高清視頻智能監控平臺在變電站的應用

王世文

（河南省電力通信自動化公司，河南 鄭州 450052）

0 引言

目前，電力系統變電站視頻監控系統普遍采用“模擬信號采集、數字信號傳輸”的傳統模式，模數轉換的過程，在一定程度上影響了圖像的質量。隨著網絡通信技術的發展，基于IP的全數字高清視頻監控系統開始在各行業出現，視頻圖像清晰、監控范圍廣、可擴展性強、智能分析等優勢使IP高清視頻監控成為視頻發展的主流。近年來，國家電網公司對數字化、智能化變電站建設力度逐年加大，隨之，對變電站視頻圖像監控的清晰度、智能化程度提出了更高的要求，將高清智能視頻監控技術應用到數字化變電站領域，利用高清視頻圖像與智能分析技術為電網提供更好的服務是必不可少的，同時，智能圖像監控技術應用和未來物聯網的有機融合具有重要意義。

1 變電站視頻監控現狀及發展趨勢

變電站視頻監控現狀有:

1）變電站視頻監控圖像清新度不高。

傳統的變電站模擬視頻監控系統已經為電力系統安全生產服務了多年，主要以安全防范設備巡檢為主，各變電站圖像監控系統大部分依然模擬信號接入方式，經過多次“數/模、模/數”轉換，圖像質量最多能達到CIF（分辨力352×288像素），分辨力達到D1標清格式的1/4，再則，站內模擬信號傳輸采用同軸線纜的接入方式，容易受到站內電磁干擾，嚴重影響了圖像質量和觀看效果。隨著智能化電網的發展趨勢以及變電站更高功能的需求，圖像格式為D4（分辨力為1280 ×720像素）是電力圖像監控系統建設的發展方向。

2）系統廠家品種多，標準不統一，協議接口互聯互通性差。

視頻圖像各大廠商私有協議不開放、信令接口規范不統一，導致監控平臺與客戶端接口、平臺與平臺之間、平臺與前端接口之間協議不匹配、互通性差，不利于可控、可管理和大規模集成的發展，不同廠家設備和協議標準也制約了IP高清視頻監控技術的發展。2010年國家電網公司頒布了《電網視頻監控系統及接口第1部分:技術要求》，規范了電網視頻監控系統組成及主要功能、性能、接口、協議和編碼格式等[1]，該標準的出臺對電網視頻監控建設具有指導性意義。

3）傳輸網絡帶寬不能滿足高清視頻圖像傳輸。

根據現有的變電站圖像監控系統的模式，傳輸通道基本承載于電力通信專網SDH光纖環網，帶寬為2 Mbit/s，通過接入網橋的模式接入監控中心平臺。隨著網絡視頻監控的大規模推廣應用，出現了以分辨力720p和1080 i為代表的高清攝像機，基于IP網絡的數字視頻服務器以及IP攝像機正在成為視頻監控領域的主流，對QoS服務質量要求較高，2 Mbit/s帶寬勢必制約視頻圖像的傳輸，不能滿足未來視頻監控網絡化的發展，根據電力專網的特性，通道傳輸匯聚層利用信息網路由器專用VPN方式接入電力信息網、核心層采取大帶寬光傳送網（OTN）、密集波分技術，可滿足高清視頻高帶寬、高速率的要求。

4）圖像資源共享性差，統一管理性欠缺。

由于受不同工程投資的限制，沒有統一的規劃，結果導致不同廠家、不同時期的圖像格式繁雜，圖像無法共享；攝像頭設備的接口、協議不兼容，攝像頭云臺編碼控制一致性較差，不利于統一管理。根據國家電網公司“三集五大”的提出，特別是“大規劃、大運行、大建設、大營銷、大檢修”管理模式的推行，圖像控制中心資源共享對監控系統提出了更高的要求，逐步實現國家電網公司、省市公司和地市級公司視頻監視系統資源共享以及電網高清視頻監控、可視化調度系統、應急指揮中心各系統之間的數據共享[2-4]。

5）圖像監控功能單一，智能分析環節薄弱。

傳統變電站監控系統只局限于視頻監測功能，圖像智能化分析程度不高，隨著傳感技術的發展應用，在變電站監測對象安裝傳感系統，可以實現對無人值守站設備覆冰、站內出線的舞動、桿塔傾斜、溫濕度、風力風向等數據綜合監測，智能分析技術將采集數據與視頻圖像相結合進行集成，使傳感器采集與圖像之間聯動，達到監測分析和預警的能力，為電網減災、防災提供技術手段，降低電網事故發生的可能性，保障變電站及周圍設備安全運行。

2 高清視頻監控平臺體系構建模式

在電力系統500 kV及以上變電站，建立符合《國家電網公司企業標準 電網視頻監控系統及接口》標準、基于IP網絡、分辨力為1280 ×720像素的高清智能視頻圖像監控平臺。在220 kV研制開發變電站的視頻監控系統協議轉換網關，通過該網關實現原有變電站視頻監控系統和監控設備的接入，解決目前存在的由于不同建設時期選用不同廠家產品而導致的標準不統一、技術路線不一致問題；實現接口開放，與其他電網調度系統、應急指揮中心、行政軟交換系統辦公自動化系統以及未來輸電線路視頻及狀態監控系統有機融合、無縫對接。

高清視頻智能監控平臺的構建能夠實現國網公司、省公司和地市供電公司三級視頻監控系統分區域管理，建立統一存儲數據的圖像控制中心，實現三級視頻圖像資源共享。視頻監控平臺系統硬件需要支持多路視頻終端的并發視頻管理能力，滿足大容量、高可靠視頻監控系統的負載要求。多區域高清視頻監控系統分層結構見圖1。

3 高清視頻監控平臺接口

2010年國家電網公司對《電網視頻監控系統及接口標準》進行了規范和嚴格定義，明確定義了接口A、接口B以及接口協議結構，視頻監控系統外部接口A規定了視頻監控平臺與不屬于本系統前端系統之間、視頻監控平臺之間、視頻監控平臺與其他業務系統之間互聯互通接口；內部接口B規定了視頻監控平臺與屬于該平臺前端系統之間接口[1]。該標準的出臺統一了同類或異類平臺與平臺之間、平臺與前端之間信令接口、數據流接口和媒體流接口和協議，無疑對視頻監控產品的各大開發廠家形成了約束和制約，開發商只有遵照標準接口、協議研發產品，才能夠在電力行業視頻監控系統獲得“產品入網”許可證，最終實現異類廠商平臺與平臺、平臺與前端的互聯互通。視頻監控系統接口如圖2所示。

4 高清智能視頻監控應用架構

高清智能視頻監控系統平臺系統架構主要分為應用功能層，基礎服務中間層，網絡層和前端系統，監控系統架構框圖如圖3所示。

1）應用功能層。監控客戶端在特定授權崗位可以直接監視各變電站的視頻，主要通過C++技術完成網絡傳輸和視頻處理；視頻監控客戶端通過人機交互控制數字矩陣實現視頻切換矩陣功能，是監控中心電視墻的控制界面，通過C++技術實現網絡傳輸和視頻處理；在B/S架構的組件中需要通過IE客戶端實現人機交互功能。

2）基礎服務中間層。子系統間數據流運行通道，各子系統或者模塊通過接口和若干基礎服務進行交互，為系統平臺提供技術支撐。

3）網絡層。基于IP的寬帶網絡，整個系統的承載網絡。

4）前端系統。前端系統/設備（PU）由各個廠商的視頻服務器（DVS）、硬盤錄像機（DVR）、網絡攝像機（SIP協議）、監控攝像機、各類報警輸入/輸出裝置、存儲設備、輸電線監測系統等組成。

5 高清智能視頻監控組網方案

高清智能視頻監控系統的主要由高清前端采集、高清傳輸、高清存儲、高清顯示四部分組成，達到一個純正的高清效果形如“木桶效應”，任何一個環節達不到高清的標準都會影響高清的質量。目前，基于軟交換的高清視頻監控平臺在很多企業內得到了廣泛的應用，基于SIP協議的軟交換技術，采取業務、控制完全分離，組網靈活，開放性強、互聯互通性好[5]，合適大規模分層次、分布式監控。高清視頻監控平臺主要由軟交換服務器、認證服務器、網管服務器、流媒體服務器和Web服務器等組成，統一采用標準的SIP協議構架成多業務視頻監控平臺，客戶端通過SIP協議與平臺的各服務器相連獲取業務數據。高清智能視頻監控組網設計拓撲如圖4所示。

高清視頻效果的保證首先要源于前端高清圖像的采集，根據美國電影電視工程師協會（SMPTE）和國際電聯（ITU）的相關規定，高清圖像格式目前主要有720p，1080 p/i[6]。目前，網絡高清攝像機感光芯片主要有CCD和CMOS兩種，技術均很成熟，在高清領域有廣泛的應用，隨著產品批量生產，成本隨之下降。分辨力為720p的高清網絡攝像機有效像素可達到100萬像素，1080 p甚至達到300萬像素，這樣的清晰度完全達到變電站視頻監控智能分析的需求，除了清晰度之外，有其他影響圖像質量的光學變倍、寬動態范圍、自動測光補償等指標[7]。由于變電站內高壓區的特殊環境，對高清攝像機抗電磁干擾能力、夜視、防水要求較高。

對特高壓站點在變電站鐵塔出線處安裝高清攝像機和智能分析系統是必要的，包括輸電線路微氣象監測、輸電線導線溫度在線監測、輸電線舞動在線監測、輸電線覆冰在線監測系統，桿塔上的輸電線監測系統通過太陽能電池供電，系統中傳感器采集數據通過WLAN無線方式送入前端設備，接入到站內局域網，再經過電力信息網與平臺互聯，實現除實時高清圖像外的導線溫度、桿塔傾斜、導線舞動、溫度、濕度、風力風向等數據信息的綜合監測，平臺通過才采集的數據進行智能分析，將相關信息與視頻系統進行集成和聯動。

高清視頻傳輸信息量大，前端采集信息回傳至監控平臺占用帶寬大，一般的傳輸局域網、廣域網系統難以承載，回傳帶寬成為制約高清圖像質量的瓶頸。但是，隨著智能電網信息網絡支撐平臺的建設，變電站高清視頻監控交換設備與信息網路由器之間采用IP網絡組網已成為可能，能夠滿足更大顆粒的視頻包高速率、大帶寬的需求，根據高清視頻UDP（User Datagram Protocol）數據包大小選擇合適、高性能、支持IP多播的交換機，與信息網路由器包轉發相匹配，專用信息網絡的VPN接入為高清視頻業務提供可靠的質量保證。雙碼流技術、流媒體技術的推廣和應用很大程度上減輕了高清視頻帶寬的壓力。

6 小結

隨著計算機技術、網絡交換技術和智能分析技術的不斷發展，使變電站視頻監控系統前端一體化、接入多元化、視頻數字化、系統網絡化、管理平臺化的高清智能視頻圖像應用更廣泛。高清智能視頻監控系統應用到智能電網數字化變電站領域，為無人值守變電站推進打下堅實基礎，利用高清晰度視頻圖像能更好地為智能電網生產服務，全面支撐智能電網的發展。

[1]Q/GDW 517.1—2010，電網視頻監控系統及接口第1部分:技術要求[S].2010.

[2]劉昌盛.智能電網多業務通信支撐平臺的研究[J].電力系統通信，2010，31（217）:1-5.

[3]肖行詮，李富祥.視頻監控系統平臺互聯互通的建設思路[J].電力系統通信，2010，31（13）:30-35.

[4]張博.中國視頻監控市場進入高速發展期[J].電視技術，2008，32（12）:48-49.

[5]RFC3261，SIP:Session Initiation Protocol[EB/OL].[2011-01-15].http://www.ietf.org/rfc/rfc3261.txt.

[6]SMPTE274—1998，1920×1080 scanning and analog and parallel digital interfaces for multiple picture rates[S].1998.

[7]余和初，聶蓉.高清視頻監控技術的現狀及發展趨勢[J].中國公共安全:綜合版，2009（12）:172-177.