变电站远程图像监控系统

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张 健 (浙江南望图像信息产业有限企业 杭州 310013)

唐慧明 (浙江大学信电系 杭州 310027)

　 随着无人值班变电站技术改造的不断发展，电力系统自动化程度已有了很大提高，已实现了对远方变电站遥测、遥信、遥控、遥调即四遥功能。远程图像监控系统是对四遥的进一步补充棗“遥视”，它能监视并记录变电站的安全以及设备的运行情况，监测电力设备发热程度，及时发现、处理事故情况，有助于提高电力系统自动化的安全性和可靠性，并提供事后分析事故的有关图像资料。同时它还具有防火、防盗等功能。因此越来越多的电力局把远程图像监控系统作为自动化变电站管理的新手段。

数字远程图像监控系统是近期发展起来的新技术，它是超大规模集成电路、通信、网络和计算机技术发展的产物。由于数字式远程图像监控系统与模拟式系统相比，具有占用信道资源少、图像质量好、抗干扰能力强等优点，目前远程图像监控系统一般采用数字式。本文根据实际工作经验，简要先容其基本原理和工程设计方面应该考虑的问题。

1 数字图像传输的基本原理

数字远程图像监控系统与会议电视、可视电话有相似之处，核心都是利用数字图像压缩技术实现视音频通信。

我国采用的PAL制电视信号，是由25帧/秒的图像序列组成的，为了在数字信道上传输，必须先经过如下几步(图1)：

摄像机 → 数字化 → 压缩编码 → 数据复合 → 信道接口 → 信道

图1 数字图像传输

①数字化，即通过采样和量化，将来自摄像机的模拟视频信号转化为数字信号；②数字图像压缩编码，由于数字化后的图像数据量非常庞大，达100Mbps以上，必须进行压缩编码，才能在目前的信道上传输；③数据复合，即将压缩后的图像码流与其它如音频(也经过了压缩)、报警、控制等数据进行复合，并加入纠错编码，形成统一的数据流；④信道接口，是用于将数据发送到通信网的接口设备。

在接收端是一逆过程，但经解压缩后的图像数据可直接显示在计算机屏幕上，或经复合后在电视监视器显示。

数字图像压缩编码就是去除图像内容的相关性，并利用人眼的视觉特性，使压缩后数据量减少，而尽量保持图像的视觉效果不受影响。常用的数字图像压缩编码方法有基于离散余弦变换(DCT)的MPEGⅠ，MPEGⅡ,MPEGⅣ,H.261,H.263,H.263+和MJPEG，以及基于离散小波变换(DWT)的图像压缩编码。这几种方法都可用于数字远程图像监控，具体应视信道资源情况和对图像的要求而定。

有些低成本的系统采用MJPEG进行图像压缩，适用于信道较宽而对图像帧率要求不高的场合。如果信道较窄，如电话线、64kbpsDDN或基本速率ISDN (128kbps)，采用H.263或H.263+方式较好，有较高的图像清晰度和图像速率。若信道较宽，如对于局域网或E1信道(2.048Mbps)，则可采用Wavelet、MPEGⅠ或H.261，能保证较高的图像质量。若有更宽的带宽，如百兆以太网等，可采用Wavelet或MPEGⅡ等编码方法，从而获得很高的图像质量。

2 变电站远程图像监控系统的基本功能

无人值班变电站远程图像监控系统主要用于监视设备的运行情况，同时达到防火、防盗的要求。由于电力系统设备过热是一不容忽视的现象，因此图像监控系统还应具有设备过热检测等功能。一般图像监控系统应具备如下基本功能：①图像监视监听功能。在监控主站上能灵活、方便、清晰、实时地监视任一路摄像机的画面，并对其云台和镜头进行控制，还能对现场进行监听；②灯光控制功能；③安防和消防报警功能；④数字录像功能；⑤摄像机预置功能。如果一台摄像机需要监视多个目标点，带预置功能的一体化摄像机是一种很好的选择，它能预置多个监视位置的云台和镜头参数，使用时，能方便快速地转到相应预置点，并自动调整好镜头的变焦和图像清晰度；⑥警视连动功能。在发生报警时，监控主机上的图像应能自动切换到相应的摄像机，有预置功能的摄像机还能自动转到预置点，同时自动启动数字录像；⑦超温检测功能。图像监控系统应配备金属热感探测器或专用红外测温装置，能自动地进行超温检测和报警；⑧系统管理和记录功能。包括优先等级和使用权限的设置，用户操作的记录，控制权的自动协商等。

以上是一般变电站图像监控系统应具备的基本功能，此外，为了使系统更好地发挥作用，还可具备如下一些功能：①能与一些电力控制设备互连，记录和上报这些设备的运行情况；②能与计算机网络系统(MIS网)互连，使位于网络上的相关科室的计算机也能用作监控主机，有利于领导及时了解、监督和指挥现场工作；③多路分屏实时监视。系统能在一台监视器屏幕或电视墙上同时实时显示多路来自不同变电站的图像；④同时监视功能。多个监控终端能同时监控同一或不同前端；⑤为了确保变电站火灾报警的可靠性，烟雾报警应能与RTU互为备用；⑥兼有会议电视或可视电话功能。

目前远程图像监控系统的实现方式有多种形式，功能也不尽相同，除上述主要功能外，还可具备一些其它功能。

3 远程图像监控系统的结构

远程图像监控系统一般可分为前端(现场)设备、通信设备和后端设备三大部分。其中通信设备是指所采用的传输信道和相关设备，可以是以太网、ISDN、DDN、电话线等形式，传输媒介可以是光纤、微波、电话线等等。

针对我国电力系统的信道特点，设计了一种数字远程图像监控系统。

前端由一台称为编码器的监控主机和其它相关设备组成。云台镜头控制器用于控制摄像机的转动及镜头的变焦和聚集，常同时具有视频切换和报警接收功能，灯光控制器用于控制照明灯光，从而保证在光线不足时或晚间也能获得清晰的图像。

前端监控主机将切换后的视频数字化，并进行图像压缩编码，再将压缩后的视频、报警等数据复合后通过信道发送到监控接收主机。也可将音频数据进行编码，复合在一起传输，同时实现声音通信。另一方面，前端主机接收来自监控中心控制主机的控制信号，实现云台、镜头和灯光等控制，以及进行报警的布防和撤防。为保证可靠性，监控主机一般不采用计算机方式。

后端监控设备由视频监控服务器和若干监控主机组成，来自不同前端的数据，通过通信接口输入视频监控服务器，由监控服务器将其转发到以太网上，采用TCP/IP和组播(Multicast)技术。这样，在以太网上的计算机均可配置成监控主机，可由多个用户同时进行监控，每个用户可同时监控多个前端，不同用户也可同时监控同一前端，具有很大的灵活性。视频监控服务器除转发视音频数据外，还完成对整个监控系统的管理，如优先权、用户权限、日志、控制协调、报警记录等等。

监控主机可以是以太网上的普通PC机，用监控App或因特网浏览器实现图像监控功能，投资较低。

如果从前端到视频监控服务器的信道用以太网方式，则视音频数据可不通过视频监控服务器转发，直接发送给各监控主机。这时，视频监控服务器只用作系统管理。

4 远程图像监控系统的工程设计

由于目前我国对无人值班变电站的远程图像监控还未制定标准，为了确保远程图像监控系统能发挥其应有作用，在系统选型方面提出如下建议：

⑴ 一个实用的图像监控系统，必须能长期稳定地运行，才能发挥具作用。因此在系统选型时，必须首先考虑稳定性，不宜选用不成熟的系统。

⑵ 因为图像监控涉及图像压缩、计算机网络方面的新技术，而且新的技术还在不断出现，因此应该选择在图像监控方面具有较强研发能力的企业，以保证产品的先进性和升级能力。

⑶ 图像质量是图像监控系统的一大指标，一般可用图像传输分辨率和帧率表示图像质量，可用VCD和DVD来认识图像分辨率，VCD采用352×288分辨率，DVD采用720×576分辨率，对于目前的E1或以太网信道，图像监控常用352×288分辨率；帧率即每秒传输的图像帧数，帧率低时，解压还原的图像有跳跃感，活动不连续，但所用带宽较窄。在信道速率较低时，如普通电话线，为了保证监控图像的清晰度，常宁可牺牲帧率来换取图像的清晰度。

⑷ 系统有良好的可扩充性。

⑸ 有较高的信道利用率。若系统与管理信息网互联，则系统必须能对发送到MIS网上的视音频数据进行调控，并采用最有效的网络通信技术，不影响MIS网的正常运行。

⑹ 系统的功能应满足实用要求。

图像监控系统的工程设计和施工也是很重要的。如果工程设计不合理或施工质量不能保证，则很难发挥系统应有的作用，甚至形同虚设。一般地，应考虑如下一些因素：

⑴抗干扰。由于变电站的电磁干扰较严重，必须有良好的抗干扰措施，正确的接地方法，否则会严重影响图像质量，甚至引起设备损坏。

⑵防鼠咬。应该采用铠装等方法保护电缆免受鼠咬。

⑶防雷电。设备及安装应具有抗雷击保护措施。

⑷摄像机的安装应合理选择位置，使用较少的摄像机监视较多的目标，并应考虑维护方便。

⑸入侵报警和火灾报警探测器的安装应选择有效的位置，并应注意免受干扰和误触发。

⑹所选用的各种设备和器材应确保质量，应通过权威机关检测或认证。

数字远程图像监控系统对电力系统安全生产，特别是对无人值班变电站的安全运行，有着非常重要的意义。但是，数字远程图像监控系统是一种新的技术，系统涉及图像压缩、通信、计算机、网络等方面，相对较复杂，因此在工程项目的实施过程中，必须几个相关部门密切配合才能很好地完成。数字远程图像监控系统及其相关技术发展较快，性能也在不断提高，因此系统的选型，一方面应考虑功能和实用性，另一方面还应考虑先进性和产品升级等因素。施工单位的技术能力、工程经验、服务质量也是应考虑的一个重要因素，以确保系统发挥应有的作用。另外，本文给出了一种系统结构，它具有结构简单、灵活、投资低、功能强等优点，目前已在数家电力局稳定地运行。