視頻智能組件在智能變電站中的實現和應用

徐昕，盛建雄

（湖州電力局，浙江湖州313000）

視頻智能組件在智能變電站中的實現和應用

徐昕，盛建雄

（湖州電力局，浙江湖州313000）

視頻監控系統在變電站中得到了廣泛應用，與其他系統的聯系也越來越緊密。但是在其他系統調用視頻資源時，存在2個異構獨立系統交互實時性差、穩定性差和接口開發繁瑣的問題，不符合智能變電站系統間調用無縫聯接的發展要求。為此提出了一種視頻智能組件，明確了視頻設備在IEC 61850協議中的功能規格和開發技術路線，為視頻監控系統在智能變電站中的進一步應用進行了探索。

智能變電站；視頻監控；信息模型；設計方案

0 引言

近年來，視頻監控系統的功能不斷擴充，在變電站得到廣泛應用，除基本的安全警衛功能之外，還被融入到與生產相關的業務方面，以期更好地發揮視頻監控系統的作用。視頻監控系統不僅能為監控中心提供變電站各類設備運行狀況的實時圖像，實現電網的可視化監控與調度，提高變電站運行和維護的安全性與可靠性，還能記錄現場的各類事故和報警信息。現代嵌入式視頻監控系統的網絡化、高清化和智能化發展趨勢，也為其承擔更多的業務提供了可能。為了適應網絡化的發展，國家電網公司制定了《電網系統及接口》企業標準，以實現統一監控、統一存儲、分級控制、分域管理，使不同的視頻監視系統能夠互連互通，目前變電站視頻監控系統的建設都按照該標準執行。

智能變電站建設以設備的智能化和順序控制、狀態估計、遠端維護以及與調度的無縫聯接等高級智能應用為主要特征[1]，對視頻監控系統提出了新的要求。目前視頻監控系統在變電站的應用正進行以下幾個方面的嘗試：

（1）與其他設備控制聯動。便于編輯和合理的聯動策略能更有效地獲取變電站的有用信息。

（2）結合傳感器的數據采集。視頻可用于輔助判斷，但存在有些傳感器檢測到的數據不適合視頻輔助、有些位置不便于安裝傳感器等問題。

（3）采用完全基于視頻分析的方式。但可靠性較差。

（4）視頻監控系統與其他業務系統的融合。

在系統融合以及與調度的無縫聯接方面，蘇永春等[2]提出了基于GOOSE通信的遙視系統與變電站保護系統聯動控制的方案，單方向實現了與調度的無縫聯接。由于沒有與綜合自動化系統融合，仍然需要在2個獨立的系統上同步控制，因而存在實時性差、上層業務調用不明確等問題。在智能化方面，周立輝等[3]在試點智能變電站中采用了移動機器人的方案，用于分析設備的熱缺陷和外觀異常、開關或刀閘的分合狀態等。但移動機器人依賴較龐大的路徑建設，且造價昂貴，還受限于惡劣天氣等外界因素，因此不宜大規模推廣應用。

為此，本文提出了一種視頻智能組件的設計，通過IEC 61850協議，在變電站端融合了站端視頻監控系統和綜合自動化系統，對智能變電站的信息一體化建設進行了初步探索。

1 總體方案

1.1 接口類型和方式

根據《電網系統及接口》的規定，視頻監控系統的基本接口分為接口A和接口B兩類，適用范圍如圖1所示。

圖1 視頻監控系統的基本接口

接口A是視頻監控系統的外部接口,實現視頻監控系統與不屬于本系統的前端系統之間、視頻監控系統之間、視頻監控系統與其他業務系統之間的接口功能，主要包括系統上下線通知與連接保活、資源信息獲取、歷史告警查詢、錄像檢索、實時視頻調閱、語音對講和廣播、客戶端與用戶間的音/視頻會話、云鏡控制、事件的訂閱和通知、流量查詢、錄像回放等。接口B是視頻監控系統的內部接口，實現視頻監控平臺與屬于該平臺的前端系統之間的接口功能[4]。

針對數字變電站，在目前的情況下，若遠端的調度SCADA（數據采集與監控系統）需要執行業務操作，會通過自動化控制協議發送指令到站端的綜合自動化系統，在自動化系統中執行指令；若需要聯動視頻監控系統，以驗證操作是否成功，則需要調用視頻監控系統A接口，如圖2中破折線所示的路徑。智能化變電站建設要求異構系統間能融合，使其他業務能通過A接口對視頻監控系統進行調用。這樣的改造將要求SCADA等其他業務系統增加功能模塊，改造量較大。根據《電網系統及接口》平臺的參數要求，在保證網絡帶寬的情況下，視頻監控系統平臺信令的響應時間小于0.5 s，視頻的響應時間小于2 s，因而會增加異構系統的不穩定性且實時性極差，不能很好地同步操作和信息確認。

圖2 遠端SCADA系統和視頻監控系統訪問變電站的路徑示意

1.2 實現方式

針對上述問題，本文提出了一種視頻智能組件的設計方案。該視頻智能組件繼承變電站遙視系統的功能，集成了視頻錄像、云臺控制、圖像抓拍、告警信號的輸入/輸出功能，既支持視頻監控系統通過B接口對其進行訪問，又可以通過IEC 61850協議實現與變電站綜合自動化系統的交互，符合智能組件[5]的定義，可用于對一次設備控制器進行狀態監測。

總體設計思路是：若遠端的調度SCADA需要執行業務操作，可通過自動化控制協議發送指令到站端的遠動裝置，遠動裝置根據點號按IEC 61850遙控服務遙控測控或保護裝置，視頻IED（智能電子設備）通過捕獲測控發出的GOOSE信號實現與測控操作的同步操作，如圖2中點線所示的路徑。本地的操作和反饋都通過IEC 61850通信協議來實現，從而大大減少綜合自動化系統的擴展工作，并且避免了因異構系統導致的不穩定性和實時性差的問題。

在此基礎上，基于TI的新一代芯片技術，可對斷路器、開關等一次設備的狀態做實時視頻分析，配合智能變電站順序操作系統，實現對被控設備狀態的自動校核。

2 關鍵技術

2.1 智能組件的實現

2.1.1 硬件平臺

視頻IED位于間隔層，同時掛在MMS網絡和GOOSE網絡上。參考谷月雁等[6]提出的實現智能變電站順序控制的硬件基本要求，采用Ti的DM8168芯片，具備2個高速工業以太網接口，可以分別連接MMS和GOOSE網絡。采用實時多任務操作系統VxWorks，保證了IEC 61850協議中對實時性要求高的報文的及時響應。

2.1.2 軟件實現

信息模型與通信模型是構建IED的關鍵[7]。信息模型規定了設備能且只能表達的內容，在IEC 61850協議中，是以層次化的語義結構出現的。通信模型則規定了信息傳輸的方式。

2.1.3 視頻IED信息建模

IEC 61850協議中的信息模型如圖3所示，表現為IED/LD/LN/DO/DA層次化的上下文關系。

視頻IED信息主要包括圖像信息、視頻信息、云臺信息、控制信息、狀態信息等。云臺信息需要預先建立映射關系，映射的對象是攝像機安裝配置信息和被控或關聯二次設備，主要是描述信息。遠端的控制系統需要執行某種控制操作時，通過自動化控制協議發送到站內的綜合自動化系統，綜合自動化系統根據控制信號發送對應的信息給視頻IED和其他順序控制單元。視頻IED獲取相應的視頻信息、圖像信息或是判別的狀態信息，作為擴展數據以標準的信息模型返回綜合自動化系統，起到業務操作校核的作用。

圖3 IEC 61850的抽象信息模型

2.2 IED信息模型

2.2.1 信息分類

（1）圖像信息是執行操作時前端設備抓拍的數據以及抓拍的時間信息，提供高分辨率的圖像，用JPEG方式進行壓縮。

（2）視頻信息是執行操作前后由前端設備錄制的一段視頻，用高壓縮比的H.264或者AVS進行壓縮，提供壓縮信息和視頻的時間信息等。

（3）云臺信息是攝像機的預置位和軌跡信息。要使用這部分信息，需要預先建立被控或關聯二次設備與攝像頭的預置位或是巡跡的映射關系，使信息模型能表達預置點與被控設備的對應關系。綜合自動化系統在執行控制操作前需要獲取相應的云臺信息，以保證獲取正確的視頻或是圖像信息。

（4）狀態信息可以是與該設備相關的傳感器監測狀態，也可以是視頻或圖像的分析結果。

（5）控制信息是執行云臺控制操作、圖像抓拍操作、視頻錄制操作和開關量控制輸出等信息。

2.2.2 邏輯節點建模原則

邏輯結點（LN）是進行信息交互的最小功能單元，是整個模型體系的核心部分。LN必須繼承公用邏輯節點信息，包括Mod（工作模式）、Beh（性能）、Health（狀態）和NamePlt（銘牌），通過模塊信息分類建立LN數據對象（DO），而數據屬性（DA）則是對DO的定義[8]。視頻IED的DA需要定義描述核心功能的擴展數據屬性IID。IID繼承了公共數據類中的基本描述信息模板。

類似地，還需要建立視頻描述信息類（VID），用于描述視頻的數據信息；云臺描述信息類（ZID），用于描述云臺與設備的映射關系信息。

視頻IED需要根據LN的擴展原則，建立邏輯節點。DO不僅繼承公用邏輯節點類全部指定數據，還包括IID對象。

2.2.3 邏輯設備建模原則

將具有公用特性的邏輯節點組合后，成為邏輯設備LD。IEC 61850規定，LD內部必須提供關于物理設備或者由其控制的外部設備的相關信息，LLN0代表LD的公共數據，LPHD代表物理設備的公共數據，還要提供描述核心功能的各通道的邏輯節點。根據視頻IED的功能，LD除了2個基本邏輯節點的LLN0和LPHD之外，還應包括擴展的視頻設備邏輯節點EVAD。

2.3 通信模型

IEC 61850采用抽象通信服務接口（ACSI）和特定通信服務映射（SCSM）的方法，將底層的核心服務映射到制造報文規范（MMS）。MMS是OSI應用層的一個標準，使得視頻IED信息可以TCP/IP方式與其他網絡設備進行交互。通信模型如圖4所示。

圖4 MMS通信模型

3 結語

在變電站的建設過程中，出于安全性考慮及通信協議的限制，在業務系統與視頻監控等輔助系統之間一直以來僅有單向獲取信息的途徑。IEC 61850協議的推廣和光通信網絡的建設使系統間的融合成為可能，而異構系統間的數據交互也正是智能變電站建設的內在要求。本文提出的基于IEC 61850的視頻智能組件，可實現變電站其他業務對視頻資源的實時有效調用，解決了2個獨立異構系統交互時實時性差、穩定性差和接口開發繁瑣的問題。

[1]張斌，倪益民，馬曉軍，等.變電站綜合智能組件探討[J].電力系統自動化，2010，34（21）∶91－94.

[2]蘇永春，辛建波，竇曉波.數字化變電站保護與視頻系統聯動控制方案[J].中國電力，2010，43（4）∶33－37.

[3]周立輝，張永生，孫勇，等.智能變電站巡檢機器人研制及應用[J].電力系統自動化，2011，35（19）∶85－88.

[4]崔燕明，劉孝先，馬超，等.電網視頻監控系統及接口技術標準[J].電力系統自動化，2010，34（20）∶13－16.

[5]Q/GDW 383－2009智能變電站技術導則[S].北京：中國電力出版社，2009.

[6]谷月雁，司剛，劉清瑞.智能變電站中順序控制的功能分析與實現[J].電氣技術，2011（1）∶58－92.

[7]DL/T 860.74－2006/IEC 61850－7－4∶2003變電站通信網絡和系統，第7－4部分∶變電站和饋線設備的基本通信結構—兼容邏輯節點類和數據類[S].北京∶中國電力出版社，2005.

[8]胡勇，郭子健，劉奇峰，等.基于IEC 61970/61850的電動汽車充電站監控系統建模方案[J/OL].電力系統自動化，http∶//www.cnki.net/kcms/detail/32.1180.TP.20120912. 1645.003.html.

（本文編輯：龔皓）

Implementation and Application of Video Intelligent Component in Smart Substations

XU Xin，SHENG Jian-xiong
（Huzhou Electric Power Bureau，Huzhou Zhejiang 313000，China）

The video surveillance system has been widely used in substations and becomes increasingly related to other systems.However,when other systems request for video resources there are poor real-time of interaction and stability of two heterogeneous systems as well as fussy interface development,which can not meet the development requirement of seamless link between requests among substation systems.Therefore,the paper presents a video intelligent component and defines function specification of the video equipment in IEC 61850 and technical route development,exploring the further application of video surveillance system in smart substations.

smart substation；video surveillance；information model；design scheme

TM764.2

：B

：1007-1881（2013）08-0022-04

2013-03-25

徐昕（1977-），女，浙江德清人，工程師，從事變電運行管理、智能變電站運行管理等工作。