（电力系统及其自动化专业论文）电力系统遥视技术的方案设计与实现.pdf

哈尔滨工程大学硕士学位论文 a bs t r a c t r e m o t em o i l i t o r i n gi np o w e rs y s t e mc o m e sf r o ma u t o m a t i o no fp o w e r s y s t e m ，b e c a u s et h e r ei sag r e a tr e q u i r e m e n tt h a tp l a n ta n dt r a n s f o r m e rs t a t i o n s w a n tl e s s o p e r a t o r s v i d e ot e c h n i q u e ，c o m p u t e rt e c h n i q u e ，c o m m u n i c a t i o n t e c h n i q u ea n di n t e r a c tt e c h n i q u ea r eu s e di n t h i ss y s t e m r e m o t em o n i t o r i n g s y s t e mi np o w e rs y s t e mc a nt r a n s m i tt h ev i d e oi n f o r m a t i o nw h i c hi sc a p t u r e do n t h es i t et ot h em a s t e rs t a t i o nf a ra w a yf r o mt h es i t e ，s ot h a tt h eo p e r a t o r so nd u t y i nt h em a s t e rs t a t i o nc a l lg e tt h ev i d e oi n f o r m a t i o nf a rf r o mt h e me a s i l y t h ec o m p l e t ed e s i g nf o rt h es y s t e mh a sb e e ns h o w ni nt h i sp a p e r , a n dt h e m a i nw o r ki ss h o w na sf a l l o w i n g ： f i r s t l y , p r a c t i c a lr e q u i r e m e n t so fs y s t e ma r ea n a l y s i s e d ，a n da c c o r d i n gt ot h e f u n c t i o n s ，t h ew h o l es y s t e md e s i g ni sf i n i s h e dw h i c hc o n t a i nv i d e oc a p t u r e ， i n f o r m a t i o nt r a n s i m i t i o na n dt h ec o n t r o ls o f t w a r e d i f f e r e n tm o n i t o r i n gp l a n sa r e d i s c u s s e d , a n dt h ep r o b l e mt h a tp o w e rs y s t e mt e l e c o m m u n i c a t en e ti st o on a r r o w t ot r a n s m i tv i d e oi n f o r m a t i o ni sr e s e a r c h e d ，a n dt h er e s o l u t i o ni sg i v e no u t a l l a b o v ea r eu s e f u lf o rt h ee n g e e r i n gd e s i g ni nt h ef u t u r e s e c o n d l y , t h eh a r d w a r ed e s i g no f v i d e oc a p t u r e 。i sp r e s e n t e d d m6 4 2w h i c h i sm a n u f a c t r u e db y1 7i su s e da sac o n t r o l e rt ok e 印m a s si n f o r m a t i o nc a nb e c a p t u r e da n dt r a n s m i t e d t h ew h o l es y s t e mi sd e v i d e di n t os e v e r a lm o d u l el i k e v i d e om o d u l e ，r e p l a ym o d u l e ，i n t e r a c tm o d u l ea n de t c a l lt h em o d u l e sa r e i n t r u d u c e di nd e t a i l t h i r d l y , s o f t w a r ed e s i g n s o f t w a r ee n v i r o n m e n tl i k ec c s ，b i o sc o n f i g u r ei s i n t r o d u c e d ，t h e nr f 5s o f t w a r ef r a m ea n dd r i v e rm o d u l eo fd m 6 4 2i su s e di n p r o g r a m et of i n i s hv i d e of u n c t i o na n db o t t o md r i v e r ，s ot h ev i d e oc a p t u r ea n d r e p a l yc a nb eu s e d f i n a l l y ，h a r dd i s ks t o r a g eo ft h es y s t e mi si n t r o d u c e d a f t e ri n t r o d u c i n gt h e b a s i ck n o w l e d g eo fh a r dd i s k ，t h ei d ea n df a t 3 2a r eu s e dt of u f i l l s t o r a g e 哈尔滨工程大学硕士学位论文 f u n c t i o n n l es y s t e mc a nu s ei d et ow r i t ea n dr e a df r o mt h eh a r dd i s ki n 汀3 2 f o r m a t k e yw o r d s ：r e m o t em o n i t o r i n g ；d m 6 4 2 ；v i d e oc a p t u r e ；h a r dd i s ks t o r a g e 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用己在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：詹不 日期：彳口穸罗年3 月9 日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 町在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后 口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：厦良 日期：a 穸9 歹年j 月1 0 日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 电力行业是一切经济活动的支柱，对我国经济建设有举足轻重的作用。 电力系统是由发电厂、变电所、输电网、配电网和用电设备组成的，并由调 度控制中心对全系统进行统一的管理调度。对电力系统进行监控是使电力系 统实现高效的生产管理模式的必要保障。 在现代的电力系统中，调度控制中心需要采集和处理的数据量很大，实 时性要求高，目前已使用电子计算机对电力系统进行监视和控制，实现电力 系统的“四遥”，即：应用通信技术传送被测变量的测量值，称为远程测量， 简称遥测；应用通信技术完成对设备状态信息的监视，称为远程信号，简称 遥信；调度控制中心送给发电厂或变电所的远程命令，如控制命令和调节命 令等：应用通信技术，完成改变运行设备状态的命令，称为远程命令，又称 遥控；对于具有两个以上状态的运行设备发出的远程命令，称为远程调节， 简称遥调【l j 。 随着我国电力事业的蓬勃发展，各类发电厂和各级变电站逐年增多，分 布也越来越广，有的靠近城镇，也有的则位于水库，矿山等边远地区。于是， 对于距离几十甚至几百公里的生产一线采取昼夜派遣值班人员的工作模式显 现出很多弊端。远方调度中心的工作人员也希望能实时了解到现场各类生产 设备和仪器是否工作在正常状态。这种情况下，电力行业对第五遥“遥视”系 统的需求日益迫切。 “遥视”系统可以安装在各类发电厂和变电站，用于监视各类设备的运行 状态，尤其可以安装在不便于运行维护人员观察的地点，进行不间断的实时 监控，便于发现不正常的现象( 如烟火和各类事故前兆) ，以便及时发出控 制指令避免事故或者减少损失。也为事故后的调查提够视频信息，更准确地 分析事故原因。在变电站使用遥视系统可以更好的实现无人值守或者少人值 守的工作模式，监控主要设备( 如变压器刀闸开关等) 是否工作在正常状态， 大大减少人员的负担，同时也提高了管理质量。这类系统同时也兼具了普通 安防系统的传统功能如防火防盗等，对电力系统自动化起到十分积极的作用。 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 mlllli ； 电力系统的“四遥”已基本上全面实现，随着电子信息技术的快速提高以 及监控行业的飞速发展，电力遥视系统也会在不久的将来全面实现。 1 2 遥视系统的应用现状和发展趋势 1 历史以及应用现状 电力遥视系统最早起源于安防监控系统。在国内外市场上，模拟视频监 控技术的发展己经非常成熟、性能稳定，在实际工程中得到广泛应用，特别 是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛。数字视频系统是新近崛起的 以计算机技术及图像视频压缩技术为核心的新型系统，该系统解决了模拟系 统的部分弊端，但仍需迸一步完善和发展。由于各种原因，我国在监控行业 的水平始终落后于西方国家，直到上世纪8 0 年代，才逐步接近甚至在某些方 面赶超发达国家。这些技术和应用上的实践都成为电力遥视系统发展的基础。 电力遥视系统最早应用于变电站，在近一段时间才在电力系统各个部分 得到飞速发展。开始的时候并没有专门针对电力系统的监控设备，仅仅是把 具有一定通信功能的安防系统复制到电力系统中，但是由于在管理软件和通 信系统上很难满足电力系统生产管理的需求，致使这样的系统十分不适合电 力系统的监控要求。这种情况下，专门针对电力系统的监控系统开始受到人 们的关注并逐步走到现实应用中。 电力遥视系统的发展大概经历了三代。第一代系统采用h 2 6 1 压缩标准， 使用电话专线作为传输介质，由于通信信道的限制，图像质量很低，动画效 果明显，效果很不好。第二代遥视系统采用i s d n 专线和e 1 信道，采用点对 点的图像传输模式。这样，该模式就需要图像经过两次的解压过程，对图像 影响比较大，但是在当时的技术条件下，这些缺点都是可以接受的。这种方 式在现在的一些地区和部门仍然在使用。第三代遥视系统采用电力系统传统 通信信道和宽带相结合的通信网络，采用m p e g 4 的压缩技术，构建了一个 多媒体网络系统，是目前较为先进的技术方案。 随着经济技术条件的不断改善以及对监控需求的不断增加，我国电力系 统各厂站部门使用监控系统的比率日益提高，但是也有很多问题。首先，监 控系统不是遥视系统，很多单位只是能监控到某一区域的设备，或用于防火 防盗，无法把这些监控资源整合成一个系统，更不能将图像信息送向远方或 2 哈尔滨二 程大学硕士学位论文 上级单位。其次是电力部门没有对遥视系统提出具体的行业规范，导致各个 单位按自己的财政情况和偏好使用不同的监控方案，这样就使得各个区域的 设备在系统整合上出现问题，标准和协议都无法兼容。再次由于设计方案不 同，各地的监控系统各有特点，难以完成统一的技术升级维护。 2 电力遥视系统的特点【2 】 ( 1 ) 对后台软件的要求高 电力遥视系统设计的设备和标准复杂繁多，从摄像机拾音器到通信设备 都有各自的规格和技术要求，把这些设备整合成一个系统并且能保证这个系 统稳定运行操作可靠，就要求遥视系统的软件一定是具有良好开放性的成熟 软件，可以兼容多个厂家的产品，可支持多种通信协议。 ( 2 ) 需要传输的信息量十分巨大 即便采用先进的压缩标准，如果要传输高质量的画面信息，通信系统所 要传输的信息量也是十分巨大的。若分辨率为1 0 2 4 5 7 6 ，以h 2 6 3 标准进行 压缩，一路视频的传输量也要达到几兆，一个厂站若传输8 路视频，就可达 到几十兆。电力通信网络本身就是受限信道，很难承受如此大的传输量。如 果系统设计不好，性能会受到十分严重的影响甚至无法工作。所以要制定合 理的调度策略，避免传输拥塞。 ( 3 ) 分层设计 根据电力自动化系统的分层设计原则，遥视系统也按照分层设计。以电 厂为例，整个遥视系统分为车间层，厂级监控层，和远方主站层。电厂层主 要完成遥视信息的采集和遥视设备的控制，包括摄像机，云台，拾音器，报 警探测，遥视信息采集硬件终端和通信接口等等。在厂级监控层协调各个监 控点的视频监控，远方主站则负责整个调度范围内的视频监控，协调各个厂 站的视频监控。而整个电力遥视系统的设计也要遵循这样分层分散式的设计。 ( 4 ) 强电磁干扰运行环境 不论是变电站还是发电厂，整个遥视系统必定会处在强电磁环境之下， 操作过电压，短路电流甚至是变压器，发电机等正常运行着的设备都会对遥 视系统设备产生电磁干扰，甚至损坏设备。因此，设计安装过程中一定要考 虑过电压冲击和电磁干扰的问题。 3 电力遥视系统的发展方向 ( 1 ) 以流媒体为特征的电力多媒体自动化 哈尔滨工程大学硕士学位论文 虽然遥视系统采用了基于t c p i p 的网络结构，但是由于信道容量的限 制，网络传输的瓶颈很多，所以如何利用信道资源将是电力自动化系统今后 要面对的重要问题之一。多媒体信息的综合传输和多媒体网络的高技术要求 必将使电力遥视系统具有流媒体的特征。 ( 2 ) 遥视系统与电力自动化系统相融合 遥视系统最早作为电力自动化系统的一个子系统存在，目的是保证无人 或少人值班变电站的安全运行。今后，电力遥视系统应更好的与电力自动化 系统融合，甚至执行其一部分操作，比如远方运行方式的切换等。 ( 3 ) 红外热成像技术与电气设备的在线检测 电气设备的异常和故障会引起设备的局部温度明显上升，这一过程在红 外热像仪上会显示得非常清楚，因此可以基于这一原理将电站运行设备的红 外热像传到监控人员的监视器上。同时还可以通过识别色彩和形状的变化来 发现电力设备的正常与否。 ( 4 ) 利用计算机视觉技术开发高级应用软件 遥视系统可以将厂站的图像传送到后方主站，但是这些信息还需要人来 监视和分析处理，很多时候人们的处理不及时或者不精确，这些都可能导致 事故隐患。利用计算机视觉可以解决这类问题，通过这种技术可以分辨出刀 闸是否分合，某些设备是否处于正常的状态和位置。这种技术和软件也是日 后发展的重要方向。 1 3 论文的主要内容 1 论文的主要研究内容 ( 1 ) 电力遥视系统体系设计 电力遥视系统是一个复杂的结构，涉及监控，通信，分布式控制，电网 自动化等多方面专业，设计过程中要兼顾系统性能与用户需求，还要分析电 力系统自身的特点，比如，传输网络信道受限，硬件是否兼容等多方面的要 求。本文针对这些特点给出分析和计算，提出了相应的解决方案。 ( 2 ) 视频采集终端的硬件设计 监控系统有很多的解决方案，本文采用嵌入式的采集终端，制作一套硬 件系统，同时设计相应的软件程序并最终实现视频采集，处理，回放和网络 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 传输的基本功能。 ( 3 ) 设计硬盘存储模块 为视频采集终端设计了硬盘存储模块。根据i d e 协议，设计接口驱动程 序和相应的应用程序，实现系统对硬盘进行读写操作的功能。 2 论文的结构安排 本论文的组织结构安排如下： 第1 章介绍了本课题的背景和意义，分析电力遥视系统的发展动态，针 对电力系统的特点，对所要解决的技术问题进行了简要的介绍。 第2 章主要分析了用户的需求和遥视系统应该具备的功能，按照采集终 端、传输信道和后方主站的顺序给出了整个系统的设计；通过分析电力系统 网络传输信道的特点，提出了全新的分级监控方案。 第3 章介绍了系统的硬件框架和各部分组成，详细介绍各功能模块的接 口设计并给出了相应的示意图，描述了各部分的原理和工作流程。给出了硬 件的具体实现。 第4 章引入软件实现的平台，以及针对d m 6 4 2 的软件框架r f 5 。同时 介绍了适合本系统的驱动。给出了软件程序和相应的框图，详细描述了视频 通道的配置，以及采集，处理，回放，网络传输等功能的实现过程。 第5 章介绍了硬盘的基础知识和i d e 接口，根据协议，进行硬盘接口设 计，最后实现硬盘存储的功能。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章电力遥视系统的实现方案 2 1 电力遥视系统功能分析 2 1 1 遥视系统技术要求 为了满足对现场设备的监控要求，电力遥视系统必须可以长时间连续工 作，这样就对系统设计的可靠性、安全性、可维护性等方面提出了较高的要 求，具体表现在以下几个方面： 1 可视性要求 要求具备足够的分辨率，图像连续，无马赛克，无抖动，清晰模式下， 能大于每秒2 5 帧。 2 可靠性要求 要求该系统可长时间不间断运行，系统工作稳定。要求系统与其各个部 件在规定期限内连续两次故障间隔时间的平均值大于1 0 0 0 0 小时；故障后易 于修复，尽量减少恢复的时间。 3 安全性要求 系统应能够提供多种安全保护措施，可对异常状态及时报警，以便让管 理人员能够尽快了解所发生的情况并及时处理，同时还要兼具记录的功能， 方便事后调阅，查找原因。 4 较强的实时性要求 监控系统对信息的传输要及时，不能有过大的延时，否则难以及时跟踪 被监控对象的状况。“总延迟时间”是衡量这一性能的指标，延迟时间主要包 括视频传输延时，摄像机切换时间等。由于各地具体情况不同，在相应电力 部门的技术规范书中应指出某些具体的技术参数。 5 易用性和易维护性要求 该系统应具有良好的人机界面，便于人机交互。同时，监控系统要具备 通用性和灵活性，对系统进行少量修改或扩充之后，就可以增加新的监控点， 而且新增的监控点要易于与原系统兼容。 6 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 6 丰富的系统功能要求 要求监控系统不仅能够提供一般的报警功能，针对特殊设备可以加装相 应的感应器件( 如监控温度，湿度等) 以利于检测设备状态。可对当前采集 的数据进行记录并且保存历史数据，并能对环境设备运行状态和参数进行直 观显示。 2 1 2 遥视系统功能描述 电力遥视系统可以实时采集视频图像信息，可以对其进行压缩编码，使 之可以通过电力系统各种通信信道传输。根据情况为每个厂站发出的视频信 息合理分配带宽，防止出现网络堵塞的情况。可适当采取减少上传视频路数 或者减少每秒传输图像的帧数等方法来求得较好的实现方案。基本功能如下： 1 具备主控和分控的功能。在主控机上可以完成对监控设备相应的控制， 包括切换画面，控制云台，变焦等。 2 数字化硬盘录制和回放。可以将视频信息存储到监控点附近的硬盘上， 便于查找，管理和处理。 3 采用电子地图呈现厂站现场的布局，在电子地图上可以清楚的看到每 个监控点及其监控范围。 4 设置操作权限，操作人员对系统的控制只能限制在被许可的操作权限 范围内。根据级别不同设置相应的密码。 5 针对不同情况，采用红外热像仪拍摄运行设备的红外热像，在线监控 运行状态，可以向其他电力自动化设备提供适当的信号。 6 与能量管理系统等其他电力自动化系统兼容，根据相应协议进行接口 设计。可以通过t c p i p 方式向远方发送图像。 2 2 视频采集终塥- * i i j 的方案分析及选择 随着监控系统的发展，三种监控方案【3 1 成为主流，这些设计方案有各自 的背景和特点。下面进行具体的介绍和对比，同时给出本设计使用的方案。 1 模拟视频监控系统 这种监控方案主要包括两种方式：首先是一对一的监视系统，即摄像机 7 哈尔浜工程大学硕士学位论文 与监视器构成一对一的监视系统，连接方式是靠电缆一对一直接连接，有多 少个摄像机就有多少监视器，是闭路电视监控系统发展的雏形。这种一对一 的模式对监视器是一种很大的浪费，于是便有了切换控制电路系统，即使用 视频切换器来节省监视器。但是，对监视范围要求的进一步扩大以及对变焦 镜头和云台的引入，也导致控制器的出现，缺点是传输距离近，布线复杂， 操作繁琐，升级困难，无法实现区域联网。 第二种方式就是闭路电视监控系统( 即由摄像机，电视监视器和普通录 像机组成，图象以模拟形式存储在录像带上) 。这种方式的局限性也是很明显 的。首先，有线模拟视频信号的传输对距离十分敏感，会使图象质量下降； 其次，智能化程度不高，不能对监视画面进行处理和取舍；再次，如果要在 同一个监视器上显示多个目标，就要附加视频切换器或多画面分割器，操作 复杂，布线困难；最后，有线模拟视频信号数据的存储会耗费大量的存储介 质，查询取证时十分烦琐。 2 基于p c 机多媒体卡的视频监控系统 由p c 机插视频卡构成，在监控现场，有若干个摄像机、各种检测、报 警探头与数据设备，通过各自的传输线路，汇接到监控终端机上，该终端可 以是一台p c 机，也可以是专用的工控机。除了处理各种信息和完成本地所 要求的各种功能外，系统利用视频压缩卡和通信接口卡，通过网络将信息传 到一个或多个监控中心。这种系统终端功能较强，便于现场操作。但稳定性 不好，视频终端( 如c c d 等视频信号的采集、压缩、通讯) 较为复杂，可靠 性不高；而且p c 也机需专人管理，而且一旦死机会导致整个系统瘫痪，特 别是在环境特殊或空间狭窄的监控区域，这种方式很不理想。 3 基于嵌入式视频服务器的网络数字监控 把摄像机输出的模拟视频信号通过视频服务器直接转换成数字信号。这 种嵌入式系统专用服务器具备视频处理、网络通信、自动控制等强大功能。 采用i e 浏览服务器使得监控浏览范围达到前所未有的广度，这意味着可以上 网的计算机就可以看到任意监控点的实时情况。而网络服务器可完成对监控 系统的管理任务如存储、检索等。 相比较而言，第三种方式最先进，效果最好，与前两种方案相比具备以 下优点： 不需要p c 来处理模拟视频信号，而是把摄像机输出的模拟视频信号通 8 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 过独立的嵌入式视频服务器直接转换成d 数字信号通过网络进行传输。嵌入 式视频服务器采用专用操作系统，工作稳定，安全可靠，并且结构紧凑，非 常便于在有限空间安装。嵌入式视频服务器具备视频处理、网络通信、自动 控制等强大功能，不仅完全替代p c 机加多媒体卡的方式，而且减少了故障 点，提高了系统整体可靠性。嵌入式视频服务器的网络数字监控系统是一种 完全基于i p 网络的设计方案，所以可方便地通过以太网接入己存在的信息网 络中，能通过光纤、无线等通讯方式实现远程监控。嵌入式视频服务器网络 数字监控系统具有模块化结构的特点，易于升级，便于增设监控点，大大降 低了扩容成本并且保护了已有投资。随着微处理器、微电子工业和网络技术 的蓬勃发展，基于嵌入式视频服务器的网络数字监控系统日益成熟，成为当 今的主流，本文也采用这种方式。下面介绍一下本文采用的监控方案。 本系统采用基于嵌入式视频服务的监控方案。选用t i 公司系列d s p t m s 3 2 0 d m 6 4 2 为整个系统的核心芯片，同时配合s d r a m 、f l a s h 、视频 编解码芯片等外围器件，制作采集终端装置。整个终端包括视频采集模块、 视频回放模块、网络传输模块、电源模块、网络模块等等，可以完成视频信 息的采集、回放、网络传输这些基本功能。整个遥视系统的示意图如下： 图2 1 遥视系统示意图 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 2 3 电力遥视系统通信网络研究 2 。3 1 电力系统通信网络分析 我国遥视系统所采集的音视频信息要通过电力系统自身的通信网络传 送，这也是其不同于其他监控系统的显著特点。尤其是当传输距离较远的时 候，通信网络的各项性能就显得更加重要。可是，电力系统的通讯网络原本 用于传输语音信息和测量数据，对于传输多媒体信息显得有些力不从心，而 且根据地域不同，所使用的传输方式也有各自的特点。这些客观事实都对遥 视系统提出了苛刻的要求。这部分重点研究一下电力系统现有的各种通信手 段，并分析它们传输遥视信息的可行性，最后给出具体的可行性方案。 1 e 1 网络 电力系统在建设电力数据专用网络的时候，使用了与欧洲标准相同的e 1 体系的p c m 系统，使用i t u t 的g 7 0 3 标准。该信道包括3 2 个话路( 每个话 路带宽为6 4 k b p s ) ，其中的3 0 个话路用于传递信息。可以看出，该网络较为 成熟，是传递视频数据的可靠信道，但是使用时信道容量过小的问题也十分 突出。 该信道属于带宽受限信道，由于信道内还要传递一些远动和保护信息， 能用于传递视频信息的带宽并不多，而且还必须防止多路视频同时涌入信道。 这样就要使用专用的通信控制g v 转换器。该转换器可以实现以太网口到 g 7 0 3 接口的转换，即实现1 0 1 0 0 1 0 0 0 m b p s 到2 0 4 8 m b p s 的转换。 2 光纤通信 随着通信网络的发展，光纤通信在电力系统通讯中也扮演着越来越重要 的角色。单独架设通讯光缆费用较高，而且需要利用电力系统现有杆塔等架 设资源，所以，现在的做法是把光纤和架空接地线结合到一起，同时解决通 信和避雷的问题。下面就详细介绍一下电力系统通讯专用的地线复合光缆 o p g w l 4 】。 光纤复合地线o p g w ( o p t i c a lg r o u n dw i r e ) 又称地线复合光缆、光纤 架空地线等，是在电力传输线路的地线中含有供通信用的光纤单元。它具有 两种功能：一种是作为输电线路的防雷线，对输电导线抗雷闪放电提供屏蔽 保护；另一种是通过复合在地线中的光纤来传输信息，o p g w 是架空地线和 l o 哈尔滨工程大学硕士学位论文 光缆的复合体，但并不是它们之间的简单相加。 o p g w 光缆主要在5 0 0 k v 、2 2 0 k v 和l1 0 k v 电压等级线路上使用，受线 路停电、安全等因素影响，多在新建线路上应用。光纤通信的主要特点包括： ( 1 ) 传输速率高，多采用2 4 芯光纤，带宽为2 5 g - - 4 0 g 。传输多路高质 量视频不仅绰绰有余，可以肩负其他的远动保护信息，使传输效果有质的飞 跃。 ( 2 ) 可靠性高，结构紧凑性好，高抗拉强度，短路电流对电网和通信网 间的相互干扰小，。不受环境条件的影响，不论是何种地形天气，只要铺设完 毕，就可以一直使用。 ( 3 ) 使用和维护方便，但是光纤通信也有相应的问题，如二次布线受制 于各种因素不利于施工。同时由于配电网中需要控制的设备很多，且十分分 散，所以在配网中全部采用光纤通信技术施行难度较高。 3 电力线载波 电力线载波( p l c ) 是电力系统特有的通信方式，电力线载波通讯是指利用 现有电力线，通过载波方式将模拟或数字信号进行高速传输的技术。 能用于远程传递视频数据的只有高压电力线载波技术，而高压电力线载 波技术有其独特的特点，分析如下： ( 1 ) 电力线载波通信距离长，不受地形、地貌影响，施工期短、设备简 单，而光纤、微波长距离传输时必须设置中继站成本高。 ( 2 ) 无需重复投资，可直接利用现有大量的高压传输线。载波通信网一 直是电力调度通信的基础网络，目前在我国已建成长达6 7 0 0 0 0 k m 的3 5 k v 以 上电压等级的输电线路，形成了庞大的电力线载波通信网。 ( 3 ) 电力线载波通信可靠性高，高压输电线结构坚固，高压输电线安全 设计系数比光纤的安全设计系数高。 ( 4 ) 发信功率有效利用率高传输距离长。 ， ( 5 ) 具有等时性，只要高压输电线一架通，载波通道就开通了。输电线 架设到那里，载波通信线路就可以延伸到那里。目前我国1 1 0 k v 输电线路上 和3 5 k v 的农网上还有大量的电力线载波机在运行，对其加以合理的发展，使 之可与高速、宽带技术长期并存，互为补充。 但是，作为远程视频信息的通讯媒介，电力线载波技术的缺点也是明显 的，最主要的瓶颈就是线路容量问题，传统高压输电线载波通信仅有4 k 到8 k 哈尔滨工程大学硕士学位论文 的带宽，使用更新后的数字载波技术和相对先进的调制方法，最大带宽也仅 能达銎j 6 4 k b p s 。对视频采集前端和压缩技术提出了苛刻的要求，而且多数情 况下，电力线载波还要肩负传递电话信息，远动信息和远方保护信息的任务， 所以可分配的带宽更为有限。所以，使用的时候只能以非常低的分辨率传递 低帧率的视频数据，用于简单的定性分析。随着调制技术的发展和数字电力 线载波的普及，电力线载波容量的问题会逐步得到解决，但是近期内大批量 使用面临较大的挑战。 4 微波通信 微波是指频率在3 0 0 m h z 一3 0 0 g h z 范围内的电磁波，进行通信的时候需 要在发信端把需要传送的信号转换成无线电信号，通过中继站的多次传递， 再在接收端把无线电信号回复为原来信号【5 】。其优点如下： ( 1 ) 微波占有频段很宽，可容纳多个无线电设备。 ( 2 ) 抗干扰强，受工业，天气等影响小。 ( 3 ) 直线传播，定向性好，保密性高。 这种通信方式的主要缺点是需要大量的中继站，一次性投资较大，而且 有“出门效应”，对地理环境，施工选址都有影响，最好是使用现有已建成设 备，否则不如搭建光纤。 电力系统通信中，微波线路的带宽达至u 3 4 m b p s ，足够传输多路视频信息， 1 4 0 m b p s 的微波通信系统也正在搭建普及中，相比有线的传输方式，微波有 其独特的特点和使用方法，是远程遥视系统通信信道重要的组成部分。 2 3 2 按对象分级的监控机制 电力通信两络的带宽过窄，这样，图像压缩就显得十分重要。但是国家 并没有颁布相应的标准，各地区情况又各不相同，这些原因导致各个单位各 自使用不同的硬件以及压缩标准。现行的遥视系统多采用p c 机加视频采集 卡作为采集终端的硬件。而压缩标准多采用h 2 6 3 或m e g 2 压缩标准。本文 建议使用现在较为流行和先进的h 2 6 4 压缩标准，该压缩标准的特殊优点包 括【8 】= 分层设计( 编码层和提取层) ，高精度、多模式运动估计( 1 4 像素精度) ， 4 x 4 块的整数d c t 变换，帧内预测技术( 可以进行帧内空间预测) ，面向i p 和无线环境( 优先级，帧内刷新) ，多宏块划分模式( 7 种不同的模式，能 1 2 哈尔滨工程大学硕十学位论文 更有效的分析视频对象，提供多参考帧，获得更好的编码效果) 。使用了上面 诸多的新技术之后，该标准可有更高的压缩比和强大的纠错能力，能够适应 窄带和多变的网络，这些优点尤其有利于电力系统的通信网络，通过文献的 测试结果和比对，可得到如下结果： 在同等图像质量的条件下，h 2 6 4 的压缩比可达到m p e g 2 的2 倍以上， 是m p e g 4 的1 5 - - - 2 倍( 详见表2 1 ) 。与先前的压缩技术相比，h 2 6 4 压缩 技术将大大节省传输时间和数据流量，同时还保持更高质量的图像。 表2 1 压缩算法的比较 m p e g 2h 2 6 4 8 8 g3 5 g8 9 7 m 压缩比2 5 ：11 0 2 ：1 2 分级监控机制： 遥视系统的监控对象主要是远方变电站和电厂里的发电设备，下面列举 部分监控对象。 火电厂：机组锅炉，炉膛火焰，锅炉汽包，汽机，电缆母线区域，水处 理，灰控制区域，中控室； 水电厂：水轮机层，发电机层，机组单元控制室，进水口，励磁变压器 室，变电所等： 变电所：人员操作过程，远动装置动作情况，各仪表显示，刀闸状态。 可见，虽然远程视频监控的对象繁多，但对监控质量的需求并不是相同 的，对于有些监控对象需要做到高清晰地连续播放，可以实时传递图像信息， 供远方指挥部参考( 比如观看现场人员操作，观察刀闸闭合情况) 。有的监控 对象对清晰度有较高的要求，比如炉膛火焰颜色，汽包位置等。这些都需要 较高的分辨率和传输帧率，应分配较大的带宽。而有些监控点只是用于定性 分析，比如对于电缆母线，进水口的观察，对于这些监控对象不需要使用高 分辨率的监控方式，可以尽量节省带宽，使用较低的分辨率和较慢帧率即可 满足需求。 这里提出针对监控对象分级的概念，配合对电力系统信道的研究，为日 后针对不同监控对象确定监控方案做好铺垫。 ( 1 ) 高清晰模式：采用4 c i f 格式，4 ：2 ：0 ，分辨率为7 0 4 5 7 6 的彩色图 像，每秒2 5 帧。相当于d v d 画质，连续性也很好，是质量最高的模式。每 哈尔滨工程大学硕士学位论文 秒需要传送的数据量计算如下： 7 0 4 5 7 6 x 4 2 5 ：3 9 6 k b p s ( 2 - 1 ) 1 0 2 4 l u u ( 2 ) 中等清晰模式：取用c i f 格式格式，4 ：2 ：0 分辨率为3 5 2 x 2 8 8 的彩 色图像，每秒1 5 帧，v c d 画质，清晰度一般，画面略有停顿。每秒需要传输 的数据量： 3 5 2 1 x 2 8 8 x 4 x 一15：594kbps(2-2) 1 0 2 4 1 0 u ( 3 ) 低清晰模式：q c i f 格式，4 ：2 ：0 ，分辨率为1 7 6 x 1 4 4 的彩色图像， 每秒6 帧。采用很低的分辨率和传输帧率，仅用作定性观察或传递运行声响 的场合。 1 7 6 x 1 4 4 x 4 x 6 ：5 9 4 k b p s ( 2 3 ) 1 0 2 4 1 0 0 具体实现的时候，应该结合当地网络资源，根据不同信道合理搭配这几 种模式，充分有效的利用网络资源，达到远程监控的目的。 2 3 3 电力系统通信网络使用原则 由于电力数据专用网是有限带宽网，而且电力系统通信网络本身肩负着 很多传递其他信息的任务( 如远动信、保护信息、遥调信息等) ，所以不论 使用怎样的压缩标准和哪种媒介方式，都要限制遥视信息的传输总容量，防 止其严重消耗宝贵的网络资源，根据这个思路提出下面三个规则： ( 1 ) 限制传输音视频路数。 ( 2 ) 规定每个厂站可使用的最大带宽，必要时宁可选择较低的清晰模式 也要保证不挤占其他网络带宽。 ( 3 ) 使用网络组播技术，最大程度利用现有带宽。 2 4 遥视主站 电力遥视系统的主站是遥视系统的核心，位于整个分层结构的最上端。 本节主要给出遥视主站软件功能设计，同时讨论遥视系统与其他电力自动化 系统融合的问题。 1 4 哈尔滨丁程大学硕士学位论文 2 4 1 遥视主站的结构 电力调度和电力自动化是分层设置的，遥视系统的设置也应基于分层原 则建设。遥视主站系统涉及调度和集控站两个层次，构成了一级主站，二级 主站等多级主站的分层结构，如下图所示： 图2 2 主站的分层结构 其分层原则如下： ( 1 ) 各级主站相对独立，相互之间不会影响主站和其他分站功能的实现。 ( 2 ) 各级遥视主站之间的关系由接口和协议确定，这些协议应该逐步标 准化，下级主站为上级主站服务，服从上级主站的指令，操作权限由上级 主站决定。 2 4 2 遥视主站的系统软件 遥视主站软件按功能可分为监控软件和视频转发软件。前者用于主控计 算机和分控计算机完成遥视系统的正常监视和控制。视频转发软件运行于视 频服务器，用于向其他网络转发视频信息。 监控软件应包括以下功能： ( 1 ) 调度与管理：负责协调各个视频发送播放的时序，处理异常运行以 及视频信息接收，管理从网络上接受视频信息流，并存入指定位置。 ( 2 ) 视频切换：按照用户的指示切换播放的视频流，并向相应的站点发 送命令。同时要把切换时间控制在一定范围内。 ( 3 ) 视频设备控制：控制采集终端的云台，电动变焦镜头，以及后台的 画面分割器等。 哈尔滨工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 报警信息收集处理：收集各个分站报警信息并进行处理。各个报警 信息应该有不同的优先级，主站的软件同时应该具有按照级别和收到的时间 进行排序的功能。 ( 5 ) 控制信息存档和管理：对每一次控制操作进行存档和备调。包括日 期，时间，用户名，操作对象及状态等。 ( 6 ) 电子地图：可以直观的显示报警点，控制点。 ( 7 ) 遥视系统设置：设置遥视系统的运行参数和配置参数。 ( 8 ) 视频转发软件：把视频信息发送到其他站点 ( 9 ) 视频信息转发：可以将选定的视频流转发出去。 ( 1 0 ) 视频设备控制命令转发：接受其他系统发来的监控命令转发给分 站。 ( 1 1 ) 软件设置：设置相应参数，比如允许转发的视频路数和视频流的 允许带宽等。 2 4 3 遥视系统与电力自动化系统的融合 遥视系统在各地的安装使用情况不相同，与电力自动化系统融合也比较 少，这里仅就三种融合方式进行讨论，工程中应视具体情况进行详细考虑。 ( 1 ) 主站接口方式，采用r s 2 3 2 或网络接口，在主站侧将电力自动化 系统与电力遥视系统相连接，相互之间传送直接采集的或处理后得到的各类 信息，遥视系统向自动化系统提供报警等信息j 自动化系统则可以向遥视系 统发送指令，完成转动，切换画面等功能。但是，由于报警信号从发出，识 别到传送，再从主站发出相应的控制信号要经历较长的时间，会导致这种接 口方式处理报警比较迟钝。 ( 2 ) r t u 接口方式，采用r s 2 3 2 或者网络接口，在分站侧将r t u 或综 合自动化系统的遥视分站连接起来。相互之间传送直接采集的或者经过处理 的各类信息。再由r t u 或综合自动化系统向遥视系统传送主站发出的遥控操 作信息。这种连接方式与主站接口方式相比相对快捷和灵活，但是r t u 还要 额外传送分站视频切换的控制信息。这种方式会使得r t u 的控制逻辑变得异 常复杂。 ( 3 ) 接点方式，在分站侧直接将电气报警类信息接到分站的报警输入端 1 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 子和分站录像设备的报警输出端子。这样的接口方式快捷及时，但是由于报 警类信息很多，需要设置相应的逻辑控制，同时还要预留很多供报警信息通 过的电气接口。 可见，以上三种连接各有利弊，适合不同场合的需要，由于国家相关部 门没有制定相应的标准，导致很多接口协议的不兼容。具体使用的时候，应 该根据当地情况，使用通用性较强的设计方案，方便日后的升级和整合。 2 5 本章小结 本章主要介绍了电力遥视系统的配置，功能和相应的实现方案。按照视 频采集终端，传输网络和后方主站的顺序，详细介绍遥视系统各个部分的功 能，尤其针对设计实现中可能出现的问题进行详细的研究，对各种方案的利 弊给出了定性的分析和定量的分析计算，为日后工程实践提出具体的参考标 准。 1 7 哈尔滨t 程大学硕士学位论文 第3 章视频采集终互三而t 1 a 的硬件设计 在上一章详细介绍了遥视系统的整个构成，分析研究了该系统的技术要 求和各部分功能以及工程中可能遇到的实际问题的基础上。本章给出了遥视 系统视频采集终端的硬件设计。 3 1 硬件总体设计 系统是基于t i 公司的1 m s 3 2 0 d m 6 4 2 d s p 芯片设计的，该芯片适用于数 字多媒体系统，可实现复杂的音视频压缩算法，同时带有以太网口，方便通 过网络进行数据传输【6 j 。整个系统分为音视频输入模块，回放模块，网络模 块等，下面介绍整个系统的构成以及各个模块的工作原理。系统结构如图3 1 所示： 厂面百 而瓦订 u r a ts d r a m ls d r a m 2f l a s h ：扣到啪 c v b sh e m i fr 1t v p 5 1 5 0h v i d e 0 1 d m 6 4 2 型! 兰型兰! | 叫竖里! ! 卜| m a c v p l 望垒里； 图3 1 硬件结构框图 音视频模块是由视频编码芯片，音频采集芯片构成的。视频编码器 t v p 5 1 5 0 对由摄像机传来的视频模拟信号进行采样，把模拟信号转换为 b t 6 5 6 格式的数字信号，之后送入d s p 的v p 口进行处理，d s p 芯片可根据 需要对其进行识别压缩等处理。处理过的数字视频信号可由网络芯片进行打 包，之后发往因特网传输，或者存入数字式硬盘。 1 8 墨f l | 墨一 哈尔滨工程大学硕士学位论文 回放模块主要由解码芯片和监视器构成，用于向本地职守人员提供视频 影像。从v p 0 ，v p l 视频端口采入的图像数据经s d r a m 缓存后，可以直接 传入解码芯片s a a 7 1 2 l 进行解码，之后连接到当地的监视器上，无失真地实 时回放。 视频信息的数据量十分大，而d s p 内部用于存放程序或数据的缓存容量 相对较小，不适于直接处理数据图像，因此扩展了外部存储器。大容