(shè)備監(jiān)控、圖像采集、閉路監(jiān)視、圖像監(jiān)視預(yù)告聯(lián)動和視頻圖像等功能于一體的綜合自動化系統(tǒng)。研制該系統(tǒng)時，應(yīng)充分考慮用戶的具體要求和當(dāng)?shù)氐木唧w情況，建立在高出發(fā)點(diǎn)的技術(shù)之上，按無人值班方案進(jìn)行設(shè)計(jì)。

首先，系統(tǒng)應(yīng)能滿足無人值班變電站的要求，具有高度的可靠性和工作的連續(xù)性，可以24h連續(xù)監(jiān)控?cái)?shù)十個變電站。

其次，系統(tǒng)應(yīng)具有多畫面視窗，1～16個畫面任意分割方式；圖像清楚，畫面流暢，徹底杜盡馬賽克、圖像邊沿鋸齒及拖動現(xiàn)象；在保證高品質(zhì)畫面的同時，降低傳輸碼流，實(shí)現(xiàn)了真正的海量存儲。

再者，系統(tǒng)應(yīng)提供透明通道，滿足多種高、低速通訊通道。

3　系統(tǒng)組成

遠(yuǎn)視系統(tǒng)由多個遠(yuǎn)程現(xiàn)場和一個監(jiān)控中心組成，在遠(yuǎn)程現(xiàn)場和監(jiān)控中心之間有PCM 2M通訊線路連接。在每個現(xiàn)場均有若干攝像機(jī)。攝像機(jī)的鏡頭、云臺可控，并可加若干傳感器、警燈、警號等外圍設(shè)備。在監(jiān)控中心可以任意監(jiān)視各個現(xiàn)場，并收集各現(xiàn)場的報(bào)警信息。監(jiān)控中心由中心機(jī)房內(nèi)部的多媒體監(jiān)控主機(jī)和機(jī)房以外的網(wǎng)絡(luò)分控計(jì)算機(jī)組成。

系統(tǒng)可以隨時方便、即時地檢索、回收記錄存貯的圖像，如可按時間、地點(diǎn)(鏡頭)或圖像文件進(jìn)行檢索和回放�；胤艌D像穩(wěn)定、清楚，可反復(fù)讀寫，不存在傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)中所存在的錄像帶的信號衰減和磨損題目。

3.1　系統(tǒng)配置

3.1.1　廠站端

包括攝像機(jī)單元、控制解碼器、視頻矩陣、報(bào)警控制設(shè)備、麥克風(fēng)和音箱、編解碼器等，在有人值守的遠(yuǎn)程現(xiàn)場可以設(shè)置多媒體控制計(jì)算機(jī)，也可以設(shè)置控制鍵盤，這些控制設(shè)備可以控制該現(xiàn)場的攝像機(jī)切換，鏡頭、云臺動作，并且可以處理報(bào)警信息。對于無人值守的現(xiàn)場可以不放置計(jì)算機(jī)，建議放置控制鍵盤。廠站端在系統(tǒng)中的作用是采集現(xiàn)場的各種視頻、音頻、數(shù)據(jù)等信息，并通過編解碼器進(jìn)行處理，將模擬信號數(shù)字化并壓縮編碼，以便于在可利用的數(shù)字通訊線路上進(jìn)行傳輸。同時廠站端還具有把主站端傳輸過來的控制命令解碼后控制鏡頭、云臺等可控裝置。

3.1.2　通訊層

可用光纖、微波、DDN、ISDN、通訊衛(wèi)星、有線基帶調(diào)制解調(diào)器、無線擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)器等，線路接口可以是G.703，V.35，RS449等。

3.1.3　主站端

包括編解碼器、視頻矩陣、音頻矩陣、麥克風(fēng)、音箱，多媒體電腦、監(jiān)視器、網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器及監(jiān)控軟件等。主站真?zhèn)�作用是將通訊線路采集的數(shù)字信號通過編解碼器解碼轉(zhuǎn)化后的模擬信號經(jīng)視頻矩陣進(jìn)進(jìn)多媒體電腦、監(jiān)視器和網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，用于監(jiān)視各個現(xiàn)場，并收集現(xiàn)場的報(bào)警信息，同時供網(wǎng)絡(luò)層傳輸圖形等信號。

3.1.4　網(wǎng)絡(luò)層

即計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng))由局長分控計(jì)算機(jī)、變電站分控計(jì)算機(jī)等各級網(wǎng)絡(luò)分控計(jì)算機(jī)組成。其作用是將網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器上的遠(yuǎn)程現(xiàn)場信號在局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行傳輸，以供局長分控計(jì)算機(jī)等各級網(wǎng)絡(luò)分控計(jì)算機(jī)共享資源。

3.2　系統(tǒng)三大領(lǐng)域

3.2.1　視頻技術(shù)

在很多遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)中，經(jīng)常會碰到的題目是如何遠(yuǎn)間隔傳輸監(jiān)控現(xiàn)場的模擬視頻信號。使用同軸電纜傳輸模擬視頻信號，在間隔上會受到限制，超過幾百米便需要放大中繼，因此，常規(guī)的視頻監(jiān)視系統(tǒng)只適合在一座建筑物內(nèi)或一定區(qū)域范圍內(nèi)使用。此外，常規(guī)系統(tǒng)在一路同軸電纜上只能傳輸單一視頻信號，傳輸控制信號和話音需要單獨(dú)敷設(shè)電纜。遠(yuǎn)間隔傳輸視頻的可行方法是將模擬視頻信號數(shù)字化并壓縮編碼，在可利用的數(shù)字通訊線路上傳輸。視頻數(shù)據(jù)的壓縮和解壓縮，視頻圖像的信息量是巨大的。例如，1幅640×480中分辨度的彩色圖像(24bit/像素)，其數(shù)據(jù)量為0.92MB，假如以每秒30幀的速度播放，則視頻信號的數(shù)碼率高達(dá)27.6Mbps。顯然，視頻壓縮技術(shù)數(shù)字化是壓縮技術(shù)的關(guān)鍵。目前，適用于遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)有H.261，MPEG—1。H.261標(biāo)準(zhǔn)簡稱p×64，由國際電報(bào)電話咨詢委員會(CCITT)的一個專家組在1990年12月制定，MPEG—1則在1992年景為標(biāo)準(zhǔn)。兩者的核心技術(shù)都是離散余弦變換及運(yùn)動補(bǔ)償算法，它的主要思想是通過減少每幀圖像間時間上和空間上的冗余性和相關(guān)性信息來減少數(shù)據(jù)量。H.261適合在64～384kbps的低帶寬下傳輸實(shí)時視頻圖像，但圖像質(zhì)量不理想；MPEG—1在800kbps～2Mbps的傳輸速率下圖像清楚度能達(dá)到較好的圖像效果。用戶可根據(jù)不同的場合和需求選用不同的壓縮標(biāo)準(zhǔn)。由于視頻數(shù)據(jù)流巨大，采用的壓縮方法和格式將對視頻服務(wù)器的性能產(chǎn)生重大影響。在選擇硬件平臺時，還應(yīng)慎重考慮：系統(tǒng)帶寬、吞吐能力、通道數(shù)、在線存儲能力、編解碼器及碼率、聯(lián)網(wǎng)能力等。

3.2.2　網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

數(shù)字化視頻可以在計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)(局域網(wǎng)或廣域網(wǎng))上傳輸圖像數(shù)據(jù)，基本上不受間隔限制，信號不易受干擾，可大幅度進(jìn)步圖像品質(zhì)和穩(wěn)定性；且數(shù)字視頻可利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)聯(lián)網(wǎng)傳輸，網(wǎng)絡(luò)帶寬可復(fù)用，無須重復(fù)布線；另外，數(shù)字化存儲成為可能，經(jīng)過壓縮的視頻數(shù)據(jù)可存儲在磁盤陣列中或保存在光盤中，查詢十分簡便快捷。

3.2.3　通訊技術(shù)

數(shù)字視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)通訊有以下特點(diǎn)：

1實(shí)時性　視頻數(shù)據(jù)屬于實(shí)時數(shù)據(jù)，必須實(shí)時處理，例如：實(shí)時壓縮、解壓、傳輸、同步。
2分布性　現(xiàn)場圖像采集和發(fā)送主機(jī)與圖像接收顯示主機(jī)位于不同地點(diǎn)，通過計(jì)算機(jī)局域網(wǎng)或廣域網(wǎng)連接。
3同步性　盡管視頻信息具有分布性，但在用戶終端顯示時必須保持同步，另外，聲音與視頻也必須保持同步。

目前，TCP/IP網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議是一種即成事實(shí)的產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)為可在各種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中運(yùn)行，也必須采用TCP/IP協(xié)議。然而，TCP/IP協(xié)議用于可靠傳輸，作為結(jié)果，假如你在Internet上向另外一臺計(jì)算機(jī)發(fā)送一個數(shù)據(jù)包，你可以確信它將正確無誤地到達(dá)目的地，但你決不可能得到數(shù)據(jù)將在特定時間內(nèi)到達(dá)的保證。事實(shí)上，數(shù)據(jù)包在到達(dá)目的地前延時數(shù)小時或數(shù)天，在理論上都是站得住腳的。作為視頻傳輸這樣的特例，對時間卻十分敏感，因此必須確保數(shù)據(jù)的實(shí)時性和同步性。國際通訊聯(lián)合會(ITU)和國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETE)設(shè)計(jì)了一個實(shí)時傳輸協(xié)議RTP來解決傳輸實(shí)時性數(shù)據(jù)的困難。RTP一般運(yùn)行在不可靠性協(xié)議層上如UDP(事實(shí)上經(jīng)數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)UDP包的可靠性在99％以上)。每個經(jīng)過RTP傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包中有時間信息和一個相關(guān)的序列號，這個信息使應(yīng)用程序混合音頻和視頻信息相對輕易。由于應(yīng)用程序可以很輕易地決定當(dāng)視頻幀需要略過期將跳到的正確數(shù)據(jù)包號，因此同每個包相關(guān)的時間信息可以平滑同步過程。

在監(jiān)控領(lǐng)域中，數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化是一種趨勢，可廣泛應(yīng)用在電信、電力、交通、銀行、水利、智能大廈等領(lǐng)域。在電信局無人值守機(jī)房、電力無人值守變電站、水文站、銀行營業(yè)所等場所，通常具有以下特點(diǎn)：有重大經(jīng)濟(jì)價值，安全防范要求高，在地理位置上分布較廣或位置較偏僻。利用數(shù)字視頻遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)可在本系統(tǒng)內(nèi)建立監(jiān)控調(diào)度中心，對遠(yuǎn)端現(xiàn)場的圖像聲音及其他敏感數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控以便對敏感事件進(jìn)行快速反應(yīng)。具體實(shí)現(xiàn)的方式是：利用各種數(shù)據(jù)通訊網(wǎng)絡(luò)如DDN、ISDN、E1、xDSL,把經(jīng)過數(shù)字化壓縮、編碼的視頻、音頻、報(bào)警感應(yīng)數(shù)據(jù)傳輸至監(jiān)控中心，中心的計(jì)算機(jī)對各種數(shù)據(jù)進(jìn)行解壓縮、解編碼，同時回放視頻、音頻，對報(bào)警事件進(jìn)行告警處理。

4　系統(tǒng)通訊方案

通訊傳輸部分是整個遠(yuǎn)程遠(yuǎn)視系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分，其作用如同人的脊髓一樣，負(fù)責(zé)各種信號和指令的上傳下達(dá)。

遠(yuǎn)視系統(tǒng)可以借助數(shù)字光纖、數(shù)字微波、衛(wèi)星、無線擴(kuò)頻、ISDN、DDN等多種通訊媒介，將圖像、聲音、數(shù)據(jù)信號進(jìn)行壓縮編碼并通過2Mbps E1數(shù)據(jù)信號從幾十公里以外的遠(yuǎn)端傳送到中心控制室，同時將控制室的音頻和控制信號傳回基站。

這里主要扼要敘述幾種主要的通訊方案。

4.1　同軸電纜方案

在遠(yuǎn)視系統(tǒng)中，同軸電纜是傳輸視頻圖像最常用的媒介。

這種方式可采用75Ω的純銅芯電纜。用同軸電纜方式傳輸時，由于衰減大，用它組成的傳輸網(wǎng)最長只能傳輸10km左右。

同軸電纜可靠、速率快、投資少，但架設(shè)方式麻煩、間隔短，同時存在不平衡電源線負(fù)載等因素會導(dǎo)致各點(diǎn)之間存在地電位差，需接進(jìn)被動式接地隔離變壓器進(jìn)行補(bǔ)償。

4.2　光纖通訊方案

光纖是能使光以最小的衰減從一端傳到另一真?zhèn)�透明玻璃或塑料纖維，它的最大特性是抗電子噪聲干擾，通訊間隔遠(yuǎn)。

光纖有多模光纖和單模光纖之分。單模光纖只有單一的傳播路徑，一般用于長間隔傳輸；多模光纖有多種傳播路徑，多模光纖的帶寬為50～500MHz/km，單模光纖的帶寬為2000MHz/km。光纖波長有850nm、1310nm和1550nm等。850nm波長區(qū)為多模光纖通訊方式；1550nm波長區(qū)為單模光纖通訊方式；1310nm波長區(qū)有多模光纖和單模兩種。

目前，單模光纖在波長1.31um或1.55um時，光速的低損耗窗口每公里衰減可做到0.2～0.4dB以下，是同軸電纜每公里損耗的1％，因此光纖通訊方式可實(shí)現(xiàn)20km無中斷傳輸。

用光纜作干線傳輸系統(tǒng)容量大、能雙向傳輸、保密性好、安全可靠性高。光端機(jī)技術(shù)越來越成熟，本錢用度也大幅度下降。

光纖通訊的造價稍高，施工技術(shù)難度大。

4.3　無線通訊方案

傳統(tǒng)的無線通訊系統(tǒng)包括以下幾種：

(1)調(diào)幅(AM)廣播。
(2)調(diào)頻(FM)廣播。
(3)無線尋呼網(wǎng)。
(4)甚高頻通訊。
(5)特高頻通訊。
(6)微波通訊。
(7)衛(wèi)星通訊。

電力系統(tǒng)中，微波通訊是一種較常用的無線通訊方式。這種方式覆蓋面廣，頻帶很寬，不需要傳輸線，而且可以構(gòu)成雙向通訊系統(tǒng)。

目前已使用的頻段為300MHz～3000GHz，通訊容量大，僅一個波道便可傳送數(shù)以百計(jì)路以上的電話，多波道運(yùn)行時可傳送的容量則更可觀。微波通訊傳送的信息，幾乎不受電力系統(tǒng)本身干擾的影響，故傳輸?shù)馁|(zhì)量較高。同時，微波通訊還具有同時傳送電話、電報(bào)、圖像、數(shù)據(jù)等多種形式的功能，在電力系統(tǒng)中獲得了廣泛的應(yīng)用。

微波通訊方式的傳輸量大，質(zhì)量高，配置靈活，可以省往建設(shè)有線傳輸線的用度，并且具有很快的傳輸速率，缺點(diǎn)是微波通訊一般是點(diǎn)對點(diǎn)的通訊方式，對于為數(shù)眾多的測控單元，每個點(diǎn)都要建設(shè)一對微波通訊設(shè)備。

4.4　電話線通訊方案

電話線通訊方案也是一種長間隔傳輸視頻的途徑。但由于電話線路帶寬限制和視頻圖像數(shù)據(jù)量大的矛盾，傳輸?shù)浇K真?zhèn)�圖像都不連續(xù)，而且分辨率越高，幀與幀之間的間隔就越長；反之，假如想取得相對連續(xù)的圖像，就必然以犧牲清楚度為代價。

5　展看

變電站遠(yuǎn)視系統(tǒng)解決了變電站現(xiàn)場的可視化及環(huán)境監(jiān)控題目，是對“四遠(yuǎn)”功能的有益補(bǔ)充，為實(shí)現(xiàn)“無人值班，無人值守”提供了可靠的保證。

遠(yuǎn)視系統(tǒng)的推廣應(yīng)用對進(jìn)步變電站運(yùn)行的安全性、可靠性，進(jìn)步運(yùn)行和治理的科學(xué)性，充分發(fā)揮變電站效益，促進(jìn)治理工作的現(xiàn)代化有著現(xiàn)實(shí)意義和歷史意義。