面向電網遠程監控技術的研究

劉書強，程良倫

(廣東工業大學自動化學院，廣東廣州 510006)

隨著社會經濟與科學技術的發展與進步，人們對電力的需求、供電可靠性的要求越來越強。但是，電力系統本身和外部干擾的影響會使得電網事故頻發，這不但使電力企業的經濟效益受損，而且也對電力用戶甚至是整個社會造成嚴重的影響［1-2］。2008年年初，我國南方遭受了百年不遇的冰凍災害，部分變電站設備和輸電線路遭到冰雪的侵襲，損失慘重［3］，同時，也給廣大人民群眾帶來不便。造成長時間大范圍的停電事故主要是對電力運行狀態沒有足夠的監控，無法及時掌握故障的發生地點以及周圍情況。

高壓輸變電線路通常都處于地形復雜、偏僻，人煙稀少的地方，巡線人員進行看管不僅成本增加，也不利于維護人員的人身安全，更不能及時了解線路周圍的環境，所以不僅要關注電壓、電流等數據，判斷故障的發生地點，也要及時了解線路周圍環境的情況，通過視頻監控系統，在惡劣天氣下代替人工巡線，提高電網的工作效率及安全監護水平［4］。比如監控高樹成長對輸變電線路的影響，以及輸變電設施周圍的危險，還有就是在遭遇極端天氣時，替代人工巡線［5］。

監控技術從本地模擬視頻監控、基于PC的視頻監控發展到基于嵌入式的網絡數字視頻監控，網絡化的視頻監控系統集圖像壓縮技術、視頻技術和網絡傳輸于一體，代表了當前最先進的視頻監控技術［6］，第三代網絡視頻監控正向高清化、智能化、移動化、標準化和平臺化發展［7］。

為了提高供電可靠性，提高生產效率，對電力設備及線路實現監控，本文結合視頻監控技術與智能電網的需求，設計一套適用于電網維護的視頻監控系統，能夠對各電力設備、線路周圍的狀況進行圖像顯示，并及時對發生的情況做出反應。

1 面向電網的視頻監控系統結構

電網輸電線路遠程視頻監控系統是利用云臺攝像頭采集電網周圍環境(包括線路及周圍自然環境)的圖像，并利用編碼器進行視頻壓縮，然后通過電力光纖、電力載波線、GPRS無線網絡或3G網絡進行傳輸，達到上層監控中心，進行視頻解壓，并可以進行云臺控制，全面多角度顯示當前輸電線路周圍環境的情況，以便工作人員采取相應措施應對突發事故。

電網輸電線路自然災害視頻監控系統的整體架構圖如圖1所示。

1)圖像采集層

感知層是整個監控系統最底層部分，主要采集電網輸電線路周圍環境的圖像參數，例如采集線路上的冰雪覆蓋情況，周圍高樹是否觸碰輸電線路，線路是否中斷，絕緣子是否損壞掉落，塔架是否傾斜等信息，然后對視頻圖像進行壓縮編碼，在傳輸時減少網絡帶寬需求。

圖1 輸電線路自然災害視頻監控系統的整體架構圖

2)網絡層

網絡層是整個監控系統的中間環節，主要是將由圖像采集層獲取的數據傳遞到上層的監控中心，同時也將監控中心的命令傳遞到監控終端。在這個過程中，通過網絡將圖像層采集數據進行傳遞，首先建立網絡連接，然后將壓縮圖像進行順利傳輸。當傳遞監控中心的命令時，過程相似。由于進行遠距離傳輸，所以采用不同的網絡，可選擇接入電力專用光纖網、電力線載波通信網，以及有線寬帶、GPRS/CDMA等網絡。

3)監控中心

監控中心是整個監控系統的最終環節，主要對網絡層傳遞過來的數據進行分析處理，將視頻圖像進行解碼處理，顯示當前的電網環境狀況，并建立數據庫，供工作人員查詢。同時還可以對攝像頭進行云臺和調焦控制，全面顯示輸電線路及桿塔的周圍情況的拍攝圖像，供工作人員做出合理的防治措施。

2 視頻監控終端硬件設計

電網遠程監控終端的硬件結構圖見圖2。

嵌入式遠程監控終端采用內核為ARM1176JZF-S的三星S3C6410主控芯片，該芯片功耗低，性能穩定，可擴展的功能模塊較多。

存儲器包括128 Mbyte DDR SDRAM以及256 Mbyte NAND Flash。NAND Flash存儲器寫入和擦除的速度很快，主要存儲的是嵌入式監控終端的啟動代碼、根文件等初始化程序，SDRAM主要存儲Linux操作系統及相關的應用程序。

仿真器接口使計算機能夠訪問系統內的各個部件，通過該接口可對系統進行編程、仿真。

圖2 監測終端的硬件結構圖

云臺解碼器用來將監控中心的控制命令進行解碼。云臺控制主要包括云臺的上、下、左、右轉動，以及云臺轉動的速度設置。鏡頭控制包括調焦、光圈控制，完成光圈、焦距的調節。

視頻采集卡是對攝像機采集到的視頻圖像信息進行數模轉換，將模擬視頻轉化成數字視頻，然后傳遞給緩沖區，等待視頻編碼器進行視頻壓縮編碼處理。

視頻不進行壓縮，數據量是非常大的。比如，一張分辨率為500×300的圖片，每個像素有亮度和色度兩個參數，都用8 bit表示，則每張圖片占用300 kbit空間，按每秒24幀計算，則需要56 Mbit/s的帶寬，這對于無線傳輸來說，數據量太大，必須進行視頻壓縮編碼，以減少網絡流量。目前較為常見的視頻壓縮算法有MPEG-4，H.264等，可以根據需要來壓縮分辨率。

此外還使用通信單元，將ARM芯片處理的數據利用通信模塊發送出去。通信模塊采用的是一款帶有內嵌TCP/IP協議棧的GPRS模塊，可以縮短GPRS產品的研發周期。

1)圖像采集功能。視頻采集是利用攝像頭采集桿塔附近導線、絕緣子、塔架等的圖片信息，經視頻編碼器壓縮圖像信息后，等待網絡發送。

2)通信功能。監測終端通過GPRS通信模塊與監控中心建立通信連接，將壓縮后的視頻進行傳遞，到達服務器，并能夠將監控中心的遠程控制命令傳遞到終端。

3 無線通信傳輸

無線通信是連接視頻監控終端和監控中心的紐帶，是相互之間進行通信的橋梁，可以將監控終端的視頻信息傳遞給監控中心，也可以將監控中心的命令傳遞給監控終端。

GPRS無線通信涉及到TCP/IP通信協議和PPP點對點協議。GPRS無線通信模塊通過串口與主控芯片相連，當準備進行數據通信時，主控芯片ARM上的Linux系統將通過PPP點對點協議進行撥號上網，當連接成功后，運營商會給該模塊分配一個動態的IP地址，可以接入網絡。但是當此連接中斷后再次連接，模塊的IP地址可能會發生變化。所以可開通專用APN和專用SIM卡，然后進行綁定，以保證每次連接后，模塊的IP地址保持不變。

當采用公網APN時，采用動態IP的GPRS模塊主動向公網內靜態IP地址發起TCP連接，如果該靜態IP地址的計算機偵聽到連接信息，則可以連接;但如果靜態IP地址的計算機向動態IP發起連接，則必須要通過代理設備轉發，否則連接不成功。

連接的建立有主動連接和被動連接兩種情況，一般情況下是由客戶機發起連接，而服務器接受連接，連接過程如圖3所示。

圖3 GPRS連接過程圖

連接順序如下:

1)設置通信波特率可以使用“AT+IPR=9 600”命令，把波特率設為9 600 baud/s或者其他波特率。

2)信號質量測試使用“AT+CSQ”命令檢測信號質量，確定是否可以登錄網絡。返回+CSQ:31，0 OK(其中31表示信號強度，31時信號最強;0表示有SIM卡，99表示沒有SIM卡;OK表示現在可以連接網絡)。

3)接入網關通過 AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”命令，設置GPRS接入網關為移動網絡。“CGDCONT=1”:定義PDP(分組數據協議類型)上下文，用于規定分組數據協議類型的字符串參數;“IP”表示使用因特網協議，“CMNET”表示使用網關的名字。返回值為“OK”，說明接入網關，否則返回“ERROR”。

4)激活網絡使用命令“AT+CGACT=1，1”激活網絡，返回值為“OK”，說明激活成功，否則返回“ERROR”。

5)網絡使用以下命令進行登錄:

(1)AT∧SICS=0，conType，GPRS0//，連接平臺 0，連接的方式是GPRS;

(2)AT∧SICS=0，passwd，gprs//，連接平臺0，設置用戶密碼;

(3)AT∧SICS=0，user，cm//，連接平臺 0，設置用戶名;

(4)AT∧SICS=0，apn，cmnet//，連接平臺 0，設置APN服務商(cmnet為中國移動提供);

(5)AT∧SISS=1，srvType，socket//，第 1 個服務平臺，服務的類型為socket;

(6)AT∧SISS=1，conId，0//，第 1 個服務平臺，使用的是連接平臺0;

(7)AT∧SISS=1，address，"socktcp://221.123.2.1:2000"http://，設置自己的服務器IP地址和端口號;

(8)AT∧SISO=1//，打開TCP連接。

此時完成網絡的連接功能，可以將視頻打包后進行發送。

4 監控中心

監控中心主要包括計算機信息終端設備，即監控中心服務器，是整個遠程監控系統的神經中樞，負責控制整個系統的運行，完成監控和管理等功能。

監控中心負責接收監測終端上傳的視頻，進行解碼、存儲等后臺操作;在界面多路顯示、切換畫面;運行網絡傳輸程序，與監控終端進行通信，接收視頻，同時向監控終端發送命令，以對終端進行云臺控制;對用戶的身份及權限進行管理。

監控中心軟件采用Visual Studio 2010中的WPF框架進行開發，能夠運行在WIN7環境下，采用C#語言開發而成。監控中心軟件采用C/S主從分布式結構，與監控終端進行連接，接收視頻，解壓進行顯示，并對終端進行控制。

監控中心主要實現的功能為:

1)網絡傳輸程序

網絡傳輸程序部分運行Socket服務器編程，與監控終端進行通信，實現將編碼壓縮后的視頻數據發送給數據處理程序部分，并將數據處理程序產生的命令發送給監控終端。

2)數據處理程序

數據處理程序包括兩部分，其中一部分是對監控終端發送過來的編碼壓縮的視頻進行解碼，形成可以顯示或存儲的視頻信息，然后進行顯示或是存儲;另一部分是對工作人員的處理進行分析后，形成控制命令發給網絡傳輸程序，以便傳輸到監控終端進行控制。

3)監控顯示畫面

負責對數據處理程序處理過的視頻進行顯示，可以通過單畫面、多畫面進行遠程瀏覽，實時監控現場設備與周圍環境，可根據要求進行大角度移動畫面，實現全面監控，并可對存儲的圖像按照不同的要求進行回放查看。

4)系統登錄管理

對用戶的身份進行認證，對不同的用戶等級分配不同的權限，以保證監控系統的安全進行。

軟件系統主功能模塊見圖4。

圖4 軟件系統主功能模塊

監控中心軟件在Windows開發環境下通過C#語言實現，通過與監測終端的配合，實現了對輸電線路周圍環境狀態的監測。

5 總結與展望

電網遠程監控系統對于電力系統的安全運行有重要的意義，尤其是在交通不便的偏遠地區，自然災害造成的電網故障不能及時解除，造成人們的生活生產不便。

本文研究和提出了面向電網的遠程監控系統，該系統采用視頻采集模塊采集現場環境視頻并通過GPRS網絡將視頻發送給監控中心，在界面進行顯示，同時能夠將命令發送給監控終端完成云臺控制，實現對電網周邊環境的視頻數據采集與監控。

當前，國家電網公司對智能電網已展開大量研究，在某些方面已經取得突破性進展，隨著信息化技術和數字化技術的發展，輸電線路視頻監控、故障定位及變電站設備監控水平將會快速提升，能夠提高電力系統運行可靠性與安全穩定性，同時，它也能滿足當前節能減排可持續發展的要求，促使電網的發展更趨于智能化。

:

［1］韓禎祥.電力系統的安全性及防治措施［J］.電網技術，2004，28(9):1-6.

［2］李乃湖，倪以信，孫舒捷，等.智能電網及其關鍵技術綜述［J］.南方電網技術，2010(3):1-7.

［3］劉文釗.基于ARM的變電站監控系統研究［D］.濟南:山東理工大學，2009.

［4］倪振華，陸正嘉，張露維，等.視頻監控技術在電力行業的應用技術研究［J］.電子技術，2012(8):39-42.

［5］輸變電設備在線監測裝置［EB/OL］.［2013-04-26］.http://baike.baidu.com/view/9803842.htm.

［6］李樹前.基于MPEG-4的網絡視頻監控技術研究與系統實現［D］.南京:南京航空航天大學，2007.

［7］倪振華，陸正嘉，張露維，等.視頻監控技術在電力行業的應用技術研究［J］.電子技術，2012(8):39-42.