高清視頻智能監(jiān)控平臺在變電站的應(yīng)用

王世文

（河南省電力通信自動化公司，河南 鄭州 450052）

0 引言

目前，電力系統(tǒng)變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)普遍采用“模擬信號采集、數(shù)字信號傳輸”的傳統(tǒng)模式，模數(shù)轉(zhuǎn)換的過程，在一定程度上影響了圖像的質(zhì)量。隨著網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的發(fā)展，基于IP的全數(shù)字高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)開始在各行業(yè)出現(xiàn)，視頻圖像清晰、監(jiān)控范圍廣、可擴展性強、智能分析等優(yōu)勢使IP高清視頻監(jiān)控成為視頻發(fā)展的主流。近年來，國家電網(wǎng)公司對數(shù)字化、智能化變電站建設(shè)力度逐年加大，隨之，對變電站視頻圖像監(jiān)控的清晰度、智能化程度提出了更高的要求，將高清智能視頻監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用到數(shù)字化變電站領(lǐng)域，利用高清視頻圖像與智能分析技術(shù)為電網(wǎng)提供更好的服務(wù)是必不可少的，同時，智能圖像監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用和未來物聯(lián)網(wǎng)的有機融合具有重要意義。

1 變電站視頻監(jiān)控現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

變電站視頻監(jiān)控現(xiàn)狀有:

1）變電站視頻監(jiān)控圖像清新度不高。

傳統(tǒng)的變電站模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)為電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)服務(wù)了多年，主要以安全防范設(shè)備巡檢為主，各變電站圖像監(jiān)控系統(tǒng)大部分依然模擬信號接入方式，經(jīng)過多次“數(shù)/模、模/數(shù)”轉(zhuǎn)換，圖像質(zhì)量最多能達到CIF（分辨力352×288像素），分辨力達到D1標清格式的1/4，再則，站內(nèi)模擬信號傳輸采用同軸線纜的接入方式，容易受到站內(nèi)電磁干擾，嚴重影響了圖像質(zhì)量和觀看效果。隨著智能化電網(wǎng)的發(fā)展趨勢以及變電站更高功能的需求，圖像格式為D4（分辨力為1280 ×720像素）是電力圖像監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)的發(fā)展方向。

2）系統(tǒng)廠家品種多，標準不統(tǒng)一，協(xié)議接口互聯(lián)互通性差。

視頻圖像各大廠商私有協(xié)議不開放、信令接口規(guī)范不統(tǒng)一，導(dǎo)致監(jiān)控平臺與客戶端接口、平臺與平臺之間、平臺與前端接口之間協(xié)議不匹配、互通性差，不利于可控、可管理和大規(guī)模集成的發(fā)展，不同廠家設(shè)備和協(xié)議標準也制約了IP高清視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展。2010年國家電網(wǎng)公司頒布了《電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及接口第1部分:技術(shù)要求》，規(guī)范了電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成及主要功能、性能、接口、協(xié)議和編碼格式等[1]，該標準的出臺對電網(wǎng)視頻監(jiān)控建設(shè)具有指導(dǎo)性意義。

3）傳輸網(wǎng)絡(luò)帶寬不能滿足高清視頻圖像傳輸。

根據(jù)現(xiàn)有的變電站圖像監(jiān)控系統(tǒng)的模式，傳輸通道基本承載于電力通信專網(wǎng)SDH光纖環(huán)網(wǎng)，帶寬為2 Mbit/s，通過接入網(wǎng)橋的模式接入監(jiān)控中心平臺。隨著網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控的大規(guī)模推廣應(yīng)用，出現(xiàn)了以分辨力720p和1080 i為代表的高清攝像機，基于IP網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字視頻服務(wù)器以及IP攝像機正在成為視頻監(jiān)控領(lǐng)域的主流，對QoS服務(wù)質(zhì)量要求較高，2 Mbit/s帶寬勢必制約視頻圖像的傳輸，不能滿足未來視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，根據(jù)電力專網(wǎng)的特性，通道傳輸匯聚層利用信息網(wǎng)路由器專用VPN方式接入電力信息網(wǎng)、核心層采取大帶寬光傳送網(wǎng)（OTN）、密集波分技術(shù)，可滿足高清視頻高帶寬、高速率的要求。

4）圖像資源共享性差，統(tǒng)一管理性欠缺。

由于受不同工程投資的限制，沒有統(tǒng)一的規(guī)劃，結(jié)果導(dǎo)致不同廠家、不同時期的圖像格式繁雜，圖像無法共享；攝像頭設(shè)備的接口、協(xié)議不兼容，攝像頭云臺編碼控制一致性較差，不利于統(tǒng)一管理。根據(jù)國家電網(wǎng)公司“三集五大”的提出，特別是“大規(guī)劃、大運行、大建設(shè)、大營銷、大檢修”管理模式的推行，圖像控制中心資源共享對監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高的要求，逐步實現(xiàn)國家電網(wǎng)公司、省市公司和地市級公司視頻監(jiān)視系統(tǒng)資源共享以及電網(wǎng)高清視頻監(jiān)控、可視化調(diào)度系統(tǒng)、應(yīng)急指揮中心各系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享[2-4]。

5）圖像監(jiān)控功能單一，智能分析環(huán)節(jié)薄弱。

傳統(tǒng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)只局限于視頻監(jiān)測功能，圖像智能化分析程度不高，隨著傳感技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，在變電站監(jiān)測對象安裝傳感系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對無人值守站設(shè)備覆冰、站內(nèi)出線的舞動、桿塔傾斜、溫濕度、風(fēng)力風(fēng)向等數(shù)據(jù)綜合監(jiān)測，智能分析技術(shù)將采集數(shù)據(jù)與視頻圖像相結(jié)合進行集成，使傳感器采集與圖像之間聯(lián)動，達到監(jiān)測分析和預(yù)警的能力，為電網(wǎng)減災(zāi)、防災(zāi)提供技術(shù)手段，降低電網(wǎng)事故發(fā)生的可能性，保障變電站及周圍設(shè)備安全運行。

2 高清視頻監(jiān)控平臺體系構(gòu)建模式

在電力系統(tǒng)500 kV及以上變電站，建立符合《國家電網(wǎng)公司企業(yè)標準 電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及接口》標準、基于IP網(wǎng)絡(luò)、分辨力為1280 ×720像素的高清智能視頻圖像監(jiān)控平臺。在220 kV研制開發(fā)變電站的視頻監(jiān)控系統(tǒng)協(xié)議轉(zhuǎn)換網(wǎng)關(guān)，通過該網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)原有變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)和監(jiān)控設(shè)備的接入，解決目前存在的由于不同建設(shè)時期選用不同廠家產(chǎn)品而導(dǎo)致的標準不統(tǒng)一、技術(shù)路線不一致問題；實現(xiàn)接口開放，與其他電網(wǎng)調(diào)度系統(tǒng)、應(yīng)急指揮中心、行政軟交換系統(tǒng)辦公自動化系統(tǒng)以及未來輸電線路視頻及狀態(tài)監(jiān)控系統(tǒng)有機融合、無縫對接。

高清視頻智能監(jiān)控平臺的構(gòu)建能夠?qū)崿F(xiàn)國網(wǎng)公司、省公司和地市供電公司三級視頻監(jiān)控系統(tǒng)分區(qū)域管理，建立統(tǒng)一存儲數(shù)據(jù)的圖像控制中心，實現(xiàn)三級視頻圖像資源共享。視頻監(jiān)控平臺系統(tǒng)硬件需要支持多路視頻終端的并發(fā)視頻管理能力，滿足大容量、高可靠視頻監(jiān)控系統(tǒng)的負載要求。多區(qū)域高清視頻監(jiān)控系統(tǒng)分層結(jié)構(gòu)見圖1。

3 高清視頻監(jiān)控平臺接口

2010年國家電網(wǎng)公司對《電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及接口標準》進行了規(guī)范和嚴格定義，明確定義了接口A、接口B以及接口協(xié)議結(jié)構(gòu)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)外部接口A規(guī)定了視頻監(jiān)控平臺與不屬于本系統(tǒng)前端系統(tǒng)之間、視頻監(jiān)控平臺之間、視頻監(jiān)控平臺與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間互聯(lián)互通接口；內(nèi)部接口B規(guī)定了視頻監(jiān)控平臺與屬于該平臺前端系統(tǒng)之間接口[1]。該標準的出臺統(tǒng)一了同類或異類平臺與平臺之間、平臺與前端之間信令接口、數(shù)據(jù)流接口和媒體流接口和協(xié)議，無疑對視頻監(jiān)控產(chǎn)品的各大開發(fā)廠家形成了約束和制約，開發(fā)商只有遵照標準接口、協(xié)議研發(fā)產(chǎn)品，才能夠在電力行業(yè)視頻監(jiān)控系統(tǒng)獲得“產(chǎn)品入網(wǎng)”許可證，最終實現(xiàn)異類廠商平臺與平臺、平臺與前端的互聯(lián)互通。視頻監(jiān)控系統(tǒng)接口如圖2所示。

4 高清智能視頻監(jiān)控應(yīng)用架構(gòu)

高清智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)平臺系統(tǒng)架構(gòu)主要分為應(yīng)用功能層，基礎(chǔ)服務(wù)中間層，網(wǎng)絡(luò)層和前端系統(tǒng)，監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)框圖如圖3所示。

1）應(yīng)用功能層。監(jiān)控客戶端在特定授權(quán)崗位可以直接監(jiān)視各變電站的視頻，主要通過C++技術(shù)完成網(wǎng)絡(luò)傳輸和視頻處理；視頻監(jiān)控客戶端通過人機交互控制數(shù)字矩陣實現(xiàn)視頻切換矩陣功能，是監(jiān)控中心電視墻的控制界面，通過C++技術(shù)實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸和視頻處理；在B/S架構(gòu)的組件中需要通過IE客戶端實現(xiàn)人機交互功能。

2）基礎(chǔ)服務(wù)中間層。子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)流運行通道，各子系統(tǒng)或者模塊通過接口和若干基礎(chǔ)服務(wù)進行交互，為系統(tǒng)平臺提供技術(shù)支撐。

3）網(wǎng)絡(luò)層?；贗P的寬帶網(wǎng)絡(luò)，整個系統(tǒng)的承載網(wǎng)絡(luò)。

4）前端系統(tǒng)。前端系統(tǒng)/設(shè)備（PU）由各個廠商的視頻服務(wù)器（DVS）、硬盤錄像機（DVR）、網(wǎng)絡(luò)攝像機（SIP協(xié)議）、監(jiān)控攝像機、各類報警輸入/輸出裝置、存儲設(shè)備、輸電線監(jiān)測系統(tǒng)等組成。

5 高清智能視頻監(jiān)控組網(wǎng)方案

高清智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主要由高清前端采集、高清傳輸、高清存儲、高清顯示四部分組成，達到一個純正的高清效果形如“木桶效應(yīng)”，任何一個環(huán)節(jié)達不到高清的標準都會影響高清的質(zhì)量。目前，基于軟交換的高清視頻監(jiān)控平臺在很多企業(yè)內(nèi)得到了廣泛的應(yīng)用，基于SIP協(xié)議的軟交換技術(shù)，采取業(yè)務(wù)、控制完全分離，組網(wǎng)靈活，開放性強、互聯(lián)互通性好[5]，合適大規(guī)模分層次、分布式監(jiān)控。高清視頻監(jiān)控平臺主要由軟交換服務(wù)器、認證服務(wù)器、網(wǎng)管服務(wù)器、流媒體服務(wù)器和Web服務(wù)器等組成，統(tǒng)一采用標準的SIP協(xié)議構(gòu)架成多業(yè)務(wù)視頻監(jiān)控平臺，客戶端通過SIP協(xié)議與平臺的各服務(wù)器相連獲取業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。高清智能視頻監(jiān)控組網(wǎng)設(shè)計拓撲如圖4所示。

高清視頻效果的保證首先要源于前端高清圖像的采集，根據(jù)美國電影電視工程師協(xié)會（SMPTE）和國際電聯(lián)（ITU）的相關(guān)規(guī)定，高清圖像格式目前主要有720p，1080 p/i[6]。目前，網(wǎng)絡(luò)高清攝像機感光芯片主要有CCD和CMOS兩種，技術(shù)均很成熟，在高清領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，隨著產(chǎn)品批量生產(chǎn)，成本隨之下降。分辨力為720p的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機有效像素可達到100萬像素，1080 p甚至達到300萬像素，這樣的清晰度完全達到變電站視頻監(jiān)控智能分析的需求，除了清晰度之外，有其他影響圖像質(zhì)量的光學(xué)變倍、寬動態(tài)范圍、自動測光補償?shù)戎笜薣7]。由于變電站內(nèi)高壓區(qū)的特殊環(huán)境，對高清攝像機抗電磁干擾能力、夜視、防水要求較高。

對特高壓站點在變電站鐵塔出線處安裝高清攝像機和智能分析系統(tǒng)是必要的，包括輸電線路微氣象監(jiān)測、輸電線導(dǎo)線溫度在線監(jiān)測、輸電線舞動在線監(jiān)測、輸電線覆冰在線監(jiān)測系統(tǒng)，桿塔上的輸電線監(jiān)測系統(tǒng)通過太陽能電池供電，系統(tǒng)中傳感器采集數(shù)據(jù)通過WLAN無線方式送入前端設(shè)備，接入到站內(nèi)局域網(wǎng)，再經(jīng)過電力信息網(wǎng)與平臺互聯(lián)，實現(xiàn)除實時高清圖像外的導(dǎo)線溫度、桿塔傾斜、導(dǎo)線舞動、溫度、濕度、風(fēng)力風(fēng)向等數(shù)據(jù)信息的綜合監(jiān)測，平臺通過才采集的數(shù)據(jù)進行智能分析，將相關(guān)信息與視頻系統(tǒng)進行集成和聯(lián)動。

高清視頻傳輸信息量大，前端采集信息回傳至監(jiān)控平臺占用帶寬大，一般的傳輸局域網(wǎng)、廣域網(wǎng)系統(tǒng)難以承載，回傳帶寬成為制約高清圖像質(zhì)量的瓶頸。但是，隨著智能電網(wǎng)信息網(wǎng)絡(luò)支撐平臺的建設(shè)，變電站高清視頻監(jiān)控交換設(shè)備與信息網(wǎng)路由器之間采用IP網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)已成為可能，能夠滿足更大顆粒的視頻包高速率、大帶寬的需求，根據(jù)高清視頻UDP（User Datagram Protocol）數(shù)據(jù)包大小選擇合適、高性能、支持IP多播的交換機，與信息網(wǎng)路由器包轉(zhuǎn)發(fā)相匹配，專用信息網(wǎng)絡(luò)的VPN接入為高清視頻業(yè)務(wù)提供可靠的質(zhì)量保證。雙碼流技術(shù)、流媒體技術(shù)的推廣和應(yīng)用很大程度上減輕了高清視頻帶寬的壓力。

6 小結(jié)

隨著計算機技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)交換技術(shù)和智能分析技術(shù)的不斷發(fā)展，使變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端一體化、接入多元化、視頻數(shù)字化、系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)化、管理平臺化的高清智能視頻圖像應(yīng)用更廣泛。高清智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用到智能電網(wǎng)數(shù)字化變電站領(lǐng)域，為無人值守變電站推進打下堅實基礎(chǔ)，利用高清晰度視頻圖像能更好地為智能電網(wǎng)生產(chǎn)服務(wù)，全面支撐智能電網(wǎng)的發(fā)展。

[1]Q/GDW 517.1—2010，電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及接口第1部分:技術(shù)要求[S].2010.

[2]劉昌盛.智能電網(wǎng)多業(yè)務(wù)通信支撐平臺的研究[J].電力系統(tǒng)通信，2010，31（217）:1-5.

[3]肖行詮，李富祥.視頻監(jiān)控系統(tǒng)平臺互聯(lián)互通的建設(shè)思路[J].電力系統(tǒng)通信，2010，31（13）:30-35.

[4]張博.中國視頻監(jiān)控市場進入高速發(fā)展期[J].電視技術(shù)，2008，32（12）:48-49.

[5]RFC3261，SIP:Session Initiation Protocol[EB/OL].[2011-01-15].http://www.ietf.org/rfc/rfc3261.txt.

[6]SMPTE274—1998，1920×1080 scanning and analog and parallel digital interfaces for multiple picture rates[S].1998.

[7]余和初，聶蓉.高清視頻監(jiān)控技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].中國公共安全:綜合版，2009（12）:172-177.