劉書強，程良倫

(廣東工業(yè)大學(xué)自動化學(xué)院，廣東廣州 510006)

隨著社會經(jīng)濟與科學(xué)技術(shù)的發(fā)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(tǒng)本身和外部干擾的影響會使得電網(wǎng)事故頻發(fā)，這不但使電力企業(yè)的經(jīng)濟效益受損，而且也對電力用戶甚至是整個社會造成嚴(yán)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(zāi)害，部分變電站設(shè)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(tài)沒有足夠的監(jiān)控，無法及時掌握故障的發(fā)生地點以及周圍情況。

高壓輸變電線路通常都處于地形復(fù)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(huán)境，所以不僅要關(guān)注電壓、電流等數(shù)據(jù)，判斷故障的發(fā)生地點，也要及時了解線路周圍環(huán)境的情況，通過視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在惡劣天氣下代替人工巡線，提高電網(wǎng)的工作效率及安全監(jiān)護水平［4］。比如監(jiān)控高樹成長對輸變電線路的影響，以及輸變電設(shè)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(jiān)控技術(shù)從本地模擬視頻監(jiān)控、基于PC的視頻監(jiān)控發(fā)展到基于嵌入式的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻監(jiān)控，網(wǎng)絡(luò)化的視頻監(jiān)控系統(tǒng)集圖像壓縮技術(shù)、視頻技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸于一體，代表了當(dāng)前最先進的視頻監(jiān)控技術(shù)［6］，第三代網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控正向高清化、智能化、移動化、標(biāo)準(zhǔn)化和平臺化發(fā)展［7］。

為了提高供電可靠性，提高生產(chǎn)效率，對電力設(shè)備及線路實現(xiàn)監(jiān)控，本文結(jié)合視頻監(jiān)控技術(shù)與智能電網(wǎng)的需求，設(shè)計一套適用于電網(wǎng)維護的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，能夠?qū)Ω麟娏υO(shè)備、線路周圍的狀況進行圖像顯示，并及時對發(fā)生的情況做出反應(yīng)。

1 面向電網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

電網(wǎng)輸電線路遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)是利用云臺攝像頭采集電網(wǎng)周圍環(huán)境(包括線路及周圍自然環(huán)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(wǎng)絡(luò)或3G網(wǎng)絡(luò)進行傳輸，達到上層監(jiān)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(dāng)前輸電線路周圍環(huán)境的情況，以便工作人員采取相應(yīng)措施應(yīng)對突發(fā)事故。

電網(wǎng)輸電線路自然災(zāi)害視頻監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖如圖1所示。

1)圖像采集層

感知層是整個監(jiān)控系統(tǒng)最底層部分，主要采集電網(wǎng)輸電線路周圍環(huán)境的圖像參數(shù)，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(wǎng)絡(luò)帶寬需求。

圖1 輸電線路自然災(zāi)害視頻監(jiān)控系統(tǒng)的整體架構(gòu)圖

2)網(wǎng)絡(luò)層

網(wǎng)絡(luò)層是整個監(jiān)控系統(tǒng)的中間環(huán)節(jié)，主要是將由圖像采集層獲取的數(shù)據(jù)傳遞到上層的監(jiān)控中心，同時也將監(jiān)控中心的命令傳遞到監(jiān)控終端。在這個過程中，通過網(wǎng)絡(luò)將圖像層采集數(shù)據(jù)進行傳遞，首先建立網(wǎng)絡(luò)連接，然后將壓縮圖像進行順利傳輸。當(dāng)傳遞監(jiān)控中心的命令時，過程相似。由于進行遠(yuǎn)距離傳輸，所以采用不同的網(wǎng)絡(luò)，可選擇接入電力專用光纖網(wǎng)、電力線載波通信網(wǎng)，以及有線寬帶、GPRS/CDMA等網(wǎng)絡(luò)。

3)監(jiān)控中心

監(jiān)控中心是整個監(jiān)控系統(tǒng)的最終環(huán)節(jié)，主要對網(wǎng)絡(luò)層傳遞過來的數(shù)據(jù)進行分析處理，將視頻圖像進行解碼處理，顯示當(dāng)前的電網(wǎng)環(huán)境狀況，并建立數(shù)據(jù)庫，供工作人員查詢。同時還可以對攝像頭進行云臺和調(diào)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(jiān)控終端硬件設(shè)計

電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的硬件結(jié)構(gòu)圖見圖2。

嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控終端采用內(nèi)核為ARM1176JZF-S的三星S3C6410主控芯片，該芯片功耗低，性能穩(wěn)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(jiān)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(tǒng)及相關(guān)的應(yīng)用程序。

仿真器接口使計算機能夠訪問系統(tǒng)內(nèi)的各個部件，通過該接口可對系統(tǒng)進行編程、仿真。

圖2 監(jiān)測終端的硬件結(jié)構(gòu)圖

云臺解碼器用來將監(jiān)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(zhuǎn)動，以及云臺轉(zhuǎn)動的速度設(shè)置。鏡頭控制包括調(diào)焦、光圈控制，完成光圈、焦距的調(diào)節(jié)。

視頻采集卡是對攝像機采集到的視頻圖像信息進行數(shù)模轉(zhuǎn)換，將模擬視頻轉(zhuǎn)化成數(shù)字視頻，然后傳遞給緩沖區(qū)，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(shù)據(jù)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(shù)，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(shù)據(jù)量太大，必須進行視頻壓縮編碼，以減少網(wǎng)絡(luò)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(jù)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(shù)據(jù)利用通信模塊發(fā)送出去。通信模塊采用的是一款帶有內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧的GPRS模塊，可以縮短GPRS產(chǎn)品的研發(fā)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(dǎo)線、絕緣子、塔架等的圖片信息，經(jīng)視頻編碼器壓縮圖像信息后，等待網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。

2)通信功能。監(jiān)測終端通過GPRS通信模塊與監(jiān)控中心建立通信連接，將壓縮后的視頻進行傳遞，到達服務(wù)器，并能夠?qū)⒈O(jiān)控中心的遠(yuǎn)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(jiān)控終端和監(jiān)控中心的紐帶，是相互之間進行通信的橋梁，可以將監(jiān)控終端的視頻信息傳遞給監(jiān)控中心，也可以將監(jiān)控中心的命令傳遞給監(jiān)控終端。

GPRS無線通信涉及到TCP/IP通信協(xié)議和PPP點對點協(xié)議。GPRS無線通信模塊通過串口與主控芯片相連，當(dāng)準(zhǔn)備進行數(shù)據(jù)通信時，主控芯片ARM上的Linux系統(tǒng)將通過PPP點對點協(xié)議進行撥號上網(wǎng)，當(dāng)連接成功后，運營商會給該模塊分配一個動態(tài)的IP地址，可以接入網(wǎng)絡(luò)。但是當(dāng)此連接中斷后再次連接，模塊的IP地址可能會發(fā)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(dāng)采用公網(wǎng)APN時，采用動態(tài)IP的GPRS模塊主動向公網(wǎng)內(nèi)靜態(tài)IP地址發(fā)起TCP連接，如果該靜態(tài)IP地址的計算機偵聽到連接信息，則可以連接;但如果靜態(tài)IP地址的計算機向動態(tài)IP發(fā)起連接，則必須要通過代理設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)，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(fā)起連接，而服務(wù)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(shè)置通信波特率可以使用“AT+IPR=9 600”命令，把波特率設(shè)為9 600 baud/s或者其他波特率。

2)信號質(zhì)量測試使用“AT+CSQ”命令檢測信號質(zhì)量，確定是否可以登錄網(wǎng)絡(luò)。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(xiàn)在可以連接網(wǎng)絡(luò))。

3)接入網(wǎng)關(guān)通過 AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”命令，設(shè)置GPRS接入網(wǎng)關(guān)為移動網(wǎng)絡(luò)。“CGDCONT=1”:定義PDP(分組數(shù)據(jù)協(xié)議類型)上下文，用于規(guī)定分組數(shù)據(jù)協(xié)議類型的字符串參數(shù);“IP”表示使用因特網(wǎng)協(xié)議，“CMNET”表示使用網(wǎng)關(guān)的名字。返回值為“OK”，說明接入網(wǎng)關(guān)，否則返回“ERROR”。

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

5)網(wǎng)絡(luò)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(shè)置用戶密碼;

(3)AT∧SICS=0，user，cm//，連接平臺 0，設(shè)置用戶名;

(4)AT∧SICS=0，apn，cmnet//，連接平臺 0，設(shè)置APN服務(wù)商(cmnet為中國移動提供);

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

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

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

(8)AT∧SISO=1//，打開TCP連接。

此時完成網(wǎng)絡(luò)的連接功能，可以將視頻打包后進行發(fā)送。

4 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心主要包括計算機信息終端設(shè)備，即監(jiān)控中心服務(wù)器，是整個遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的神經(jīng)中樞，負(fù)責(zé)控制整個系統(tǒng)的運行，完成監(jiān)控和管理等功能。

監(jiān)控中心負(fù)責(zé)接收監(jiān)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(wǎng)絡(luò)傳輸程序，與監(jiān)控終端進行通信，接收視頻，同時向監(jiān)控終端發(fā)送命令，以對終端進行云臺控制;對用戶的身份及權(quán)限進行管理。

監(jiān)控中心軟件采用Visual Studio 2010中的WPF框架進行開發(fā)，能夠運行在WIN7環(huán)境下，采用C#語言開發(fā)而成。監(jiān)控中心軟件采用C/S主從分布式結(jié)構(gòu)，與監(jiān)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(jiān)控中心主要實現(xiàn)的功能為:

1)網(wǎng)絡(luò)傳輸程序

網(wǎng)絡(luò)傳輸程序部分運行Socket服務(wù)器編程，與監(jiān)控終端進行通信，實現(xiàn)將編碼壓縮后的視頻數(shù)據(jù)發(fā)送給數(shù)據(jù)處理程序部分，并將數(shù)據(jù)處理程序產(chǎn)生的命令發(fā)送給監(jiān)控終端。

2)數(shù)據(jù)處理程序

數(shù)據(jù)處理程序包括兩部分，其中一部分是對監(jiān)控終端發(fā)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(fā)給網(wǎng)絡(luò)傳輸程序，以便傳輸?shù)奖O(jiān)控終端進行控制。

3)監(jiān)控顯示畫面

負(fù)責(zé)對數(shù)據(jù)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(yuǎn)程瀏覽，實時監(jiān)控現(xiàn)場設(shè)備與周圍環(huán)境，可根據(jù)要求進行大角度移動畫面，實現(xiàn)全面監(jiān)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(tǒng)登錄管理

對用戶的身份進行認(rèn)證，對不同的用戶等級分配不同的權(quán)限，以保證監(jiān)控系統(tǒng)的安全進行。

軟件系統(tǒng)主功能模塊見圖4。

圖4 軟件系統(tǒng)主功能模塊

監(jiān)控中心軟件在Windows開發(fā)環(huán)境下通過C#語言實現(xiàn)，通過與監(jiān)測終端的配合，實現(xiàn)了對輸電線路周圍環(huán)境狀態(tài)的監(jiān)測。

5 總結(jié)與展望

電網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)對于電力系統(tǒng)的安全運行有重要的意義，尤其是在交通不便的偏遠(yuǎn)地區(qū)，自然災(zāi)害造成的電網(wǎng)故障不能及時解除，造成人們的生活生產(chǎn)不便。

本文研究和提出了面向電網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用視頻采集模塊采集現(xiàn)場環(huán)境視頻并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將視頻發(fā)送給監(jiān)控中心，在界面進行顯示，同時能夠?qū)⒚畎l(fā)送給監(jiān)控終端完成云臺控制，實現(xiàn)對電網(wǎng)周邊環(huán)境的視頻數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控。

當(dāng)前，國家電網(wǎng)公司對智能電網(wǎng)已展開大量研究，在某些方面已經(jīng)取得突破性進展，隨著信息化技術(shù)和數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展，輸電線路視頻監(jiān)控、故障定位及變電站設(shè)備監(jiān)控水平將會快速提升，能夠提高電力系統(tǒng)運行可靠性與安全穩(wěn)定性，同時，它也能滿足當(dāng)前節(jié)能減排可持續(xù)發(fā)展的要求，促使電網(wǎng)的發(fā)展更趨于智能化。

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［3］劉文釗.基于ARM的變電站監(jiān)控系統(tǒng)研究［D］.濟南:山東理工大學(xué)，2009.

［4］倪振華，陸正嘉，張露維，等.視頻監(jiān)控技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用技術(shù)研究［J］.電子技術(shù)，2012(8):39-42.

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［6］李樹前.基于MPEG-4的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)研究與系統(tǒng)實現(xiàn)［D］.南京:南京航空航天大學(xué)，2007.

［7］倪振華，陸正嘉，張露維，等.視頻監(jiān)控技術(shù)在電力行業(yè)的應(yīng)用技術(shù)研究［J］.電子技術(shù)，2012(8):39-42.