海量存儲技術在變電站視頻監控中的應用

王文彬，王文革，王 松

（1.河南省電力通信自動化公司，河南 鄭州 450052；2.河南省電力公司，河南 鄭州 450052）

0 引言

隨著省級變電站視頻聯網的推進和變電站高清視頻技術的應用，視頻存儲在電力視頻監控系統中變的越來越重要，存儲的信息量也越來越大。監控視頻存儲系統可以更好地發揮變電站安全保障作用，值班人員可以能夠更準確分析變電站異常狀況并進行報警。事故追溯是變電站監控系統的重要功能，因此圖像存儲是視頻監控系統非常重要的一個環節。

視頻存儲根據存儲的畫面質量不同對容量需求差別很大，隨著畫面質量的提升、監控路數的增加，對存儲容量的要求會成倍增加。視頻存儲需要能夠滿足不間斷的數據讀寫，數據流量大，但訪問請求數量不高。目前視頻監控數據保存周期短，一般要求為一個月，主要采取自動覆蓋的方式。對于一些事故錄像要求能長期保存，以便能進行事后分析，為事故預防打下基礎。以720p為標準，每小時錄像需要的硬盤容量約為4～8 Gbyte，如果要保存1個月，9路監控大約要21～42 Tbyte的容量，與傳統的CIF格式相比，存儲容量增加近10倍。因此為了使系統能夠更好地運行，發揮更大的作用，視頻監控系統對系統存儲提出了更高的要求。

1 變電站圖像監控存儲系統的現狀

變電站視頻監控系統包括變電站子站和監控中心主站。在變電站安裝子站系統，主要負責視頻信息和報警信息的采集、編碼與傳輸，采用DVR進行編碼的子站還具有存儲的功能，可進行當地錄像存儲。主站負責接收子站的圖像信息和報警信息并顯示，并能實現對子站的控制，有的主站設有存儲服務器可以對變電站的信息進行存儲。以上是傳統的基于CIF或D1分辨力的顯示和存儲基本模式。根據在多個省的調研，大多數變電站視頻監控系統采用分布式存儲模式，監控中心很少安裝專門的存儲服務器。對于新建的基于720p分辨力的變電站視頻監控系統在變電站本地都設有專用的存儲服務器，在監控中心也安裝有存儲服務器。目前的存儲基本是采用直接存儲的方式，都是在服務器上連接幾個磁盤，采用點對點的磁盤系統，存儲的可擴展性和存儲性能很難提高。DVR使用IDE硬盤，沒有相應的數據保護機制，一旦硬盤損壞，將造成數據丟失。

隨著高清視頻監控系統的建設，由數字監控取代傳統技術產生出的許多數字監控的新功能正在逐漸成為主流技術。原數字化監控的核心設備DVR逐漸減少，開始被以視頻服務器結合IP SAN為核心的監控系統所替代。

2 SAN存儲系統

SAN即存儲區域網絡（Storage Area Network），由存儲設備和網絡設備構成。它是一種新存儲連接拓撲結構，主要用于代替現有的系統和存儲系統之間的SCSI/O連接。SAN是一種將數據由數據處理系統傳輸到數據存儲系統的方法。SAN的通信都在一個與應用網絡隔離的單獨的網絡上完成，可以被用來集中和共享存儲資源。它和以太網有類似的架構，由服務器、HBA卡、集線器、交換機和存儲裝置所組成。SAN可分為FC-SAN和IP?SAN，針對視頻監控系統對存儲的需求，這兩種存儲框架有各自的特點。

FC-SAN采用光纖通道技術，擁有自己的協議層。光纖通道支持3種拓撲方式：點對點方式，FC-AL方式和FC-SW方式。其中FC-SW即交換式光纖通道連接方式，最為靈活，但需要配備支持交換架構的交換模塊或FC交換機。目前的主流FC產品的帶寬可達4 Gbit/s，光纖磁盤高性能為FC磁盤陣列提供了存儲速度基礎。FC-SAN一般要單獨組網，不會受到已有IP網絡上的不安全因素影響，通過Zoning機制可以對SAN進行分區管理，避免了服務器和存儲之間的非法訪問，因此FC網絡安全系數比較高。FCSAN的高性能對應的是它的成本較高，光纖陣列、光纖磁盤、光纖交換設備和光纖HBA卡等價格都比較高，也相應增加了專業維護成本。

IPSAN采用iSCSI通信協議，SCSI協議被封裝于IP包中在LAN/WAN中進行傳輸，支持數據庫應用所需的基于塊的存儲，iSCSI是基于塊的存儲。由于通過以太網進行傳輸，用戶可以利用現有的以太網設施來部署iSCSI存儲網絡，這種部署方式不需要更改用戶的網絡體系，從而大大降低了部署成本。這種模式不但可以應用在局域網中，也可以跨過路由設備在廣域網中實現，從而大大擴展了iSCSI存儲網絡的部署范圍。這種模式的存儲系統可以直接在現有的網絡系統中進行組建，可以直接使用交換機來連接存儲設備，因此iSCSI存儲系統具有很高的擴展性，可以廣泛應用到中低端的存儲應用中。

表1顯示的是FC-SAN、IP-SAN的一些性能比較。針對視頻監控用戶的需求和數據存儲應用特點，IP-SAN架構是比較合適的。

表1 FC-SAN和IP-SAN對比表

3 海量存儲技術在變電站圖像監控系統的應用方案

現在各省市公司正在進行變電站視頻監控系統的聯網，按相關要求220 kV及以上電壓等級的變電站視頻都需要接入省級指揮中心。各部門間統一協調、統一管理的需求正越來越明顯，大監控、全局監控的建設逐漸成為電力行業構建新一代監控網絡的必然要求。省級變電站視頻監控系統建成后，將是分布式、網絡化的大型監控平臺。系統通過網絡連接了子站（變電站）、主站（地市供電公司視頻監控中心和省電力公司視頻監控中心），為三級架構。

3.1 變電站視頻監控系統現有的存儲方式

3.1.1 變電站前端存儲

變電站前端存儲是在視頻監控系統的前端設備進行存儲，由站端的遠程視頻單元（RVU）設備進行監控圖像的本地錄制和保存。對于前端存儲，由于一個變電站安裝的監控攝像機數量不多，大部分都在16路以內，存儲時間一般在30天左右，所以對存儲容量要求不高。用戶既可以通過直接登錄單個RVU進行錄像資料的點播回放，也可以在統一監控平臺進行對前端錄像資料進行集中的檢索和回放。

變電站前端存儲具有幾個優勢：一是可以通過分布式的存儲來減輕集控站或地市監控中心集中存儲帶來的容量壓力；二是可以有效緩解集中存儲帶來的網絡流量壓力，保證實時視頻信息的傳輸；三是由于圖像直接在當地存儲，在網絡發生故障時仍然可以保存現場的圖像信息，存儲安全性較高。

3.1.2 監控中心存儲

在變電站視頻監控系統中，有的采取監控中心集中存儲的方式。站端設備采集監控點圖像信息并編碼壓縮處理成數字碼流，然后通過網絡傳送到監控中心管理平臺，由監控中心管理平臺將數據分發給相應的存儲服務器進行集中存儲。

有些大型變電站視頻監控聯網系統采用多級分布的中心存儲方式，即建立主、分監控中心進行存儲。以一個省級的電力視頻監控聯網系統為例，在省電力公司建立一級存儲，在各個地市公司建立市級的存儲中心，這樣既可降低一個中心點集中存儲帶來的存儲容量和網絡流量的壓力，同時也提升了系統的可靠性。

使用多級中心存儲具有以下幾個方面優勢：1）檢索和調用錄像資源更為方便；2）存儲內容的完整性更容易保證，對重要的視頻信息可以在不同級別的存儲中心都進行存儲，這樣不會因為某個前端設備故障而導致重要內容的丟失；3）有利于制定多樣化的存儲策略，以滿足不同用戶的需求，節省資源；4）運行維護更加方便。

3.1.3 混合型存儲

對于視頻監控網絡復雜、存儲安全性和可靠性要求高的系統，可以采用既有集中存儲也有前端存儲的建設模式，這樣的存儲系統兼具二者的優勢，提高了系統的安全可靠性，但建設和管理成本也相應增加。

對于大規模的變電站視頻聯網監控系統，比如全省電力視頻聯網系統，通常采用多級監控中心體系，每個級別的監控中心管理其轄區內的監控資源并進行存儲。省市公司都可以對錄像資源進行查詢、下載，省級監控中心統一管理所有的視頻資源和錄像文件。這樣的存儲系統，以分布式存儲作為基礎，同時在省級監控中心設置網絡存儲服務器。短期的數據臨時存放在變電站端和地市監控中心的網絡存儲服務器內，長期重要數據比如事故錄像或反事故演習資料等上傳到省級監控中心的網絡存儲服務器中。重要監控點位的視頻資料不僅存儲在基層監控中心的網絡存儲服務器，也實時傳輸到省級監控中心的網絡存儲服務器中作為備份。

3.1.4 變電站視頻監控系統海量存儲解決方案

目前省級變電站視頻監控系統采用混合型存儲的模式，在變電站端通過硬盤錄像機進行錄像存儲，變電站一般采用移動視頻偵測錄像或采取24 h自動覆蓋錄像。在地市監控中心通過采用IP-SAN方式進行存儲，遇到發生設備故障、反事故演習或其他安全事件，將所運行維護的110 kV，220 kV，500 kV變電站的相關視頻存儲到地市監控中心。在地市監控中心制定備份計劃，采用定時自動備份的方式，將超過30天的文件資料備份到市監控中心存儲服務器相對應的目錄中，并定期進行維護。在省級監控中心也采用IP-SAN方式進行存儲，如遇到應急演練、重要變電站設備故障或其他安全事件，將省公司所屬的重要220 kV變電站、500 kV變電站的視頻錄像保存到省公司。省監控中心可以隨時調用地市監控中心存儲的重要視頻資料。系統結構如圖1所示。

在進行視頻監控的存儲系統設計時，首先要對系統中攝像頭數量、采集視頻的格式和碼率、視頻服務器的數量等參數進行統計和分析，計算出系統中存儲的總帶寬壓力和存儲容量要求，設計存儲系統的網絡架構，然后再根據可選用的存儲設備型號及價格成本，最終選定存儲設備的型號。

對于存儲系統容量，按照標準每路視頻都若采用D1格式和定碼流方式。D1格式流量為2 Mbit/s。單路和100路視頻實際占用帶寬分別為

1×2 Mbit/s÷（8 bit/byte）=0.25 Mbyte/s

100×2 Mbit/s÷（8 bit/byte）=25 Mbyte/s

單路視頻每天存儲容量為

（2 Mbit/s×3 600 s）÷（8 bit/byte）×24=21 Gbyte

單路視頻每月存儲容量為

（2 Mbit/s×3 600 s）÷（8 bit/byte）×24×30=633 Gbyte

100路視頻每月存儲容量為

100×（2 Mbit/s×3 600 s）÷（8 bit/byte）×24×30=62 Tbyte

對于高清視頻監控系統，按照標準每路視頻都若采用720p格式和定碼流方式。720p格式流量為6 Mbit/s。單路和100路視頻實際占用帶寬分別為

1×6 Mbit/s÷（8 bit/byte）=0.75 Mbyte/s

100×6 Mbit/s÷（8 bit/byte）=75 Mbyte/s

單路視頻每天存儲容量為

（6 Mbit/s×3 600 s）÷（8 bit/byte）×24=63 Gbyte

單路視頻每月存儲容量為

（6 Mbit/s×3 600 s）÷（8 bit/byte）×24×30=1 898 Gbyte

100路視頻每月存儲容量為

100×（6 Mbit/s×3 600 s）÷（8 bit/byte）×24×30=189 800 Gbyte=185 Tbyte

4 小結

隨著變電站視頻監控系統聯網的推進和電網全景預警系統的建立，視頻監控系統呈現的新特點為：1）監控規模和范圍越來越大；2）視頻存儲周期變長；3）監控視頻清晰度越來越高；4）視頻監控系統不再只提供簡單的安防功能，已和其他電力生產輔助系統相結合，應用范圍不斷擴大。視頻存儲與應用在電力系統中的作用越來越重要。視頻監控的存儲系統隨著存儲技術的發展而不斷進步，在構建存儲體系時應綜合考慮成本、用戶需求、系統性能等因素。網絡化、智能化是視頻監控系統的發展方向，視頻存儲應能適應目前的發展趨勢，提供基于網絡的智能化存儲、檢索和回放。同時，由于無線系統大多構建在Internet的基礎上，而變電站視頻監控系統是建立在電力內網上的，如何實現內、外網視頻信息的合理利用也是一個重要課題。

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