變電站遠視系統的研究

1　引言

隨著(zhù)電力產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展，中國正在進(jìn)行“網(wǎng)廠(chǎng)分開(kāi)、競價(jià)上網(wǎng)”的改革，以便開(kāi)放電力市場(chǎng)，引進(jìn)競爭機制，降低發(fā)電本錢(qián)，公道利用資源，并終極使用戶(hù)獲利。而電力市場(chǎng)不斷完善后，將答應用戶(hù)參與電力市場(chǎng)的競爭，生產(chǎn)調度與市場(chǎng)交易一體化，調度的作用和地位進(jìn)一步進(jìn)步。這就要求變電站實(shí)現無(wú)人/少人值守，裁員增效。

根據我們的了解，目前國內只有廣東、江蘇等發(fā)達省份的部分變電站實(shí)現了“四遠”(遠測、遠信、遠控、遠調)和無(wú)人值班(實(shí)在是無(wú)人值班，有人值守模式)，調度值班職員在遠方控制中心即可能對變電站的各類(lèi)電氣參數進(jìn)行監視，對斷路器與電動(dòng)刀閘進(jìn)行控制。遺憾的是，四遠不涉及變電站環(huán)境(如防盜、防火、防爆、防漬、防水汽泄漏等)的監控內容，人們對這種“無(wú)人值班”心存疑慮。電阻測試儀| 電阻計| 電表| 鉗表| 高斯計| 電磁場(chǎng)測試儀| 電源供應器| 電能質(zhì)量分析儀| 多功能測試儀| 電容表|

隨著(zhù)多媒體技術(shù)、計算機通訊技術(shù)的不斷成熟，數字視頻技術(shù)的日臻完善，現代數據傳輸技術(shù)的發(fā)展，使得數據傳輸速率和帶寬不斷向上突破，為視頻監控技術(shù)的研制提供了必須的基礎。因此，遠程圖像控制與信息治理即遠視系統的研究課題，列進(jìn)了議事日程。

2　設計思想

變電站遠視系統主要是把變電站現場(chǎng)的監視圖像、聲音、報警信號和各種設備的數據進(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)，集設備監控、圖像采集、閉路監視、圖像監視預告聯(lián)動(dòng)和視頻圖像等功能于一體的綜合自動(dòng)化系統。研制該系統時(shí)，應充分考慮用戶(hù)的具體要求和當地的具體情況，建立在高出發(fā)點(diǎn)的技術(shù)之上，按無(wú)人值班方案進(jìn)行設計。

首先，系統應能滿(mǎn)足無(wú)人值班變電站的要求，具有高度的可靠性和工作的連續性，可以24h連續監控數十個(gè)變電站。

其次，系統應具有多畫(huà)面視窗，1～16個(gè)畫(huà)面任意分割方式；圖像清楚，畫(huà)面流暢，徹底杜盡馬賽克、圖像邊沿鋸齒及拖動(dòng)現象；在保證高品質(zhì)畫(huà)面的同時(shí)，降低傳輸碼流，實(shí)現了真正的海量存儲。

再者，系統應提供透明通道，滿(mǎn)足多種高、低速通訊通道。

3　系統組成

遠視系統由多個(gè)遠程現場(chǎng)和一個(gè)監控中心組成，在遠程現場(chǎng)和監控中心之間有PCM 2M通訊線(xiàn)路連接。在每個(gè)現場(chǎng)均有若干攝像機。攝像機的鏡頭、云臺可控，并可加若干傳感器、警燈、警號等外圍設備。在監控中心可以任意監視各個(gè)現場(chǎng)，并收集各現場(chǎng)的報警信息。監控中心由中心機房?jì)炔康亩嗝襟w監控主機和機房以外的網(wǎng)絡(luò )分控計算機組成。

系統可以隨時(shí)方便、即時(shí)地檢索、回收記錄存貯的圖像，如可按時(shí)間、地點(diǎn)(鏡頭)或圖像文件進(jìn)行檢索和回放�；胤艌D像穩定、清楚，可反復讀寫(xiě)，不存在傳統監控系統中所存在的錄像帶的信號衰減和磨損題目。

3.1　系統配置

3.1.1　廠(chǎng)站端

包括攝像機單元、控制解碼器、視頻矩陣、報警控制設備、麥克風(fēng)和音箱、編解碼器等，在有人值守的遠程現場(chǎng)可以設置多媒體控制計算機，也可以設置控制鍵盤(pán)，這些控制設備可以控制該現場(chǎng)的攝像機切換，鏡頭、云臺動(dòng)作，并且可以處理報警信息。對于無(wú)人值守的現場(chǎng)可以不放置計算機，建議放置控制鍵盤(pán)。廠(chǎng)站端在系統中的作用是采集現場(chǎng)的各種視頻、音頻、數據等信息，并通過(guò)編解碼器進(jìn)行處理，將模擬信號數字化并壓縮編碼，以便于在可利用的數字通訊線(xiàn)路上進(jìn)行傳輸。同時(shí)廠(chǎng)站端還具有把主站端傳輸過(guò)來(lái)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、通訊衛星、有線(xiàn)基帶調制解調器、無(wú)線(xiàn)擴頻調制解調器等，線(xiàn)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、監視器、網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器及監控軟件等。主站真個(gè)作用是將通訊線(xiàn)路采集的數字信號通過(guò)編解碼器解碼轉化后的模擬信號經(jīng)視頻矩陣進(jìn)進(jìn)多媒體電腦、監視器和網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器，用于監視各個(gè)現場(chǎng)，并收集現場(chǎng)的報警信息，同時(shí)供網(wǎng)絡(luò )層傳輸圖形等信號。

3.1.4　網(wǎng)絡(luò )層

即計算機網(wǎng)絡(luò )(局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng))由局長(cháng)分控計算機、變電站分控計算機等各級網(wǎng)絡(luò )分控計算機組成。其作用是將網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器上的遠程現場(chǎng)信號在局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)上進(jìn)行傳輸，以供局長(cháng)分控計算機等各級網(wǎng)絡(luò )分控計算機共享資源。

3.2　系統三大領(lǐng)域

3.2.1　視頻技術(shù)

在很多遠程視頻監控系統的方案設計中，經(jīng)常會(huì )碰到的題目是如何遠間隔傳輸監控現場(chǎng)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(huì )受到限制，超過(guò)幾百米便需要放大中繼，因此，常規的視頻監視系統只適合在一座建筑物內或一定區域范圍內使用。此外，常規系統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(huà)音需要單獨敷設電纜。遠間隔傳輸視頻的可行方法是將模擬視頻信號數字化并壓縮編碼，在可利用的數字通訊線(xiàn)路上傳輸。視頻數據的壓縮和解壓縮，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)，其數據量為0.92MB，假如以每秒30幀的速度播放，則視頻信號的數碼率高達27.6Mbps。顯然，視頻壓縮技術(shù)數字化是壓縮技術(shù)的關(guān)鍵。目前，適用于遠程視頻監控的圖像壓縮標準有H.261，MPEG—1。H.261標準簡(jiǎn)稱(chēng)p×64，由國際電報電話(huà)咨詢(xún)委員會(huì )(CCITT)的一個(gè)專(zhuān)家組在1990年12月制定，MPEG—1則在1992年景為標準。兩者的核心技術(shù)都是離散余弦變換及運動(dòng)補償算法，它的主要思想是通過(guò)減少每幀圖像間時(shí)間上和空間上的冗余性和相關(guān)性信息來(lái)減少數據量。H.261適合在64～384kbps的低帶寬下傳輸實(shí)時(shí)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到較好的圖像效果。用戶(hù)可根據不同的場(chǎng)合和需求選用不同的壓縮標準。由于視頻數據流巨大，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(shí)，還應慎重考慮：系統帶寬、吞吐能力、通道數、在線(xiàn)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)

數字化視頻可以在計算機網(wǎng)絡(luò )(局域網(wǎng)或廣域網(wǎng))上傳輸圖像數據，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)和穩定性；且數字視頻可利用計算機網(wǎng)絡(luò )聯(lián)網(wǎng)傳輸，網(wǎng)絡(luò )帶寬可復用，無(wú)須重復布線(xiàn)；另外，數字化存儲成為可能，經(jīng)過(guò)壓縮的視頻數據可存儲在磁盤(pán)陣列中或保存在光盤(pán)中，查詢(xún)十分簡(jiǎn)便快捷。

3.2.3　通訊技術(shù)

數字視頻遠程監控系統的數據通訊有以下特點(diǎn)：

1實(shí)時(shí)性　視頻數據屬于實(shí)時(shí)數據，必須實(shí)時(shí)處理，例如：實(shí)時(shí)壓縮、解壓、傳輸、同步。
2分布性　現場(chǎng)圖像采集和發(fā)送主機與圖像接收顯示主機位于不同地點(diǎn)，通過(guò)計算機局域網(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(hù)終端顯示時(shí)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)標準，視頻遠程監控系統為可在各種網(wǎng)絡(luò )結構中運行，也必須采用TCP/IP協(xié)議。然而，TCP/IP協(xié)議用于可靠傳輸，作為結果，假如你在Internet上向另外一臺計算機發(fā)送一個(gè)數據包，你可以確信它將正確無(wú)誤地到達目的地，但你決不可能得到數據將在特定時(shí)間內到達的保證。事實(shí)上，數據包在到達目的地前延時(shí)數小時(shí)或數天，在理論上都是站得住腳的。作為視頻傳輸這樣的特例，對時(shí)間卻十分敏感，因此必須確保數據的實(shí)時(shí)性和同步性。國際通訊聯(lián)合會(huì )(ITU)和國際互聯(lián)網(wǎng)工程任務(wù)組(IETE)設計了一個(gè)實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP來(lái)解決傳輸實(shí)時(shí)性數據的困難。RTP一般運行在不可靠性協(xié)議層上如UDP(事實(shí)上經(jīng)數學(xué)統計UDP包的可靠性在99％以上)。每個(gè)經(jīng)過(guò)RTP傳輸的數據包中有時(shí)間信息和一個(gè)相關(guān)的序列號，這個(gè)信息使應用程序混合音頻和視頻信息相對輕易。由于應用程序可以很輕易地決定當視頻幀需要略過(guò)期將跳到的正確數據包號，因此同每個(gè)包相關(guān)的時(shí)間信息可以平滑同步過(guò)程。

在監控領(lǐng)域中，數字化和網(wǎng)絡(luò )化是一種趨勢，可廣泛應用在電信、電力、交通、銀行、水利、智能大廈等領(lǐng)域。在電信局無(wú)人值守機房、電力無(wú)人值守變電站、水文站、銀行營(yíng)業(yè)所等場(chǎng)所，通常具有以下特點(diǎn)：有重大經(jīng)濟價(jià)值，安全防范要求高，在地理位置上分布較廣或位置較偏僻。利用數字視頻遠程監控技術(shù)可在本系統內建立監控調度中心，對遠端現場(chǎng)的圖像聲音及其他敏感數據進(jìn)行實(shí)時(shí)監控以便對敏感事件進(jìn)行快速反應。具體實(shí)現的方式是：利用各種數據通訊網(wǎng)絡(luò )如DDN、ISDN、E1、xDSL,把經(jīng)過(guò)數字化壓縮、編碼的視頻、音頻、報警感應數據傳輸至監控中心，中心的計算機對各種數據進(jìn)行解壓縮、解編碼，同時(shí)回放視頻、音頻，對報警事件進(jìn)行告警處理。

4　系統通訊方案

通訊傳輸部分是整個(gè)遠程遠視系統的關(guān)鍵組成部分，其作用如同人的脊髓一樣，負責各種信號和指令的上傳下達。

遠視系統可以借助數字光纖、數字微波、衛星、無(wú)線(xiàn)擴頻、ISDN、DDN等多種通訊媒介，將圖像、聲音、數據信號進(jìn)行壓縮編碼并通過(guò)2Mbps E1數據信號從幾十公里以外的遠端傳送到中心控制室，同時(shí)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

在遠視系統中，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(shí)，由于衰減大，用它組成的傳輸網(wǎng)最長(cháng)只能傳輸10km左右。

同軸電纜可靠、速率快、投資少，但架設方式麻煩、間隔短，同時(shí)存在不平衡電源線(xiàn)負載等因素會(huì )導致各點(diǎn)之間存在地電位差，需接進(jìn)被動(dòng)式接地隔離變壓器進(jìn)行補償。

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個(gè)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。

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(cháng)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(cháng)有850nm、1310nm和1550nm等。850nm波長(cháng)區為多模光纖通訊方式；1550nm波長(cháng)區為單模光纖通訊方式；1310nm波長(cháng)區有多模光纖和單模兩種。

目前，單模光纖在波長(cháng)1.31um或1.55um時(shí)，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20km無(wú)中斷傳輸。

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

光纖通訊的造價(jià)稍高，施工技術(shù)難度大。

4.3　無(wú)線(xiàn)通訊方案

傳統的無(wú)線(xiàn)通訊系統包括以下幾種：

(1)調幅(AM)廣播。
(2)調頻(FM)廣播。
(3)無(wú)線(xiàn)尋呼網(wǎng)。
(4)甚高頻通訊。
(5)特高頻通訊。
(6)微波通訊。
(7)衛星通訊。

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

目前已使用的頻段為300MHz～3000GHz，通訊容量大，僅一個(gè)波道便可傳送數以百計路以上的電話(huà)，多波道運行時(shí)可傳送的容量則更可觀(guān)。微波通訊傳送的信息，幾乎不受電力系統本身干擾的影響，故傳輸的質(zhì)量較高。同時(shí)，微波通訊還具有同時(shí)傳送電話(huà)、電報、圖像、數據等多種形式的功能，在電力系統中獲得了廣泛的應用。

微波通訊方式的傳輸量大，質(zhì)量高，配置靈活，可以省往建設有線(xiàn)傳輸線(xiàn)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，對于為數眾多的測控單元，每個(gè)點(diǎn)都要建設一對微波通訊設備。

4.4　電話(huà)線(xiàn)通訊方案

電話(huà)線(xiàn)通訊方案也是一種長(cháng)間隔傳輸視頻的途徑。但由于電話(huà)線(xiàn)路帶寬限制和視頻圖像數據量大的矛盾，傳輸到終真個(gè)圖像都不連續，而且分辨率越高，幀與幀之間的間隔就越長(cháng)；反之，假如想取得相對連續的圖像，就必然以犧牲清楚度為代價(jià)。

5　展看

變電站遠視系統解決了變電站現場(chǎng)的可視化及環(huán)境監控題目，是對“四遠”功能的有益補充，為實(shí)現“無(wú)人值班，無(wú)人值守”提供了可靠的保證。

遠視系統的推廣應用對進(jìn)步變電站運行的安全性、可靠性，進(jìn)步運行和治理的科學(xué)性，充分發(fā)揮變電站效益，促進(jìn)治理工作的現代化有著(zhù)現實(shí)意義和歷史意義。