5G網絡視頻監控在智能變電站中的應用

申 周，盧奭瑄，2，單俊瑋

（1.沈陽工業大學，遼寧 沈陽 110027；2.沈陽工程學院，遼寧 沈陽 110136）

0 引 言

隨著5G商用進程的深化，運行商大規模的網絡建設，5G通信技術也日趨成熟。從最初的2G通信技術和3G通信技術到當前的4G通信技術和5G通信技術，發展速度較快，可以滿足當前社會生活的發展要求[1]。在移動通信網絡中，5G智能通信技術憑借成熟的無線傳輸系統，傳輸數據的速度更快。不同頻段的應用，使得5G 通信信號更加穩定。與4G通信技術相比，5G信號的覆蓋范圍也更廣，可以滿足不同用戶的多樣化生活和工作。

雖然4G網絡通信技術在我國商用時間已不短，但在無線監控領域卻只處于起步階段，無法滿足無線監控大范圍的應用，在穩定性、覆蓋率以及傳輸速度等方面也存在嚴重問題。5G作為一種超寬帶無線技術，其移動性和高帶寬等特點使得傳統的安全監控系統得到了進一步地發展和改進，使得基于固網寬帶的網絡數字視頻監控系統在無線環境中也可以得到廣泛應用[2]。隨著智能電網建設需求的增長，將不可避免地顛覆傳統的視頻監控行業。隨著5G通信技術的不斷成熟和商業化應用的不斷推廣，基于5G網絡的無線視頻監控技術也必將在變電站綜合自動化系統中發揮越來越重要的作用。

1 可行性分析

如今的第五代移動通信網絡（簡稱5G）是最新一代的蜂窩移動通信技術，具有高速率、寬帶寬、高可靠性以及低時延等特性。其憑借全新的網絡架構，至少可以提供十多倍的4G峰值速率、毫秒級的傳輸時延、超過500 km/h的移動性能以及千億級的連接能力，可以完成許多4G所不能完成的任務[3]。

隨著5G通信網絡不斷深入工業互聯網，遠程控制、工業攝像頭以及生產設備實時監控等也必將應運而生。5G契合了變電站綜合自動化系統發展的需要，為實現更加智能安全的運作提供發展基礎。其最重要的功能包括以下幾點，一是具備多連接的特性，在無線監控中不僅擴大了監控的范圍，而且在獲取更多的多維監控數據上面也得到了大幅度的提高。二是在軟件層面上采用了云和虛擬化技術，有效解決了生產安全和通信傳輸層面上的許多問題。三是不受物理硬件的限制，實現實時集中調配和統一運行，滿足智能化變電站高效率運行管理的需求，提高指令的執行速度，便于各個部門的溝通配合，降低通信設備運行維護的成本和失誤概率。四是無線傳輸更容易部署、成本更低且性能更穩定，不需要埋線施工，提高了資源利用效率，避免線路老化損傷通信效率，從而提高信息傳輸的安全性和穩定性[4]。

許多變電站自動化調度系統只能實時監控電力數據，而在全面直觀地反應變電站眾多設備現場運行狀況方面做的還是不足，電力人員需要在檢查工作上花費更多的精力。一旦事故發生，電網調度人員如果不能及時準確地掌握現場狀況，只有到達現場才能查明事故原因的話，將會造成嚴重后果。如報警單元在收到信號干擾的情況下會發生誤報警情況，如果不能及時排查原因并解決，勢必造成秩序紊亂。目前，隔離開關類很多設備的成功率還達不到100%，因此操作員必須仔細檢查確認操作成功后才能進行下一步操作。綜上所述，在考慮如今無人值守變電站的需求和電網的管理向自動化、網絡化、數字化以及智能化方向發展的前提下，提出了建立一種智能5G網絡視頻監控系統，用于建設各層次變電站的安防視頻監控系統、變電站智能網絡遠程傳輸的報警信息系統以及監控中心。

智能監控系統的主要功能是將視頻監控、火災報警、安全警衛以及環境監控有機地集成在供電局不同區域的變電站之間。使用5G通信數據網絡可以實現遠程視頻實時監控和信息處理實時反饋。在主站供電局建立監控中心，可以統一調度和實時監控各變電站。主站監管人員可以通過實時視頻統一管理站點，及時解決各種問題，提高工作效率。無人值守時，根據管理系統虛擬化設置，在站點出現安全問題后，發出操作指令給前方工作人員[5]。

2 基于5G智能視頻監控系統的設計

2.1 系統的組成

根據變電站綜合自動化系統的特點和管理模式，將遠程監控系統分為主站端（主控中心、區域監控中心）、變電站監控前端以及傳輸網絡設備3個部分。組網結構如圖1所示。

圖1 組網結構示意圖

在系統中增加一個新的變電站時，只需要在前端系統建立站端監控，并與監控中心建立連接即可。系統的各項功能和運行狀態不受擴建的影響。

2.1.1 前端站部分

現場變電站監控的前端設備主要完成現場各種信息的采集、處理以及上傳。主要由高清攝像機、5G智能視頻分析服務器以及報警處理單元等組成。變電站前端監控系統的方案設計和項目實施要嚴格按照國家電網的《智能變電站輔助系統綜合監控平臺技術規范》《變電站視頻及環境監控系統技術規范》以及《電網視頻監控系統及接口》，采用符合標準的硬件產品和監控平臺。在變電所前端重要區域安裝高清攝像頭，查看重要設備的詳細情況，減輕工作隊的檢查壓力。一些地區還需要部署跟蹤攝像頭，在主控樓頂部署全景攝像機對場地進行全景監控。對于部分室內變電站，由于白光補光可能擾民，因此可部署黑光攝像機。在變電站周界和重要設備區域部署智能分析設備，變“被動監控”為“主動監控”，識別儀表讀數、刀閘狀態、刀閘（開關）分合指示牌狀態以及控制柜指示狀態，減少運維中心的監控壓力。此外，在變電站制高點，部署紅外熱像儀，實時監控變電站設備的溫度狀態并紅外成像，通過溫度提前發現設備故障。

5G智能視頻分析服務器是視頻監控的重要組成部分，其內部配有5G無線調制解調器和嵌入式TCP/IP協議（使用MPEG4壓縮格式）。其主要功能是收集變電站中被監視區域的實時視頻場景，然后經過壓縮編碼上傳到監控中心，通過5G網絡連接解碼器，并根據本地監控中心的操作命令將其發送出去。監控中心通過安裝的特定視頻監控軟件監視現場情況，并自由切換不同現場視頻。針對報警處理單元收集到的異常溫度和異常行為等各種狀態信息，實現警視聯動錄像的功能，自動啟動警告燈、警鈴以及廣播對違章操作和異常工作向人員進行警告。與變電站相關的綜合自動化系統互聯互通，并根據預設信息實現自動識別和觸發實時對講。

報警處理單元處理由報警檢測器收集的若干節點警報狀態，對各報警信息按照預先優先級順序和邏輯關系，通過無線數據網絡直接上傳到監控中心，同時也可通過數據形式的信息按照RS232/485串行端口傳輸到網絡視頻服務器，最后到達監控中心。監控中心的監控管理系統將按照先前設置的程序立即做出相關操作。

2.1.2 主站端監控中心

主站端監控中心由中央圖像處理服務器、圖像監控終端、圖像處理軟件以及遠程視頻監控聯網報警軟件組成。接收現場傳來的圖像和報警信號，提示保安人員采取各種措施，同時可以實現遠程控制矩陣、攝像機、云臺以及遠程聯動控制，還可以進行遠程視頻文件下載、圖像檢索以及數字視頻回放，實現電網的可視化監控和調度。

中央圖像管理服務器用于管理圖像的傳輸和存儲。管理服務器上安裝了系統管理數據庫、系統管理軟件以及監控終端模塊，對整個系統的管理和服務起到了一定的作用。監控人員也可以在轄區內通過IE瀏覽器進行實時監控。

2.2 系統特點

基于5G智能視頻監控系統的主要特點如下。

2.2.1 功能全面，可擴展性強

系統完整實現了運行監控和安全防范兩大職能，全面整合了視頻監控、周邊報警、安防、消防以及動力環境等系統。同時具有很強的擴展性，還可以整合其他系統實施綜合監控。

2.2.2 監控點無死角

系統將根據要求部署匹配的監測點，確保在重要監測區域不出現死角。對于一次設備區，由于需要大角度傾斜鏡頭來監控閘刀開關的開閉情況，因此配置了白光云臺。對于儀表監控，由于未來將進行智能抄表，因此部署了固定式紅外攝像機。對于現場區域，考慮到設備監控和人員監控的需要，部署了紅外高清球機。以上都是按照滿足監控需求進行部署。對于變電站的一些特殊區域，由于監控角度小、空間狹小以及環境危險，因此不宜安裝多臺攝像機。通過在變電站各類開關室內安裝軌道式攝像機，該系統可以遠程對軌道攝像機進控制操作，實時獲取每個控制柜上的所有監控信息，實時上傳中心主站。軌道監控攝像機可進行水平和垂直兩個方向的運動，確保了監控目標不留死角。

2.2.3 高度智能化

該系統能夠識別不同的對象，發現監控畫面中的異常情況，并能以最快且最好的方式發出報警并提供有用的信息，提高報警處理的及時性，從而幫助工作人員更有效地提前發現危機，并最大限度降低誤報和漏報現象，防止人員進入帶電區域造成的人員傷亡。在變電站設備巡視和倒閘操作中，該系統還可以實現以下功能。第一，全部且準確地監控變電站所有的儀表，實時獲得變電站內每個儀表的讀數，對儀表讀數超過警戒值的，系統智能報警。第二，智能分析變電站斷路器和隔離開關的分合指示牌，將分析結果上傳至信息一體化平臺。第三，智能分析變電站斷路器和隔離開關保護屏柜上的分合指示燈，并將分析結果上傳信息一體化平臺。

2.2.4 紅外在線預警

紅外成像技術能夠很好的預防檢測異常情況來保證設備的可靠運行。工作人員應使用便攜式紅外熱像儀定期對設備進行掃描，確保設備在正常溫度下運行。但這種檢測方法不是實時的，不能及時了解設備運行狀態和變化后的溫度。而通過使用在線紅外熱像儀實時監測主要設備的溫度，可以解決不能及時檢測到過熱的問題。

2.2.5 系統結構靈活

系統的網絡適應性強，可實現基于IP的多級遠程監控中心，可靈活組建省級、地市級以及縣區級監控中心。此外，采用先進的流媒體轉發和級聯技術，可有效提高網絡帶寬的使用效率， 滿足多個用戶的需求，也可以通過Web方式形成多級監控系統。

3 結 論

隨著智能變電站綜合自動化系統需求的增加和5G垂直行業在無線視頻監控中的不斷深入，需要不斷完善5G技術，解決5G網絡頻率高、衰減快、增加網絡體系建設成本以及安全風險等問題。盡早實現5G網絡的全覆蓋，全面提高信息資源的利用效率，不斷創新電力監控系統的應用路徑。