視頻智能組件在智能變電站中的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

徐昕，盛建雄

（湖州電力局，浙江湖州313000）

視頻智能組件在智能變電站中的實(shí)現(xiàn)和應(yīng)用

徐昕，盛建雄

（湖州電力局，浙江湖州313000）

視頻監(jiān)控系統(tǒng)在變電站中得到了廣泛應(yīng)用，與其他系統(tǒng)的聯(lián)系也越來越緊密。但是在其他系統(tǒng)調(diào)用視頻資源時(shí)，存在2個(gè)異構(gòu)獨(dú)立系統(tǒng)交互實(shí)時(shí)性差、穩(wěn)定性差和接口開發(fā)繁瑣的問題，不符合智能變電站系統(tǒng)間調(diào)用無縫聯(lián)接的發(fā)展要求。為此提出了一種視頻智能組件，明確了視頻設(shè)備在IEC 61850協(xié)議中的功能規(guī)格和開發(fā)技術(shù)路線，為視頻監(jiān)控系統(tǒng)在智能變電站中的進(jìn)一步應(yīng)用進(jìn)行了探索。

智能變電站；視頻監(jiān)控；信息模型；設(shè)計(jì)方案

0 引言

近年來，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的功能不斷擴(kuò)充，在變電站得到廣泛應(yīng)用，除基本的安全警衛(wèi)功能之外，還被融入到與生產(chǎn)相關(guān)的業(yè)務(wù)方面，以期更好地發(fā)揮視頻監(jiān)控系統(tǒng)的作用。視頻監(jiān)控系統(tǒng)不僅能為監(jiān)控中心提供變電站各類設(shè)備運(yùn)行狀況的實(shí)時(shí)圖像，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可視化監(jiān)控與調(diào)度，提高變電站運(yùn)行和維護(hù)的安全性與可靠性，還能記錄現(xiàn)場的各類事故和報(bào)警信息。現(xiàn)代嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、高清化和智能化發(fā)展趨勢，也為其承擔(dān)更多的業(yè)務(wù)提供了可能。為了適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)化的發(fā)展，國家電網(wǎng)公司制定了《電網(wǎng)系統(tǒng)及接口》企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，以實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控、統(tǒng)一存儲(chǔ)、分級控制、分域管理，使不同的視頻監(jiān)視系統(tǒng)能夠互連互通，目前變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)的建設(shè)都按照該標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

智能變電站建設(shè)以設(shè)備的智能化和順序控制、狀態(tài)估計(jì)、遠(yuǎn)端維護(hù)以及與調(diào)度的無縫聯(lián)接等高級智能應(yīng)用為主要特征[1]，對視頻監(jiān)控系統(tǒng)提出了新的要求。目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)在變電站的應(yīng)用正進(jìn)行以下幾個(gè)方面的嘗試：

（1）與其他設(shè)備控制聯(lián)動(dòng)。便于編輯和合理的聯(lián)動(dòng)策略能更有效地獲取變電站的有用信息。

（2）結(jié)合傳感器的數(shù)據(jù)采集。視頻可用于輔助判斷，但存在有些傳感器檢測到的數(shù)據(jù)不適合視頻輔助、有些位置不便于安裝傳感器等問題。

（3）采用完全基于視頻分析的方式。但可靠性較差。

（4）視頻監(jiān)控系統(tǒng)與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)的融合。

在系統(tǒng)融合以及與調(diào)度的無縫聯(lián)接方面，蘇永春等[2]提出了基于GOOSE通信的遙視系統(tǒng)與變電站保護(hù)系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制的方案，單方向?qū)崿F(xiàn)了與調(diào)度的無縫聯(lián)接。由于沒有與綜合自動(dòng)化系統(tǒng)融合，仍然需要在2個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)上同步控制，因而存在實(shí)時(shí)性差、上層業(yè)務(wù)調(diào)用不明確等問題。在智能化方面，周立輝等[3]在試點(diǎn)智能變電站中采用了移動(dòng)機(jī)器人的方案，用于分析設(shè)備的熱缺陷和外觀異常、開關(guān)或刀閘的分合狀態(tài)等。但移動(dòng)機(jī)器人依賴較龐大的路徑建設(shè)，且造價(jià)昂貴，還受限于惡劣天氣等外界因素，因此不宜大規(guī)模推廣應(yīng)用。

為此，本文提出了一種視頻智能組件的設(shè)計(jì)，通過IEC 61850協(xié)議，在變電站端融合了站端視頻監(jiān)控系統(tǒng)和綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，對智能變電站的信息一體化建設(shè)進(jìn)行了初步探索。

1 總體方案

1.1 接口類型和方式

根據(jù)《電網(wǎng)系統(tǒng)及接口》的規(guī)定，視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本接口分為接口A和接口B兩類，適用范圍如圖1所示。

圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本接口

接口A是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的外部接口,實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)與不屬于本系統(tǒng)的前端系統(tǒng)之間、視頻監(jiān)控系統(tǒng)之間、視頻監(jiān)控系統(tǒng)與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)之間的接口功能，主要包括系統(tǒng)上下線通知與連接?；?、資源信息獲取、歷史告警查詢、錄像檢索、實(shí)時(shí)視頻調(diào)閱、語音對講和廣播、客戶端與用戶間的音/視頻會(huì)話、云鏡控制、事件的訂閱和通知、流量查詢、錄像回放等。接口B是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)部接口，實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控平臺與屬于該平臺的前端系統(tǒng)之間的接口功能[4]。

針對數(shù)字變電站，在目前的情況下，若遠(yuǎn)端的調(diào)度SCADA（數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)）需要執(zhí)行業(yè)務(wù)操作，會(huì)通過自動(dòng)化控制協(xié)議發(fā)送指令到站端的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，在自動(dòng)化系統(tǒng)中執(zhí)行指令；若需要聯(lián)動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以驗(yàn)證操作是否成功，則需要調(diào)用視頻監(jiān)控系統(tǒng)A接口，如圖2中破折線所示的路徑。智能化變電站建設(shè)要求異構(gòu)系統(tǒng)間能融合，使其他業(yè)務(wù)能通過A接口對視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)用。這樣的改造將要求SCADA等其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)增加功能模塊，改造量較大。根據(jù)《電網(wǎng)系統(tǒng)及接口》平臺的參數(shù)要求，在保證網(wǎng)絡(luò)帶寬的情況下，視頻監(jiān)控系統(tǒng)平臺信令的響應(yīng)時(shí)間小于0.5 s，視頻的響應(yīng)時(shí)間小于2 s，因而會(huì)增加異構(gòu)系統(tǒng)的不穩(wěn)定性且實(shí)時(shí)性極差，不能很好地同步操作和信息確認(rèn)。

圖2 遠(yuǎn)端SCADA系統(tǒng)和視頻監(jiān)控系統(tǒng)訪問變電站的路徑示意

1.2 實(shí)現(xiàn)方式

針對上述問題，本文提出了一種視頻智能組件的設(shè)計(jì)方案。該視頻智能組件繼承變電站遙視系統(tǒng)的功能，集成了視頻錄像、云臺控制、圖像抓拍、告警信號的輸入/輸出功能，既支持視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過B接口對其進(jìn)行訪問，又可以通過IEC 61850協(xié)議實(shí)現(xiàn)與變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的交互，符合智能組件[5]的定義，可用于對一次設(shè)備控制器進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測。

總體設(shè)計(jì)思路是：若遠(yuǎn)端的調(diào)度SCADA需要執(zhí)行業(yè)務(wù)操作，可通過自動(dòng)化控制協(xié)議發(fā)送指令到站端的遠(yuǎn)動(dòng)裝置，遠(yuǎn)動(dòng)裝置根據(jù)點(diǎn)號按IEC 61850遙控服務(wù)遙控測控或保護(hù)裝置，視頻IED（智能電子設(shè)備）通過捕獲測控發(fā)出的GOOSE信號實(shí)現(xiàn)與測控操作的同步操作，如圖2中點(diǎn)線所示的路徑。本地的操作和反饋都通過IEC 61850通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)，從而大大減少綜合自動(dòng)化系統(tǒng)的擴(kuò)展工作，并且避免了因異構(gòu)系統(tǒng)導(dǎo)致的不穩(wěn)定性和實(shí)時(shí)性差的問題。

在此基礎(chǔ)上，基于TI的新一代芯片技術(shù)，可對斷路器、開關(guān)等一次設(shè)備的狀態(tài)做實(shí)時(shí)視頻分析，配合智能變電站順序操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對被控設(shè)備狀態(tài)的自動(dòng)校核。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 智能組件的實(shí)現(xiàn)

2.1.1 硬件平臺

視頻IED位于間隔層，同時(shí)掛在MMS網(wǎng)絡(luò)和GOOSE網(wǎng)絡(luò)上。參考谷月雁等[6]提出的實(shí)現(xiàn)智能變電站順序控制的硬件基本要求，采用Ti的DM8168芯片，具備2個(gè)高速工業(yè)以太網(wǎng)接口，可以分別連接MMS和GOOSE網(wǎng)絡(luò)。采用實(shí)時(shí)多任務(wù)操作系統(tǒng)VxWorks，保證了IEC 61850協(xié)議中對實(shí)時(shí)性要求高的報(bào)文的及時(shí)響應(yīng)。

2.1.2 軟件實(shí)現(xiàn)

信息模型與通信模型是構(gòu)建IED的關(guān)鍵[7]。信息模型規(guī)定了設(shè)備能且只能表達(dá)的內(nèi)容，在IEC 61850協(xié)議中，是以層次化的語義結(jié)構(gòu)出現(xiàn)的。通信模型則規(guī)定了信息傳輸?shù)姆绞健?/p>

2.1.3 視頻IED信息建模

IEC 61850協(xié)議中的信息模型如圖3所示，表現(xiàn)為IED/LD/LN/DO/DA層次化的上下文關(guān)系。

視頻IED信息主要包括圖像信息、視頻信息、云臺信息、控制信息、狀態(tài)信息等。云臺信息需要預(yù)先建立映射關(guān)系，映射的對象是攝像機(jī)安裝配置信息和被控或關(guān)聯(lián)二次設(shè)備，主要是描述信息。遠(yuǎn)端的控制系統(tǒng)需要執(zhí)行某種控制操作時(shí)，通過自動(dòng)化控制協(xié)議發(fā)送到站內(nèi)的綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，綜合自動(dòng)化系統(tǒng)根據(jù)控制信號發(fā)送對應(yīng)的信息給視頻IED和其他順序控制單元。視頻IED獲取相應(yīng)的視頻信息、圖像信息或是判別的狀態(tài)信息，作為擴(kuò)展數(shù)據(jù)以標(biāo)準(zhǔn)的信息模型返回綜合自動(dòng)化系統(tǒng)，起到業(yè)務(wù)操作校核的作用。

圖3 IEC 61850的抽象信息模型

2.2 IED信息模型

2.2.1 信息分類

（1）圖像信息是執(zhí)行操作時(shí)前端設(shè)備抓拍的數(shù)據(jù)以及抓拍的時(shí)間信息，提供高分辨率的圖像，用JPEG方式進(jìn)行壓縮。

（2）視頻信息是執(zhí)行操作前后由前端設(shè)備錄制的一段視頻，用高壓縮比的H.264或者AVS進(jìn)行壓縮，提供壓縮信息和視頻的時(shí)間信息等。

（3）云臺信息是攝像機(jī)的預(yù)置位和軌跡信息。要使用這部分信息，需要預(yù)先建立被控或關(guān)聯(lián)二次設(shè)備與攝像頭的預(yù)置位或是巡跡的映射關(guān)系，使信息模型能表達(dá)預(yù)置點(diǎn)與被控設(shè)備的對應(yīng)關(guān)系。綜合自動(dòng)化系統(tǒng)在執(zhí)行控制操作前需要獲取相應(yīng)的云臺信息，以保證獲取正確的視頻或是圖像信息。

（4）狀態(tài)信息可以是與該設(shè)備相關(guān)的傳感器監(jiān)測狀態(tài)，也可以是視頻或圖像的分析結(jié)果。

（5）控制信息是執(zhí)行云臺控制操作、圖像抓拍操作、視頻錄制操作和開關(guān)量控制輸出等信息。

2.2.2 邏輯節(jié)點(diǎn)建模原則

邏輯結(jié)點(diǎn)（LN）是進(jìn)行信息交互的最小功能單元，是整個(gè)模型體系的核心部分。LN必須繼承公用邏輯節(jié)點(diǎn)信息，包括Mod（工作模式）、Beh（性能）、Health（狀態(tài)）和NamePlt（銘牌），通過模塊信息分類建立LN數(shù)據(jù)對象（DO），而數(shù)據(jù)屬性（DA）則是對DO的定義[8]。視頻IED的DA需要定義描述核心功能的擴(kuò)展數(shù)據(jù)屬性IID。IID繼承了公共數(shù)據(jù)類中的基本描述信息模板。

類似地，還需要建立視頻描述信息類（VID），用于描述視頻的數(shù)據(jù)信息；云臺描述信息類（ZID），用于描述云臺與設(shè)備的映射關(guān)系信息。

視頻IED需要根據(jù)LN的擴(kuò)展原則，建立邏輯節(jié)點(diǎn)。DO不僅繼承公用邏輯節(jié)點(diǎn)類全部指定數(shù)據(jù)，還包括IID對象。

2.2.3 邏輯設(shè)備建模原則

將具有公用特性的邏輯節(jié)點(diǎn)組合后，成為邏輯設(shè)備LD。IEC 61850規(guī)定，LD內(nèi)部必須提供關(guān)于物理設(shè)備或者由其控制的外部設(shè)備的相關(guān)信息，LLN0代表LD的公共數(shù)據(jù)，LPHD代表物理設(shè)備的公共數(shù)據(jù)，還要提供描述核心功能的各通道的邏輯節(jié)點(diǎn)。根據(jù)視頻IED的功能，LD除了2個(gè)基本邏輯節(jié)點(diǎn)的LLN0和LPHD之外，還應(yīng)包括擴(kuò)展的視頻設(shè)備邏輯節(jié)點(diǎn)EVAD。

2.3 通信模型

IEC 61850采用抽象通信服務(wù)接口（ACSI）和特定通信服務(wù)映射（SCSM）的方法，將底層的核心服務(wù)映射到制造報(bào)文規(guī)范（MMS）。MMS是OSI應(yīng)用層的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，使得視頻IED信息可以TCP/IP方式與其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備進(jìn)行交互。通信模型如圖4所示。

圖4 MMS通信模型

3 結(jié)語

在變電站的建設(shè)過程中，出于安全性考慮及通信協(xié)議的限制，在業(yè)務(wù)系統(tǒng)與視頻監(jiān)控等輔助系統(tǒng)之間一直以來僅有單向獲取信息的途徑。IEC 61850協(xié)議的推廣和光通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)使系統(tǒng)間的融合成為可能，而異構(gòu)系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)交互也正是智能變電站建設(shè)的內(nèi)在要求。本文提出的基于IEC 61850的視頻智能組件，可實(shí)現(xiàn)變電站其他業(yè)務(wù)對視頻資源的實(shí)時(shí)有效調(diào)用，解決了2個(gè)獨(dú)立異構(gòu)系統(tǒng)交互時(shí)實(shí)時(shí)性差、穩(wěn)定性差和接口開發(fā)繁瑣的問題。

[1]張斌，倪益民，馬曉軍，等.變電站綜合智能組件探討[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（21）∶91－94.

[2]蘇永春，辛建波，竇曉波.數(shù)字化變電站保護(hù)與視頻系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)控制方案[J].中國電力，2010，43（4）∶33－37.

[3]周立輝，張永生，孫勇，等.智能變電站巡檢機(jī)器人研制及應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2011，35（19）∶85－88.

[4]崔燕明，劉孝先，馬超，等.電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2010，34（20）∶13－16.

[5]Q/GDW 383－2009智能變電站技術(shù)導(dǎo)則[S].北京：中國電力出版社，2009.

[6]谷月雁，司剛，劉清瑞.智能變電站中順序控制的功能分析與實(shí)現(xiàn)[J].電氣技術(shù)，2011（1）∶58－92.

[7]DL/T 860.74－2006/IEC 61850－7－4∶2003變電站通信網(wǎng)絡(luò)和系統(tǒng)，第7－4部分∶變電站和饋線設(shè)備的基本通信結(jié)構(gòu)—兼容邏輯節(jié)點(diǎn)類和數(shù)據(jù)類[S].北京∶中國電力出版社，2005.

[8]胡勇，郭子健，劉奇峰，等.基于IEC 61970/61850的電動(dòng)汽車充電站監(jiān)控系統(tǒng)建模方案[J/OL].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，http∶//www.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20120912. 1645.003.html.

（本文編輯：龔皓）

Implementation and Application of Video Intelligent Component in Smart Substations

XU Xin，SHENG Jian-xiong
（Huzhou Electric Power Bureau，Huzhou Zhejiang 313000，China）

The video surveillance system has been widely used in substations and becomes increasingly related to other systems.However,when other systems request for video resources there are poor real-time of interaction and stability of two heterogeneous systems as well as fussy interface development,which can not meet the development requirement of seamless link between requests among substation systems.Therefore,the paper presents a video intelligent component and defines function specification of the video equipment in IEC 61850 and technical route development,exploring the further application of video surveillance system in smart substations.

smart substation；video surveillance；information model；design scheme

TM764.2

：B

：1007-1881（2013）08-0022-04

2013-03-25

徐昕（1977-），女，浙江德清人，工程師，從事變電運(yùn)行管理、智能變電站運(yùn)行管理等工作。