无人值班变电所的远方图像监控技术的探讨.doc

无人值守变配电所的远方图像监控技术的探讨摘要：提出了适用于无人值守变配电所的图像监控系统应达到的基本技术要求，对宜采用的图像信号处理方式和采用的带宽作了规范，对图像监控系统的建设提出了应注意的事项。 关键词：变配电所 图像监控 技术 探讨 1 概述随着供电系统无人值守变配电所的不断增多，为了解决无人值守后变配电所存在的一系列问题，如变配电所的安全保卫、设备的巡视、环境的监视等，近年来无人值守变配电所的远方图像监控技术在供电系统内越来越被重视。如何来建设一个既具有一定先进性又具有运行稳定、实用的无人值守变配电所图像监控系统，将是大家关心的问题。一种与传统图像监控系统不同的，以机电技术、网络传输技术及图像视频压缩为核心的新型数字视频监控系统正在崛起，并已在供电系统开始推广。2变电站远程图像监控系统设计要求2.1 系统总体结构及设计要求要求系统设计具有方便的可扩展性。需为远程图像监控系统提供光纤EI口作为通信信道资源。系统要求与局MIS网相连，MIS网终端用户经授权可以实现对变电站图像的监控。2.2 图像通信前置机（1）图像通信前置机通过多点传输控制器实现与多个监控前端的数据通讯，提供多路2M线路接口与以太网之间的接口。它从USB接口接收多路压缩图像数据，转发到MIS网络上；并接收从MIS网发送的控制信息，通过USB接口交给多点传输控制器选择相应的2M信道发送道监控前端主机。采用压缩图像数据直接进入以太网的方式，避免对图像信号的二次压缩，保证图像的清晰度和实时性，实现从2M到网络的无缝连接，摒弃路由器、协议转换器等网络设备。图像通信前置机采用多址组播的技术，将接收到的视音频数据，通过IP网络转发到监控终端，多个监控终端可以同时监控同一个前端，仅占用与单个监控终端监控一个前端相同的网络带宽，同时保证图像传输的实时和清晰。监控终端采用普通微机，并工作于Windows XP或Windows2000平台，图像解压缩由软件实现，可利用原MIS网上的计算机进行图像监控，而不必增加硬件设备，一台监控终端可同时实时监视多个前端。采用多址组播技术和先进的网络管理技术，可以根据网络动态调整系统占用网络带宽，减少网络阻塞的可能性。图像通信前置机采用模块化设计，一台前置机可与1-6个监控前端同时进行数据通讯。也可以采用分级分控的组网方式，将前置机安装在分控中心，它与监控中心之间通信采用网络形式。（2）多点传输控制器采用模块结构提供与监控前端的通讯接口，每个模块对一个监控前端通过2M接口连接，对前置机提供USB接口，并且配置模拟视频输出接口，可以直接与监视器相连或接至多画面分割器。2.3 变电站监控前端监控前端主要由一体化监控主机、监控区域设备（包括摄像机、远红外测温仪、红外双鉴探测器、烟感探测器等）、监视器及其它可选附加设备（如多画面分割器）等构成。（1）远程变电站采用基于EI口的一体化监控主机，该设备提供视频、音频和报警信号输入端口，分别连接到各个监控点的摄像机、音频捕获设备和报警设备；并提供2M（符合G.703规范）接口与监控中心通信。一体化监控主机实现包括视频信号采集与压缩、压缩图像数据传输、音频信号采集与传输、云台镜头控制和报警信号检测及处理等所有功能。视频压缩采用MPEG-1格式，帧率为25帧/秒，图像数据流为512Kbps。（2）一体化监控主机提供模拟视频输出，可接至本地监视器。经监控主站授权后，在监控前端，操作员能手动选择切换本地的任一摄像机作为监视视频源；能控制该监控前端的所有云台、镜头及灯光等设备。3 远方图像监控应达到的基本技术要求3.1 图像质量图像质量应达到清晰、无干扰、图像不失真，色彩度好，在观看活动图像时不能出现“卡通”现象，或观看活动图像及静止图像时不出现“马赛克”现象。当然图像的清晰度与带宽、投资费用成正比，盲目追求图像的高清晰度将带来投资费用的成倍增加，笔者认为电力系统的图像大部分为静止图像，偶然也有活动图像，若网络终端图像画面能达到VCD的水平（清晰度640480、PAL25帧s），色彩度方面能达到2432位真彩色也已够了。 3.2 远程点数量与图像信号传输所谓图像前端监控主机也就是远程点，可以把要监控的每一个变配电所理解为一个远程点，根据县一级电力系统的远景规划，一般选在3040个变配电所，因此图像前端监控主机数量也应选在3040个为妥，以保证与远景规划的同步局域网均位于各电力调度大楼内，为了满足领导与生产有关科室、班组对无人变配电所监控需要，要求远程点的图像信号能在局域网上传输，并能在任一个网络PC终端上显示、调用，观察图像时不MIS信息流的传输，任一个网络PC终端经切换又能运行MIS数据。因为系统采用了分布方式，可以将系统理解为有一个虚拟的监控中心，或无监控中心的系统。3.3 基本功能（1）具有“一点对多点”的功能。也就是说在不用画面分割器的情况下，系统本身能同时看到四个以上不同远程点的活动图像，其图像质量能达到25帧s。监控终端经授权可对监控前端进行视频切换，云台及相关可控设备的控制，以选择不同的监视对象和观察结果。可选择多画面显示传输，以便对现场多个监视点进行综合监视，还可以进行远程报警检测，现场设备开关控制等。（2）具有“多点看一点”功能。在变配电所出事故情况下，可以由网络中多个PC终端同时调看同一地点的活动图像。其中优先级最高的用户具有控制权。（3）具有后台录像功能。系统录像有三种方式：一是定时录像，可设定录像起始时间和结束时间；二是报警自动录像，有报警发生时，自动进行录像，直至报警清除；三是手动录像，监控终端用户可根据需要随时进行录像控制。录像采用以MPEG-1算法进行视频压缩的数字信号在硬盘上存贮，可备份到光盘或转录到磁带。录像回放包括方便的查询功能，可以使用系统加强的回放控制功能，还可使用通用的VCD播放软件。（4）系统能与变配电所已有的烟雾及防盗报警装置相衔接。当监视点发生报警时，系统自动启动各种连动设备，包括视频切换、开启灯光、自动录像设备和其它专用设备。并提供干接点接入站内监控系统。（5）系统可设置自动轮流切换监视画面（即巡视），巡视的监视点和间隔时间可灵活设置。（6）能和局域网并网。即在双绞线上同时传控制和图像信号，在局域网上的任一PC终端，不加视频线，可控制镜头及观察图像的功能。MIS网内的用户只需安装一套软件，不必添置任何硬件设备即可成为远程图像监控系统的监控终端。（7）图像预置功能。系统具有图像预置点功能（对球机言）。并能实行图像预置点巡航及摄像机巡航。（8）连动报警功能。当外人进入变配电所时，自动启动报警系统，告警灯光亮，启动摄像机并录像，并自动弹出告警画面，同时服务器启用自动录像，并将该告警信息及录像文件放入管理系统，备以后查询。3.4 其他技术要求（1）应具有功能丰富的地图功能。在电子地图上直接可调看摄像镜头，图像不失真，无干扰，色彩丰富。（2）系统应扩容容易且成本低。今后扩容时，只需增加外围站的投资，而不必在中心站投资主设备。（3）系统兼容性。系统在以太网上（或其它TCPIP协议的网络），无论采用硬解压或软解压，无论采用何种编码方式，都必须兼容各种平台（如WINDOWS95、98、NT等）。（4）系统具有图像上大屏幕显示的功能。系统应提供数字或模拟信号接口，以便实现监控图像上大屏幕显示。（5）监控终端软件提供各项操作和监控功能：监控终端的操作、控制，如连接图像、遥控设想机、录像、控制输出、报警布防撤防等功能，都以中文菜单方式灵活实现。（6）用户可以对系统的用户信息，设备配置信息，告警历史记录，告警录像等各种信息进行备份，以备系统信息恢复使用。当系统发生错误时用户可以使用系统恢复功能用系统备份信息进行快速恢复。（7）安全保护功能。系统应采用严格的操作密码保护机制。在无人值守监控现场，一体化监控主机平时处于“操作保护”状态，即不能进行任何操作。维护人员如需操作，必须由监控中心发送退出操作保护指令，并在事后恢复其“操作保护”状态。另外要通过网络对远端站点的访问实行两级保护：首先，对远端访问的用户必须事先进行注册，系统管理员授予相同的权限；其次，开始通信时需要使用口令登录，并且，同一时刻只允许同一用户登录一次。4 图像信号的处理和带宽4.1 视频压缩模式视频信息在不压缩的条件下，其传送速率可在140 Mbits左右，至于高清晰度电视（HDTV）更可高达1000 Mbits。为了节约带宽，让更多的多媒体信息在网络中传送，必须对视频信息进行高效的压缩。经过了近20年的努力，视频压缩技术逐渐成熟，出现了H261、H263、MPEG1、MPEG2等一系列的视频压缩的国际标准。无人值守变配电所远方图像监控的图像信号处理可分为硬件压缩硬件解压，硬件压缩软件解压两大类。硬件压缩硬件解压图像较清晰，图像监控终端控制切换响应时间短，但投资较大，特别在今后扩容时还要在中心站投资设备。而硬件压缩软件解压图像清晰方面明显不如硬解压，控制切换响应时间也比硬解压明显长，但硬件压缩软件解压投资较省，今后扩容只需增加外围站的投资，而不必在中心站投资主设备。随着机技术的飞速，预计硬件压缩软件解压是今后图像监控的发展方向和潮流。4.2 网络带宽分析 一般供电段的网络条件为100 M以太局域网，通过E1（G703，2 M带宽）与各个远方变配电所连接，整个网络适宜于采用统一的TCPIP方式，这样既方便了图像的调用，也大大方便了数据文件的远程传输。 通常在100 M的网络内文件数据传输占用较少带宽，当然压缩后的视频数据流占用的带宽越宽，则图像质量越好。假设100 M的带宽中分出60 M用来传输图像信号，如果选用的软件产品具有96kbits2 Mbit s可调带宽，实际选择768 kbits15 Mbits的带宽范围。当用768 kbits方式，对远程点来说，图像可达到20帧s的速度，图像质量达到VHS质量。60M768 K80点，运用768 kbps带宽可以达到80个远程点。当用1.5 Mbits方式，对远程点来说，图像可以达到25帧s的速度，图像质量达到VHS质量，此种方式是标准的MPEG格式，具有类似本机播放VCD的质量，但是由于在网络上进行传输，故有可能发生丢帧的现象。60 M1.5 M40点，运用1.5 Mbits带宽可以达到40个远程点。因此采用不高于1.5 Mbits带宽，一般能满足县局电力系统远景规划2040个变配电所的远方图像监控容量。采用二种不同传输速率方案的性能比较见表1。5 建设远方图像监控系统应注意的 5.1 确保局域网络的畅通远距离传输视频的可行是将模拟视频信号数字化并压缩编码，在可利用的数字通讯线路上传输，信号占用网络带宽越宽，则信号传输越通畅，而且图像质量越是高，但与此同时却占用了大量的网络带宽，所以在确定有多少远程点的情况下，再进行视频广播带宽的选择，从而达到优化的作用。为了确保系统运行的正常，一定要有一个畅通的具有足够的网络带宽的局域网络环境来保证。5.2 采用MPEG1广播方式是解决“多点看一点”的较好办法“多点看一点”对供电系统来说相当重要，一旦某变配电所发生事故，在网上的所有网络PC终端有可能全都要观看该变配电所发生事故的画面，这时就发生了所谓的“多点看一点”情况，这时的画面应清晰、稳定无干扰。5.3 应采用不间断电源供电有些厂商视频监控前端主机采用WINDOWS2000操作系统，一旦变配电所所用电失电，系统不能自恢复，需要人工再启动，为了确保系统的正常运行，要装设不间断电源。5.4 做好防雷工作为了防止感应雷的袭击，必须做好户外球型摄像机金属部分的防雷接地，特别是装在控制室楼房高处的球机更要做好防雷接地，接地电阻应10。监控系统的电源线路，计算机数据信号接口均要装设电涌防护