海量存储技术在变电站视频监控中的应用

王文彬，王文革，王 松

（1.河南省电力通信自动化公司，河南 郑州 450052；2.河南省电力公司，河南 郑州 450052）

0 引言

随着省级变电站视频联网的推进和变电站高清视频技术的应用，视频存储在电力视频监控系统中变的越来越重要，存储的信息量也越来越大。监控视频存储系统可以更好地发挥变电站安全保障作用，值班人员可以能够更准确分析变电站异常状况并进行报警。事故追溯是变电站监控系统的重要功能，因此图像存储是视频监控系统非常重要的一个环节。

视频存储根据存储的画面质量不同对容量需求差别很大，随着画面质量的提升、监控路数的增加，对存储容量的要求会成倍增加。视频存储需要能够满足不间断的数据读写，数据流量大，但访问请求数量不高。目前视频监控数据保存周期短，一般要求为一个月，主要采取自动覆盖的方式。对于一些事故录像要求能长期保存，以便能进行事后分析，为事故预防打下基础。以720p为标准，每小时录像需要的硬盘容量约为4～8 Gbyte，如果要保存1个月，9路监控大约要21～42 Tbyte的容量，与传统的CIF格式相比，存储容量增加近10倍。因此为了使系统能够更好地运行，发挥更大的作用，视频监控系统对系统存储提出了更高的要求。

1 变电站图像监控存储系统的现状

变电站视频监控系统包括变电站子站和监控中心主站。在变电站安装子站系统，主要负责视频信息和报警信息的采集、编码与传输，采用DVR进行编码的子站还具有存储的功能，可进行当地录像存储。主站负责接收子站的图像信息和报警信息并显示，并能实现对子站的控制，有的主站设有存储服务器可以对变电站的信息进行存储。以上是传统的基于CIF或D1分辨力的显示和存储基本模式。根据在多个省的调研，大多数变电站视频监控系统采用分布式存储模式，监控中心很少安装专门的存储服务器。对于新建的基于720p分辨力的变电站视频监控系统在变电站本地都设有专用的存储服务器，在监控中心也安装有存储服务器。目前的存储基本是采用直接存储的方式，都是在服务器上连接几个磁盘，采用点对点的磁盘系统，存储的可扩展性和存储性能很难提高。DVR使用IDE硬盘，没有相应的数据保护机制，一旦硬盘损坏，将造成数据丢失。

随着高清视频监控系统的建设，由数字监控取代传统技术产生出的许多数字监控的新功能正在逐渐成为主流技术。原数字化监控的核心设备DVR逐渐减少，开始被以视频服务器结合IP SAN为核心的监控系统所替代。

2 SAN存储系统

SAN即存储区域网络（Storage Area Network），由存储设备和网络设备构成。它是一种新存储连接拓扑结构，主要用于代替现有的系统和存储系统之间的SCSI/O连接。SAN是一种将数据由数据处理系统传输到数据存储系统的方法。SAN的通信都在一个与应用网络隔离的单独的网络上完成，可以被用来集中和共享存储资源。它和以太网有类似的架构，由服务器、HBA卡、集线器、交换机和存储装置所组成。SAN可分为FC-SAN和IP⁃SAN，针对视频监控系统对存储的需求，这两种存储框架有各自的特点。

FC-SAN采用光纤通道技术，拥有自己的协议层。光纤通道支持3种拓扑方式：点对点方式，FC-AL方式和FC-SW方式。其中FC-SW即交换式光纤通道连接方式，最为灵活，但需要配备支持交换架构的交换模块或FC交换机。目前的主流FC产品的带宽可达4 Gbit/s，光纤磁盘高性能为FC磁盘阵列提供了存储速度基础。FC-SAN一般要单独组网，不会受到已有IP网络上的不安全因素影响，通过Zoning机制可以对SAN进行分区管理，避免了服务器和存储之间的非法访问，因此FC网络安全系数比较高。FCSAN的高性能对应的是它的成本较高，光纤阵列、光纤磁盘、光纤交换设备和光纤HBA卡等价格都比较高，也相应增加了专业维护成本。

IPSAN采用iSCSI通信协议，SCSI协议被封装于IP包中在LAN/WAN中进行传输，支持数据库应用所需的基于块的存储，iSCSI是基于块的存储。由于通过以太网进行传输，用户可以利用现有的以太网设施来部署iSCSI存储网络，这种部署方式不需要更改用户的网络体系，从而大大降低了部署成本。这种模式不但可以应用在局域网中，也可以跨过路由设备在广域网中实现，从而大大扩展了iSCSI存储网络的部署范围。这种模式的存储系统可以直接在现有的网络系统中进行组建，可以直接使用交换机来连接存储设备，因此iSCSI存储系统具有很高的扩展性，可以广泛应用到中低端的存储应用中。

表1显示的是FC-SAN、IP-SAN的一些性能比较。针对视频监控用户的需求和数据存储应用特点，IP-SAN架构是比较合适的。

表1 FC-SAN和IP-SAN对比表

3 海量存储技术在变电站图像监控系统的应用方案

现在各省市公司正在进行变电站视频监控系统的联网，按相关要求220 kV及以上电压等级的变电站视频都需要接入省级指挥中心。各部门间统一协调、统一管理的需求正越来越明显，大监控、全局监控的建设逐渐成为电力行业构建新一代监控网络的必然要求。省级变电站视频监控系统建成后，将是分布式、网络化的大型监控平台。系统通过网络连接了子站（变电站）、主站（地市供电公司视频监控中心和省电力公司视频监控中心），为三级架构。

3.1 变电站视频监控系统现有的存储方式

3.1.1 变电站前端存储

变电站前端存储是在视频监控系统的前端设备进行存储，由站端的远程视频单元（RVU）设备进行监控图像的本地录制和保存。对于前端存储，由于一个变电站安装的监控摄像机数量不多，大部分都在16路以内，存储时间一般在30天左右，所以对存储容量要求不高。用户既可以通过直接登录单个RVU进行录像资料的点播回放，也可以在统一监控平台进行对前端录像资料进行集中的检索和回放。

变电站前端存储具有几个优势：一是可以通过分布式的存储来减轻集控站或地市监控中心集中存储带来的容量压力；二是可以有效缓解集中存储带来的网络流量压力，保证实时视频信息的传输；三是由于图像直接在当地存储，在网络发生故障时仍然可以保存现场的图像信息，存储安全性较高。

3.1.2 监控中心存储

在变电站视频监控系统中，有的采取监控中心集中存储的方式。站端设备采集监控点图像信息并编码压缩处理成数字码流，然后通过网络传送到监控中心管理平台，由监控中心管理平台将数据分发给相应的存储服务器进行集中存储。

有些大型变电站视频监控联网系统采用多级分布的中心存储方式，即建立主、分监控中心进行存储。以一个省级的电力视频监控联网系统为例，在省电力公司建立一级存储，在各个地市公司建立市级的存储中心，这样既可降低一个中心点集中存储带来的存储容量和网络流量的压力，同时也提升了系统的可靠性。

使用多级中心存储具有以下几个方面优势：1）检索和调用录像资源更为方便；2）存储内容的完整性更容易保证，对重要的视频信息可以在不同级别的存储中心都进行存储，这样不会因为某个前端设备故障而导致重要内容的丢失；3）有利于制定多样化的存储策略，以满足不同用户的需求，节省资源；4）运行维护更加方便。

3.1.3 混合型存储

对于视频监控网络复杂、存储安全性和可靠性要求高的系统，可以采用既有集中存储也有前端存储的建设模式，这样的存储系统兼具二者的优势，提高了系统的安全可靠性，但建设和管理成本也相应增加。

对于大规模的变电站视频联网监控系统，比如全省电力视频联网系统，通常采用多级监控中心体系，每个级别的监控中心管理其辖区内的监控资源并进行存储。省市公司都可以对录像资源进行查询、下载，省级监控中心统一管理所有的视频资源和录像文件。这样的存储系统，以分布式存储作为基础，同时在省级监控中心设置网络存储服务器。短期的数据临时存放在变电站端和地市监控中心的网络存储服务器内，长期重要数据比如事故录像或反事故演习资料等上传到省级监控中心的网络存储服务器中。重要监控点位的视频资料不仅存储在基层监控中心的网络存储服务器，也实时传输到省级监控中心的网络存储服务器中作为备份。

3.1.4 变电站视频监控系统海量存储解决方案

目前省级变电站视频监控系统采用混合型存储的模式，在变电站端通过硬盘录像机进行录像存储，变电站一般采用移动视频侦测录像或采取24 h自动覆盖录像。在地市监控中心通过采用IP-SAN方式进行存储，遇到发生设备故障、反事故演习或其他安全事件，将所运行维护的110 kV，220 kV，500 kV变电站的相关视频存储到地市监控中心。在地市监控中心制定备份计划，采用定时自动备份的方式，将超过30天的文件资料备份到市监控中心存储服务器相对应的目录中，并定期进行维护。在省级监控中心也采用IP-SAN方式进行存储，如遇到应急演练、重要变电站设备故障或其他安全事件，将省公司所属的重要220 kV变电站、500 kV变电站的视频录像保存到省公司。省监控中心可以随时调用地市监控中心存储的重要视频资料。系统结构如图1所示。

在进行视频监控的存储系统设计时，首先要对系统中摄像头数量、采集视频的格式和码率、视频服务器的数量等参数进行统计和分析，计算出系统中存储的总带宽压力和存储容量要求，设计存储系统的网络架构，然后再根据可选用的存储设备型号及价格成本，最终选定存储设备的型号。

对于存储系统容量，按照标准每路视频都若采用D1格式和定码流方式。D1格式流量为2 Mbit/s。单路和100路视频实际占用带宽分别为

1×2 Mbit/s÷（8 bit/byte）=0.25 Mbyte/s

100×2 Mbit/s÷（8 bit/byte）=25 Mbyte/s

单路视频每天存储容量为

（2 Mbit/s×3 600 s）÷（8 bit/byte）×24=21 Gbyte

单路视频每月存储容量为

（2 Mbit/s×3 600 s）÷（8 bit/byte）×24×30=633 Gbyte

100路视频每月存储容量为

100×（2 Mbit/s×3 600 s）÷（8 bit/byte）×24×30=62 Tbyte

对于高清视频监控系统，按照标准每路视频都若采用720p格式和定码流方式。720p格式流量为6 Mbit/s。单路和100路视频实际占用带宽分别为

1×6 Mbit/s÷（8 bit/byte）=0.75 Mbyte/s

100×6 Mbit/s÷（8 bit/byte）=75 Mbyte/s

单路视频每天存储容量为

（6 Mbit/s×3 600 s）÷（8 bit/byte）×24=63 Gbyte

单路视频每月存储容量为

（6 Mbit/s×3 600 s）÷（8 bit/byte）×24×30=1 898 Gbyte

100路视频每月存储容量为

100×（6 Mbit/s×3 600 s）÷（8 bit/byte）×24×30=189 800 Gbyte=185 Tbyte

4 小结

随着变电站视频监控系统联网的推进和电网全景预警系统的建立，视频监控系统呈现的新特点为：1）监控规模和范围越来越大；2）视频存储周期变长；3）监控视频清晰度越来越高；4）视频监控系统不再只提供简单的安防功能，已和其他电力生产辅助系统相结合，应用范围不断扩大。视频存储与应用在电力系统中的作用越来越重要。视频监控的存储系统随着存储技术的发展而不断进步，在构建存储体系时应综合考虑成本、用户需求、系统性能等因素。网络化、智能化是视频监控系统的发展方向，视频存储应能适应目前的发展趋势，提供基于网络的智能化存储、检索和回放。同时，由于无线系统大多构建在Internet的基础上，而变电站视频监控系统是建立在电力内网上的，如何实现内、外网视频信息的合理利用也是一个重要课题。

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