基于3G網(wǎng)絡的電力鐵塔無線視頻監(jiān)控實現(xiàn)方法

劉 濤

（太原供電分公司，山西 太原 030012）

1 概述

電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)對于保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運行至關重要，目前已成為電網(wǎng)必要輔助系統(tǒng)之一。電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)包含室內(nèi)監(jiān)控與室外監(jiān)控，廣泛用于生產(chǎn)運行、檢測檢修、應急指揮等方面。室內(nèi)監(jiān)控主要是指監(jiān)控場所位于變電站、調(diào)度中心等室內(nèi)；室外監(jiān)控是指監(jiān)控場所位于高壓鐵塔、輸電線路等電網(wǎng)的線路部分。電力鐵塔無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有顯著的實際意義，可應用于電網(wǎng)（包括高壓、超高壓、特高壓）中絕大部分線路，有效的提高電網(wǎng)特別是無人區(qū)域電網(wǎng)工作狀況的自動化遙視監(jiān)控程度，增強工作人員對電網(wǎng)的維護效率及其故障的分析、診斷能力。同時，該系統(tǒng)的采用也可使工作人員能及時應對鐵塔的人為破壞等問題。

室內(nèi)監(jiān)控由于具備穩(wěn)定的電源供應以及專用的通信網(wǎng)絡實現(xiàn)較為容易，目前也已具備成熟的方案；室外由于不具備電源和通信網(wǎng)絡兩個基礎條件，因此實現(xiàn)較復雜尚處于實驗探索階段。

隨著無線網(wǎng)絡通信技術和太陽能電池技術的進步和普及，針對電力鐵塔的視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐步成熟，逐步從實驗室走向大規(guī)模部署的階段。文章首先分析了電力鐵塔無線視頻監(jiān)控中的現(xiàn)狀和特殊性；其次提出了針對室外視頻監(jiān)控特殊性的完整解決方案；最后也對電力鐵塔視頻監(jiān)控的發(fā)展趨勢作出了展望。

2 鐵塔視頻監(jiān)控的特點

電力鐵塔視頻監(jiān)控屬于室外視頻監(jiān)控范疇，主要具備兩個特點：無源性和無線性。

2.1 無源性

無源性，即電源需要自給室外監(jiān)控面臨的首要技術難題是電源的提供。目前常見的解決方案包括外接電源供電、高壓感應電源供電和太陽能供電3種方式。其中外接電源有較強的地域限制，基本不符合室外監(jiān)控的實際情況。高壓感應電源供電所需設備體積較大，安裝復雜，最大的局限性在于需要接觸原有高壓導線，有可能對電網(wǎng)正常運行造成潛在影響。太陽能供電的優(yōu)點在于運行獨立，安裝簡便，不用鋪設任何額外的電纜，不影響線路本身的正常工作和運轉，裝配簡單，易維護，但是其局限在于受天氣情況影響較大，并且功率較低，無法支持較大設備長時間運行。

2.2 無線性

無線性，即通信采用無線網(wǎng)絡。室外視頻監(jiān)控由于成本原因通常無法單獨鋪設光纖進行通信，因此通常采用無線通訊的方式。常見方式包括采用民用通信網(wǎng)絡或采用微波通訊。前者使用三大運營商已經(jīng)架設的無線網(wǎng)絡，優(yōu)點是網(wǎng)絡現(xiàn)成，通信功耗低，缺點是帶寬小。自己架設微波通訊，優(yōu)點是帶寬大，缺點是需要自己組網(wǎng)并且功耗高。

3 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的原理與組成

針對無源性和無線性兩個特點，文章采用太陽能供電模式和第三代移動通信（以下簡稱3G）網(wǎng)絡作為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡，H.264技術作為視頻編解碼算法，提供一種室外電力鐵塔視頻監(jiān)控的解決方案。

整個鐵塔無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括3部分，分別是監(jiān)控終端、服務器端和客戶端。監(jiān)控終端部署在鐵塔上，用于視頻信息的采集編碼，并通過3G無線網(wǎng)絡將視頻信號傳至服務器端。服務器端接收各個監(jiān)控終端傳回的視頻信號，并進行終端設置管理與視頻錄像儲存的功能?？蛻舳颂峁┙o工作人員用于實時視頻監(jiān)控。服務器端和客戶端與室內(nèi)視頻監(jiān)控系統(tǒng)相同，因此不作詳細說明。文章重點解釋電力鐵塔監(jiān)控終端的原理與組成。

圖1 鐵塔無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成

電力鐵塔監(jiān)控終端由3個模塊組成：視頻模塊、3G無線傳輸模塊和太陽能供電系統(tǒng)。監(jiān)控終端的基本工作原理是視頻模塊負責對視頻信息進行采集、編碼，然后接入3G網(wǎng)絡，通過TCP/IP協(xié)議將壓縮編碼后的數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)椒掌鞫恕Ｌ柲芄╇娤到y(tǒng)負責整個監(jiān)控終端的電源供應。

視頻模塊包括攝像機，視頻編碼模塊。視頻編解碼采用H.264編碼技術。較之于MPEG-4，H.26x等編碼技術而言，H.264在低帶寬環(huán)境下有著更出色的表現(xiàn)。此外視頻編碼和傳輸還采用動態(tài)服務質量（Qos）控制功能，可依據(jù)無線網(wǎng)絡帶寬的時變情況自適應調(diào)整視頻編碼及網(wǎng)絡傳輸參數(shù)。

3G無線傳輸模塊采用網(wǎng)絡通信廠商的3G網(wǎng)絡傳輸板卡。自從2009年3G牌照發(fā)放以來，3G網(wǎng)絡基礎建設已經(jīng)歷時兩年。按照工信部指導意見預計到2011年底，3G網(wǎng)絡將覆蓋全國所有地級以上城市，以及大部分的縣、鄉(xiāng)、主要高速公路和景區(qū)。3G網(wǎng)絡的建成不僅能夠滿足個人無線通訊日益增長的需求，也可部分用于電力系統(tǒng)監(jiān)控信號傳輸需要，尤其是用于室外高壓鐵塔的視頻監(jiān)控需求。以WCDMA網(wǎng)絡為例，傳統(tǒng)WCDMA網(wǎng)絡理論上數(shù)據(jù)傳輸速率最高是2Mbit/s，中國聯(lián)通采用HSPA+增強技術后，理論下行速率為7.2Mbps，其理論上行速率為5.76 Mbps。根據(jù)實際測試，靜止條件下，上行速率在0.7～1.5 Mbps。為了適應無線網(wǎng)絡帶寬窄傳輸不穩(wěn)定的特點，視頻壓縮采用H264編碼技術，CIF（355*288）格式圖像，20 幀 /s，碼率可以壓縮到 256 kbps。利用WCDMA網(wǎng)絡，基本可以實現(xiàn)視頻監(jiān)控需求。

太陽能供電系統(tǒng)主要由太陽能電池板、控制器、定時器和蓄電池構成。控制器用于存放電控制，定時器可以控制系統(tǒng)運行的時間。由于太陽能供電功率較低，因此通常用于指定時間段的監(jiān)控需求，需要定時器來進行時間開關控制。太陽能供電系統(tǒng)的成熟應用也為室外的穩(wěn)定供電提供了可行性。通過多晶硅太陽能電池板搭配蓄電池的供電模式可以提供每天工作8 h的所需電力。

4 結束語

基于3G網(wǎng)絡和太陽能供電系統(tǒng)的電力鐵塔無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)也存在一定的局限性。比如受限于3G網(wǎng)絡的建設速度，以及與民用共享網(wǎng)絡帶來的對網(wǎng)絡穩(wěn)定性的干擾，太陽能供電導致的易受天氣影響等問題。這些問題一方面隨著網(wǎng)絡建設和太陽能組件的進步獲得解決；另一方面也可以通過視頻編解碼技術的不斷進步以及采用更低功耗的元器件來彌補。

電力鐵塔無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)由于具備了獨立的供電系統(tǒng)和網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)，因此可以進行靈活的擴展，可以方便的將鐵塔傾斜角度、高壓線路溫度等數(shù)據(jù)的監(jiān)控集成進系統(tǒng)內(nèi)，使得單獨的一個電力鐵塔監(jiān)控終端可以完成綜合全面的監(jiān)控需求，從而施展更大的作用。

[1]孫鳳杰等，2005：《遠程數(shù)字視頻監(jiān)控與圖像識別技術在電力系統(tǒng)中的應用》，《電網(wǎng)技術》，第29卷第5期.

[2]崔燕明等，2010：《電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及接口技術標準》，《電力系統(tǒng)自動化》，第34卷第20期.

[3]朱秀：《數(shù)字圖像處理與圖像通信》，北京，北京郵電大學出版社，2002.