海量存儲(chǔ)技術(shù)在變電站視頻監(jiān)控中的應(yīng)用

王文彬，王文革，王 松

（1.河南省電力通信自動(dòng)化公司，河南 鄭州 450052；2.河南省電力公司，河南 鄭州 450052）

0 引言

隨著省級(jí)變電站視頻聯(lián)網(wǎng)的推進(jìn)和變電站高清視頻技術(shù)的應(yīng)用，視頻存儲(chǔ)在電力視頻監(jiān)控系統(tǒng)中變的越來(lái)越重要，存儲(chǔ)的信息量也越來(lái)越大。監(jiān)控視頻存儲(chǔ)系統(tǒng)可以更好地發(fā)揮變電站安全保障作用，值班人員可以能夠更準(zhǔn)確分析變電站異常狀況并進(jìn)行報(bào)警。事故追溯是變電站監(jiān)控系統(tǒng)的重要功能，因此圖像存儲(chǔ)是視頻監(jiān)控系統(tǒng)非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。

視頻存儲(chǔ)根據(jù)存儲(chǔ)的畫面質(zhì)量不同對(duì)容量需求差別很大，隨著畫面質(zhì)量的提升、監(jiān)控路數(shù)的增加，對(duì)存儲(chǔ)容量的要求會(huì)成倍增加。視頻存儲(chǔ)需要能夠滿足不間斷的數(shù)據(jù)讀寫，數(shù)據(jù)流量大，但訪問(wèn)請(qǐng)求數(shù)量不高。目前視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)保存周期短，一般要求為一個(gè)月，主要采取自動(dòng)覆蓋的方式。對(duì)于一些事故錄像要求能長(zhǎng)期保存，以便能進(jìn)行事后分析，為事故預(yù)防打下基礎(chǔ)。以720p為標(biāo)準(zhǔn)，每小時(shí)錄像需要的硬盤容量約為4～8 Gbyte，如果要保存1個(gè)月，9路監(jiān)控大約要21～42 Tbyte的容量，與傳統(tǒng)的CIF格式相比，存儲(chǔ)容量增加近10倍。因此為了使系統(tǒng)能夠更好地運(yùn)行，發(fā)揮更大的作用，視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)系統(tǒng)存儲(chǔ)提出了更高的要求。

1 變電站圖像監(jiān)控存儲(chǔ)系統(tǒng)的現(xiàn)狀

變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括變電站子站和監(jiān)控中心主站。在變電站安裝子站系統(tǒng)，主要負(fù)責(zé)視頻信息和報(bào)警信息的采集、編碼與傳輸，采用DVR進(jìn)行編碼的子站還具有存儲(chǔ)的功能，可進(jìn)行當(dāng)?shù)劁浵翊鎯?chǔ)。主站負(fù)責(zé)接收子站的圖像信息和報(bào)警信息并顯示，并能實(shí)現(xiàn)對(duì)子站的控制，有的主站設(shè)有存儲(chǔ)服務(wù)器可以對(duì)變電站的信息進(jìn)行存儲(chǔ)。以上是傳統(tǒng)的基于CIF或D1分辨力的顯示和存儲(chǔ)基本模式。根據(jù)在多個(gè)省的調(diào)研，大多數(shù)變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用分布式存儲(chǔ)模式，監(jiān)控中心很少安裝專門的存儲(chǔ)服務(wù)器。對(duì)于新建的基于720p分辨力的變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)在變電站本地都設(shè)有專用的存儲(chǔ)服務(wù)器，在監(jiān)控中心也安裝有存儲(chǔ)服務(wù)器。目前的存儲(chǔ)基本是采用直接存儲(chǔ)的方式，都是在服務(wù)器上連接幾個(gè)磁盤，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的磁盤系統(tǒng)，存儲(chǔ)的可擴(kuò)展性和存儲(chǔ)性能很難提高。DVR使用IDE硬盤，沒(méi)有相應(yīng)的數(shù)據(jù)保護(hù)機(jī)制，一旦硬盤損壞，將造成數(shù)據(jù)丟失。

隨著高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)，由數(shù)字監(jiān)控取代傳統(tǒng)技術(shù)產(chǎn)生出的許多數(shù)字監(jiān)控的新功能正在逐漸成為主流技術(shù)。原數(shù)字化監(jiān)控的核心設(shè)備DVR逐漸減少，開始被以視頻服務(wù)器結(jié)合IP SAN為核心的監(jiān)控系統(tǒng)所替代。

2 SAN存儲(chǔ)系統(tǒng)

SAN即存儲(chǔ)區(qū)域網(wǎng)絡(luò)（Storage Area Network），由存儲(chǔ)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)設(shè)備構(gòu)成。它是一種新存儲(chǔ)連接拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，主要用于代替現(xiàn)有的系統(tǒng)和存儲(chǔ)系統(tǒng)之間的SCSI/O連接。SAN是一種將數(shù)據(jù)由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)傳輸?shù)綌?shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)的方法。SAN的通信都在一個(gè)與應(yīng)用網(wǎng)絡(luò)隔離的單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)上完成，可以被用來(lái)集中和共享存儲(chǔ)資源。它和以太網(wǎng)有類似的架構(gòu)，由服務(wù)器、HBA卡、集線器、交換機(jī)和存儲(chǔ)裝置所組成。SAN可分為FC-SAN和IP?SAN，針對(duì)視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)存儲(chǔ)的需求，這兩種存儲(chǔ)框架有各自的特點(diǎn)。

FC-SAN采用光纖通道技術(shù)，擁有自己的協(xié)議層。光纖通道支持3種拓?fù)浞绞剑狐c(diǎn)對(duì)點(diǎn)方式，F(xiàn)C-AL方式和FC-SW方式。其中FC-SW即交換式光纖通道連接方式，最為靈活，但需要配備支持交換架構(gòu)的交換模塊或FC交換機(jī)。目前的主流FC產(chǎn)品的帶寬可達(dá)4 Gbit/s，光纖磁盤高性能為FC磁盤陣列提供了存儲(chǔ)速度基礎(chǔ)。FC-SAN一般要單獨(dú)組網(wǎng)，不會(huì)受到已有IP網(wǎng)絡(luò)上的不安全因素影響，通過(guò)Zoning機(jī)制可以對(duì)SAN進(jìn)行分區(qū)管理，避免了服務(wù)器和存儲(chǔ)之間的非法訪問(wèn)，因此FC網(wǎng)絡(luò)安全系數(shù)比較高。FCSAN的高性能對(duì)應(yīng)的是它的成本較高，光纖陣列、光纖磁盤、光纖交換設(shè)備和光纖HBA卡等價(jià)格都比較高，也相應(yīng)增加了專業(yè)維護(hù)成本。

IPSAN采用iSCSI通信協(xié)議，SCSI協(xié)議被封裝于IP包中在LAN/WAN中進(jìn)行傳輸，支持?jǐn)?shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)用所需的基于塊的存儲(chǔ)，iSCSI是基于塊的存儲(chǔ)。由于通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸，用戶可以利用現(xiàn)有的以太網(wǎng)設(shè)施來(lái)部署iSCSI存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，這種部署方式不需要更改用戶的網(wǎng)絡(luò)體系，從而大大降低了部署成本。這種模式不但可以應(yīng)用在局域網(wǎng)中，也可以跨過(guò)路由設(shè)備在廣域網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)，從而大大擴(kuò)展了iSCSI存儲(chǔ)網(wǎng)絡(luò)的部署范圍。這種模式的存儲(chǔ)系統(tǒng)可以直接在現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中進(jìn)行組建，可以直接使用交換機(jī)來(lái)連接存儲(chǔ)設(shè)備，因此iSCSI存儲(chǔ)系統(tǒng)具有很高的擴(kuò)展性，可以廣泛應(yīng)用到中低端的存儲(chǔ)應(yīng)用中。

表1顯示的是FC-SAN、IP-SAN的一些性能比較。針對(duì)視頻監(jiān)控用戶的需求和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用特點(diǎn)，IP-SAN架構(gòu)是比較合適的。

表1 FC-SAN和IP-SAN對(duì)比表

3 海量存儲(chǔ)技術(shù)在變電站圖像監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用方案

現(xiàn)在各省市公司正在進(jìn)行變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)，按相關(guān)要求220 kV及以上電壓等級(jí)的變電站視頻都需要接入省級(jí)指揮中心。各部門間統(tǒng)一協(xié)調(diào)、統(tǒng)一管理的需求正越來(lái)越明顯，大監(jiān)控、全局監(jiān)控的建設(shè)逐漸成為電力行業(yè)構(gòu)建新一代監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的必然要求。省級(jí)變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)建成后，將是分布式、網(wǎng)絡(luò)化的大型監(jiān)控平臺(tái)。系統(tǒng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接了子站（變電站）、主站（地市供電公司視頻監(jiān)控中心和省電力公司視頻監(jiān)控中心），為三級(jí)架構(gòu)。

3.1 變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)有的存儲(chǔ)方式

3.1.1 變電站前端存儲(chǔ)

變電站前端存儲(chǔ)是在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的前端設(shè)備進(jìn)行存儲(chǔ)，由站端的遠(yuǎn)程視頻單元（RVU）設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控圖像的本地錄制和保存。對(duì)于前端存儲(chǔ)，由于一個(gè)變電站安裝的監(jiān)控?cái)z像機(jī)數(shù)量不多，大部分都在16路以內(nèi)，存儲(chǔ)時(shí)間一般在30天左右，所以對(duì)存儲(chǔ)容量要求不高。用戶既可以通過(guò)直接登錄單個(gè)RVU進(jìn)行錄像資料的點(diǎn)播回放，也可以在統(tǒng)一監(jiān)控平臺(tái)進(jìn)行對(duì)前端錄像資料進(jìn)行集中的檢索和回放。

變電站前端存儲(chǔ)具有幾個(gè)優(yōu)勢(shì)：一是可以通過(guò)分布式的存儲(chǔ)來(lái)減輕集控站或地市監(jiān)控中心集中存儲(chǔ)帶來(lái)的容量壓力；二是可以有效緩解集中存儲(chǔ)帶來(lái)的網(wǎng)絡(luò)流量壓力，保證實(shí)時(shí)視頻信息的傳輸；三是由于圖像直接在當(dāng)?shù)卮鎯?chǔ)，在網(wǎng)絡(luò)發(fā)生故障時(shí)仍然可以保存現(xiàn)場(chǎng)的圖像信息，存儲(chǔ)安全性較高。

3.1.2 監(jiān)控中心存儲(chǔ)

在變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，有的采取監(jiān)控中心集中存儲(chǔ)的方式。站端設(shè)備采集監(jiān)控點(diǎn)圖像信息并編碼壓縮處理成數(shù)字碼流，然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心管理平臺(tái)，由監(jiān)控中心管理平臺(tái)將數(shù)據(jù)分發(fā)給相應(yīng)的存儲(chǔ)服務(wù)器進(jìn)行集中存儲(chǔ)。

有些大型變電站視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)采用多級(jí)分布的中心存儲(chǔ)方式，即建立主、分監(jiān)控中心進(jìn)行存儲(chǔ)。以一個(gè)省級(jí)的電力視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)為例，在省電力公司建立一級(jí)存儲(chǔ)，在各個(gè)地市公司建立市級(jí)的存儲(chǔ)中心，這樣既可降低一個(gè)中心點(diǎn)集中存儲(chǔ)帶來(lái)的存儲(chǔ)容量和網(wǎng)絡(luò)流量的壓力，同時(shí)也提升了系統(tǒng)的可靠性。

使用多級(jí)中心存儲(chǔ)具有以下幾個(gè)方面優(yōu)勢(shì)：1）檢索和調(diào)用錄像資源更為方便；2）存儲(chǔ)內(nèi)容的完整性更容易保證，對(duì)重要的視頻信息可以在不同級(jí)別的存儲(chǔ)中心都進(jìn)行存儲(chǔ)，這樣不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)前端設(shè)備故障而導(dǎo)致重要內(nèi)容的丟失；3）有利于制定多樣化的存儲(chǔ)策略，以滿足不同用戶的需求，節(jié)省資源；4）運(yùn)行維護(hù)更加方便。

3.1.3 混合型存儲(chǔ)

對(duì)于視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜、存儲(chǔ)安全性和可靠性要求高的系統(tǒng)，可以采用既有集中存儲(chǔ)也有前端存儲(chǔ)的建設(shè)模式，這樣的存儲(chǔ)系統(tǒng)兼具二者的優(yōu)勢(shì)，提高了系統(tǒng)的安全可靠性，但建設(shè)和管理成本也相應(yīng)增加。

對(duì)于大規(guī)模的變電站視頻聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)，比如全省電力視頻聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，通常采用多級(jí)監(jiān)控中心體系，每個(gè)級(jí)別的監(jiān)控中心管理其轄區(qū)內(nèi)的監(jiān)控資源并進(jìn)行存儲(chǔ)。省市公司都可以對(duì)錄像資源進(jìn)行查詢、下載，省級(jí)監(jiān)控中心統(tǒng)一管理所有的視頻資源和錄像文件。這樣的存儲(chǔ)系統(tǒng)，以分布式存儲(chǔ)作為基礎(chǔ)，同時(shí)在省級(jí)監(jiān)控中心設(shè)置網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)服務(wù)器。短期的數(shù)據(jù)臨時(shí)存放在變電站端和地市監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)服務(wù)器內(nèi)，長(zhǎng)期重要數(shù)據(jù)比如事故錄像或反事故演習(xí)資料等上傳到省級(jí)監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)服務(wù)器中。重要監(jiān)控點(diǎn)位的視頻資料不僅存儲(chǔ)在基層監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)服務(wù)器，也實(shí)時(shí)傳輸?shù)绞〖?jí)監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)服務(wù)器中作為備份。

3.1.4 變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)海量存儲(chǔ)解決方案

目前省級(jí)變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用混合型存儲(chǔ)的模式，在變電站端通過(guò)硬盤錄像機(jī)進(jìn)行錄像存儲(chǔ)，變電站一般采用移動(dòng)視頻偵測(cè)錄像或采取24 h自動(dòng)覆蓋錄像。在地市監(jiān)控中心通過(guò)采用IP-SAN方式進(jìn)行存儲(chǔ)，遇到發(fā)生設(shè)備故障、反事故演習(xí)或其他安全事件，將所運(yùn)行維護(hù)的110 kV，220 kV，500 kV變電站的相關(guān)視頻存儲(chǔ)到地市監(jiān)控中心。在地市監(jiān)控中心制定備份計(jì)劃，采用定時(shí)自動(dòng)備份的方式，將超過(guò)30天的文件資料備份到市監(jiān)控中心存儲(chǔ)服務(wù)器相對(duì)應(yīng)的目錄中，并定期進(jìn)行維護(hù)。在省級(jí)監(jiān)控中心也采用IP-SAN方式進(jìn)行存儲(chǔ)，如遇到應(yīng)急演練、重要變電站設(shè)備故障或其他安全事件，將省公司所屬的重要220 kV變電站、500 kV變電站的視頻錄像保存到省公司。省監(jiān)控中心可以隨時(shí)調(diào)用地市監(jiān)控中心存儲(chǔ)的重要視頻資料。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

在進(jìn)行視頻監(jiān)控的存儲(chǔ)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要對(duì)系統(tǒng)中攝像頭數(shù)量、采集視頻的格式和碼率、視頻服務(wù)器的數(shù)量等參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，計(jì)算出系統(tǒng)中存儲(chǔ)的總帶寬壓力和存儲(chǔ)容量要求，設(shè)計(jì)存儲(chǔ)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，然后再根據(jù)可選用的存儲(chǔ)設(shè)備型號(hào)及價(jià)格成本，最終選定存儲(chǔ)設(shè)備的型號(hào)。

對(duì)于存儲(chǔ)系統(tǒng)容量，按照標(biāo)準(zhǔn)每路視頻都若采用D1格式和定碼流方式。D1格式流量為2 Mbit/s。單路和100路視頻實(shí)際占用帶寬分別為

1×2 Mbit/s÷（8 bit/byte）=0.25 Mbyte/s

100×2 Mbit/s÷（8 bit/byte）=25 Mbyte/s

單路視頻每天存儲(chǔ)容量為

（2 Mbit/s×3 600 s）÷（8 bit/byte）×24=21 Gbyte

單路視頻每月存儲(chǔ)容量為

（2 Mbit/s×3 600 s）÷（8 bit/byte）×24×30=633 Gbyte

100路視頻每月存儲(chǔ)容量為

100×（2 Mbit/s×3 600 s）÷（8 bit/byte）×24×30=62 Tbyte

對(duì)于高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)，按照標(biāo)準(zhǔn)每路視頻都若采用720p格式和定碼流方式。720p格式流量為6 Mbit/s。單路和100路視頻實(shí)際占用帶寬分別為

1×6 Mbit/s÷（8 bit/byte）=0.75 Mbyte/s

100×6 Mbit/s÷（8 bit/byte）=75 Mbyte/s

單路視頻每天存儲(chǔ)容量為

（6 Mbit/s×3 600 s）÷（8 bit/byte）×24=63 Gbyte

單路視頻每月存儲(chǔ)容量為

（6 Mbit/s×3 600 s）÷（8 bit/byte）×24×30=1 898 Gbyte

100路視頻每月存儲(chǔ)容量為

100×（6 Mbit/s×3 600 s）÷（8 bit/byte）×24×30=189 800 Gbyte=185 Tbyte

4 小結(jié)

隨著變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng)的推進(jìn)和電網(wǎng)全景預(yù)警系統(tǒng)的建立，視頻監(jiān)控系統(tǒng)呈現(xiàn)的新特點(diǎn)為：1）監(jiān)控規(guī)模和范圍越來(lái)越大；2）視頻存儲(chǔ)周期變長(zhǎng)；3）監(jiān)控視頻清晰度越來(lái)越高；4）視頻監(jiān)控系統(tǒng)不再只提供簡(jiǎn)單的安防功能，已和其他電力生產(chǎn)輔助系統(tǒng)相結(jié)合，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大。視頻存儲(chǔ)與應(yīng)用在電力系統(tǒng)中的作用越來(lái)越重要。視頻監(jiān)控的存儲(chǔ)系統(tǒng)隨著存儲(chǔ)技術(shù)的發(fā)展而不斷進(jìn)步，在構(gòu)建存儲(chǔ)體系時(shí)應(yīng)綜合考慮成本、用戶需求、系統(tǒng)性能等因素。網(wǎng)絡(luò)化、智能化是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展方向，視頻存儲(chǔ)應(yīng)能適應(yīng)目前的發(fā)展趨勢(shì)，提供基于網(wǎng)絡(luò)的智能化存儲(chǔ)、檢索和回放。同時(shí)，由于無(wú)線系統(tǒng)大多構(gòu)建在Internet的基礎(chǔ)上，而變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)是建立在電力內(nèi)網(wǎng)上的，如何實(shí)現(xiàn)內(nèi)、外網(wǎng)視頻信息的合理利用也是一個(gè)重要課題。

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