基于自組網(wǎng)的變電站遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周艷麗

(河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院信息工程系，河南鄭州450012)

基于自組網(wǎng)的變電站遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周艷麗

(河南工業(yè)貿(mào)易職業(yè)學(xué)院信息工程系，河南鄭州450012)

以變電站的自動(dòng)監(jiān)控為主要研究對(duì)象，把含視頻的監(jiān)控作為重點(diǎn)問題，探討了遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)在變電站自動(dòng)化系統(tǒng)中應(yīng)用的主要功能和組網(wǎng)方式。最終確定了以無線網(wǎng)絡(luò)和工業(yè)以太網(wǎng)方式來構(gòu)建底層通信體系，為變電站遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和工程提供參考。

變電站；監(jiān)控；自組網(wǎng)；遙視

作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，變電站的可靠運(yùn)行是電力系統(tǒng)正常工作的保障。因此，對(duì)變電站進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)和控制是電網(wǎng)控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)。隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)的快速發(fā)展，變電站的自動(dòng)化程度也日益提高，無人值守成為變電站自動(dòng)化發(fā)展的必然趨勢(shì)。

目前，大部分變電站都安裝有遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，可以對(duì)變電站內(nèi)的電子設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。但是，由于視頻監(jiān)控的使用需要更高水平的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的支撐，所以，高清晰度的視頻監(jiān)控一直是變電站自動(dòng)化發(fā)展趨勢(shì)中需要突破的問題。為了做到變電站真正的“遙測(cè)、遙信、遙控、遙調(diào)和遙視”等五遙功能，有必要在變電站前方裝設(shè)視頻系統(tǒng)，以供遠(yuǎn)程值守人員對(duì)變電站的防火、防盜等問題具有更清晰的了解。

1 系統(tǒng)功能分析

對(duì)于變電站而言，視頻或圖像的監(jiān)控主要有兩個(gè)作用：一個(gè)是作用于設(shè)備的運(yùn)行，可以實(shí)現(xiàn)顯示出儀表的指示情況，比只是向上傳送相應(yīng)的數(shù)字更具有直觀性；另一個(gè)是作用于變電站的防火防盜，在這一方面，過去采用的是利用相應(yīng)的傳感器來探測(cè)相應(yīng)空間中相應(yīng)參數(shù)，火災(zāi)利用的參數(shù)是溫度和火焰等信息，防盜利用的是紅外和門禁管理磁閥等信息，這些參數(shù)的誤報(bào)率高，準(zhǔn)確性差，采用視頻或圖像的監(jiān)控會(huì)極大提高報(bào)警的精確性[1]。

匯總以上信息，一個(gè)帶有視頻圖像監(jiān)控功能的系統(tǒng)應(yīng)具有以下幾方面的功能設(shè)置：

(1)系統(tǒng)基本參數(shù)監(jiān)控功能

對(duì)于設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，起主要監(jiān)測(cè)功能的依然是現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)儀表，視頻圖像的加入只是起到輔助直觀的效果，而不是取而代之。因此，在現(xiàn)場(chǎng)仍然采用傳統(tǒng)的采集設(shè)備來采集電流、電壓、溫度等參數(shù)，并能將這些數(shù)據(jù)及時(shí)上傳至上層監(jiān)控中心。

(2)視頻監(jiān)控功能

視頻圖像的監(jiān)控應(yīng)具有分布點(diǎn)合理、攝像頭設(shè)置靈活、可以分頻多路實(shí)時(shí)監(jiān)控，在必要的地方還要設(shè)置雙向?qū)υ捁δ堋Ｍ瑫r(shí)，要保證監(jiān)控圖像清晰度好、辨識(shí)功能強(qiáng)、音質(zhì)好等優(yōu)點(diǎn)，以保證視頻信息提供高質(zhì)量的分析狀況數(shù)據(jù)。

(3)系統(tǒng)故障自診斷自定位功能，且可以聯(lián)動(dòng)報(bào)警

當(dāng)系統(tǒng)監(jiān)測(cè)到變電站內(nèi)運(yùn)行參數(shù)偏離正常數(shù)據(jù)時(shí)，應(yīng)能夠及時(shí)報(bào)警，并利用網(wǎng)絡(luò)查找到異常數(shù)據(jù)點(diǎn)，確定出可能故障點(diǎn)。

(4)自愈功能和遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)管理功能

系統(tǒng)應(yīng)具有遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和管理功能，可以遠(yuǎn)程觀察設(shè)備參數(shù)和視頻的基本情況，及時(shí)對(duì)報(bào)警信息進(jìn)行分析和處理。當(dāng)遠(yuǎn)程控制中心沒有及時(shí)做出反應(yīng)的時(shí)候，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)具有隔離現(xiàn)場(chǎng)故障點(diǎn)，利用其他線路和設(shè)備提供相應(yīng)功能的自愈功能。

基于以上分析可知，一個(gè)完整的“五遙”監(jiān)控系統(tǒng)除必要的設(shè)備之外，還需要具有強(qiáng)健的視頻傳輸、遠(yuǎn)程控制和系統(tǒng)自愈功能。因此，采用何種通信網(wǎng)絡(luò)就成為視頻監(jiān)控所面臨的重要問題。

2 通信技術(shù)分析

靈活可靠的通信網(wǎng)絡(luò)是系統(tǒng)成功的關(guān)鍵之一。對(duì)于一個(gè)帶視頻監(jiān)控和自愈功能的變電站監(jiān)控系統(tǒng)來說，通信網(wǎng)絡(luò)的要求有三個(gè)[2]：(1)底層通信網(wǎng)絡(luò)可以提供視頻傳輸?shù)挠布С?，這要求底層數(shù)據(jù)處理的微處理器功能要強(qiáng)大，以便保證視頻信息的采集和傳輸；(2)整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)具有相應(yīng)的帶寬，以保證視頻信息的有效傳輸；(3)系統(tǒng)的自愈功能需要通信網(wǎng)絡(luò)具有自組織的能力，尤其是控制線路。

針對(duì)以上問題，本設(shè)計(jì)的底層通信網(wǎng)絡(luò)采用兩種通信技術(shù)來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)功能：一種采用工業(yè)以太網(wǎng)的技術(shù)來構(gòu)建主干通信系統(tǒng)，用來支持視頻設(shè)備的數(shù)據(jù)傳輸；另一種采用無線傳感網(wǎng)，用來完成終端采集數(shù)據(jù)的上傳和控制命令的下達(dá)，同時(shí)還具有自織網(wǎng)的功能。兩種網(wǎng)絡(luò)中間利用ARM芯片作為網(wǎng)關(guān)。具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變電站基本結(jié)構(gòu)圖

如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)分為兩個(gè)區(qū)域：監(jiān)控Ⅰ區(qū)和監(jiān)控Ⅱ區(qū)。監(jiān)控Ⅰ區(qū)主要完成相關(guān)輸變電設(shè)備狀態(tài)值的監(jiān)測(cè)，主要通信技術(shù)采用無線傳感網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)采用ZigBee技術(shù)，工作在2.4 G頻段。無線傳感網(wǎng)采用樹形-簇狀結(jié)構(gòu)，終端節(jié)點(diǎn)采用CC2530擔(dān)任，一個(gè)CC2530上可安裝兩至三個(gè)傳感器或執(zhí)行器，用來采集設(shè)備的電流、電壓、溫度等信息或者利用繼電器來實(shí)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的控制；中間節(jié)點(diǎn)為路由節(jié)點(diǎn)，不帶傳感器，只負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)傳輸?shù)穆酚蓸?gòu)建；整個(gè)無線傳感網(wǎng)只設(shè)一個(gè)協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)ZStack協(xié)議棧初始化、信道掃描、配置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、新建網(wǎng)絡(luò)、分配地址以及收發(fā)數(shù)據(jù)；協(xié)調(diào)器與網(wǎng)關(guān)之間利用RS232進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)由協(xié)調(diào)器上傳至網(wǎng)關(guān)。整個(gè)無線傳感網(wǎng)采用的是ZigBee2007協(xié)議規(guī)范，并且是在協(xié)議棧軟件ZStack-CC2530-2. 3.0-1.4.0的基礎(chǔ)完成。協(xié)調(diào)器上電后，由啟動(dòng)代碼來初始化硬件系統(tǒng)和軟件架構(gòu)需要的各個(gè)模塊，ZStack采用輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)，由main()函數(shù)開始執(zhí)行，完成系統(tǒng)硬件初始化以及進(jìn)入OSAL操作系統(tǒng)層。路由節(jié)點(diǎn)、終端節(jié)點(diǎn)的初始化過程和協(xié)調(diào)器類似，但所做的有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的工作是不同的?；赯ig-Bee2007協(xié)議的無線傳感網(wǎng)是一種多跳自組織網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)通信網(wǎng)絡(luò)中的其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)問題時(shí)，網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)會(huì)查詢鄰近的節(jié)點(diǎn)代替故障節(jié)點(diǎn)，從而保證整個(gè)電站各個(gè)節(jié)點(diǎn)運(yùn)行正常。

監(jiān)控Ⅱ區(qū)的主要通信系統(tǒng)由工業(yè)以太網(wǎng)擔(dān)當(dāng)，網(wǎng)絡(luò)將電源、安防、消防、環(huán)境、照明、視頻等信息傳達(dá)至E1接入設(shè)備。E1接入設(shè)備允許48路2M的視頻輸入，可以滿足變電站內(nèi)所有輔助應(yīng)用監(jiān)控的功能要求。視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)由E1專用線傳送至網(wǎng)關(guān)。

網(wǎng)關(guān)由ARM芯片來擔(dān)任，本設(shè)計(jì)選擇的是Cortex-A9核心板，主要的功能是幾種通信協(xié)議的轉(zhuǎn)換，以及視頻信息和相關(guān)數(shù)據(jù)的傳送。

3 系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)

在本設(shè)計(jì)中，需要軟件支撐的主要有三處：其一是底層通信中各通信節(jié)點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)支撐；其二是網(wǎng)關(guān)中通信功能的實(shí)現(xiàn)；其三是上層監(jiān)控中心的應(yīng)用功能的實(shí)現(xiàn)。在這三處軟件設(shè)計(jì)中，網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)是其中的重點(diǎn)。

本設(shè)計(jì)利用32位的Cortex-A9芯片作為網(wǎng)關(guān)，采用三星高性能的Exynos 4412四核處理器作為支撐。Exynos 4412內(nèi)部集成的GPU為Mali-400MP的高性能圖形引擎，支持3D圖形流暢運(yùn)行，并可播放1 080 P大尺寸高清視頻，流暢運(yùn)行Android等高級(jí)操作系統(tǒng)，非常適合開發(fā)高端物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)的應(yīng)用，為視頻的處理的運(yùn)行提供了良好支撐。

在穩(wěn)定的硬件支持下，網(wǎng)關(guān)所要實(shí)現(xiàn)的功能是底層通信網(wǎng)中的數(shù)據(jù)與上層監(jiān)控中心數(shù)據(jù)的對(duì)接，就是將傳感網(wǎng)和視頻終端傳來的數(shù)據(jù)上傳到上層的數(shù)據(jù)服務(wù)器，同時(shí)獲取服務(wù)器下傳的數(shù)據(jù)和命令到傳感網(wǎng)。為了實(shí)現(xiàn)以上功能，本系統(tǒng)在網(wǎng)關(guān)上安裝了兩種操作系統(tǒng)，內(nèi)核采用linux，外層采用Android 4.2。一方面linux可以為系統(tǒng)的穩(wěn)定性和高效性提供堅(jiān)實(shí)的保障；另一方面可以利用Android 4.2豐富的開發(fā)資源和友好的界面提高系統(tǒng)的可操作性。

網(wǎng)關(guān)上的應(yīng)用程序涉及到串口的開發(fā)和網(wǎng)絡(luò)功能的配置。

串口功能的實(shí)現(xiàn)主要是調(diào)用本地的函數(shù)接口。在Android工程中，創(chuàng)建了專門的串口操作的類SerialTool，并繼承HardwareControler類。利用該接口可以設(shè)置串口的打開、關(guān)閉、設(shè)置波特率和定時(shí)器輪詢方式。為保證系統(tǒng)運(yùn)行流暢，系統(tǒng)添加了判斷串口斷開的和重連的方法，具體程序如下：

4 結(jié)論

本設(shè)計(jì)利用兩種底層通信技術(shù)構(gòu)建了變電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)：無線傳感網(wǎng)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自組織功能，從而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自愈功能；而工業(yè)以太網(wǎng)可以提高視頻傳輸?shù)姆€(wěn)定性，提高整個(gè)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化程度。這兩種技術(shù)的結(jié)合，可以有效提高電網(wǎng)的安全、穩(wěn)定和經(jīng)濟(jì)運(yùn)行水平。

[1]汪萍.基于DSP的變電站網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].淮南：安徽理工大學(xué)，2007：36-39.

[2]曲延濱，王建平.基于CAN總線和DSP的變電站監(jiān)控系統(tǒng)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2003(12)：86-88.

Design of substation remote videomonitoring system based on ad-hoc network

ZHOU Yan-li (Departmentof Information Engineering，Henan Industry and Trade VocationalCollege，Zhengzhou Henan 450012，China)

W ith the automatic monitoring of transformer substation as the main research object，and the monitoring including video as a key problem，the main function and network mode of remote image monitoring system in substation automation system were discussed.The w ireless network and industrial Ethernetwere used to build the underlying communication system，providing reference for design and engineering of remote image monitoring system of substation.

substation;monitoring;ad-hoc network;remote view ing

TM 41

A

1002-087 X(2016)07-1510-03

2016-02-25

周艷麗(1970—)，女，河南省人，本科，副教授，主要研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)研究及其應(yīng)用。