高清视频智能监控平台在变电站的应用

王世文

（河南省电力通信自动化公司，河南 郑州 450052）

0 引言

目前，电力系统变电站视频监控系统普遍采用“模拟信号采集、数字信号传输”的传统模式，模数转换的过程，在一定程度上影响了图像的质量。随着网络通信技术的发展，基于IP的全数字高清视频监控系统开始在各行业出现，视频图像清晰、监控范围广、可扩展性强、智能分析等优势使IP高清视频监控成为视频发展的主流。近年来，国家电网公司对数字化、智能化变电站建设力度逐年加大，随之，对变电站视频图像监控的清晰度、智能化程度提出了更高的要求，将高清智能视频监控技术应用到数字化变电站领域，利用高清视频图像与智能分析技术为电网提供更好的服务是必不可少的，同时，智能图像监控技术应用和未来物联网的有机融合具有重要意义。

1 变电站视频监控现状及发展趋势

变电站视频监控现状有:

1）变电站视频监控图像清新度不高。

传统的变电站模拟视频监控系统已经为电力系统安全生产服务了多年，主要以安全防范设备巡检为主，各变电站图像监控系统大部分依然模拟信号接入方式，经过多次“数/模、模/数”转换，图像质量最多能达到CIF（分辨力352×288像素），分辨力达到D1标清格式的1/4，再则，站内模拟信号传输采用同轴线缆的接入方式，容易受到站内电磁干扰，严重影响了图像质量和观看效果。随着智能化电网的发展趋势以及变电站更高功能的需求，图像格式为D4（分辨力为1280 ×720像素）是电力图像监控系统建设的发展方向。

2）系统厂家品种多，标准不统一，协议接口互联互通性差。

视频图像各大厂商私有协议不开放、信令接口规范不统一，导致监控平台与客户端接口、平台与平台之间、平台与前端接口之间协议不匹配、互通性差，不利于可控、可管理和大规模集成的发展，不同厂家设备和协议标准也制约了IP高清视频监控技术的发展。2010年国家电网公司颁布了《电网视频监控系统及接口第1部分:技术要求》，规范了电网视频监控系统组成及主要功能、性能、接口、协议和编码格式等[1]，该标准的出台对电网视频监控建设具有指导性意义。

3）传输网络带宽不能满足高清视频图像传输。

根据现有的变电站图像监控系统的模式，传输通道基本承载于电力通信专网SDH光纤环网，带宽为2 Mbit/s，通过接入网桥的模式接入监控中心平台。随着网络视频监控的大规模推广应用，出现了以分辨力720p和1080 i为代表的高清摄像机，基于IP网络的数字视频服务器以及IP摄像机正在成为视频监控领域的主流，对QoS服务质量要求较高，2 Mbit/s带宽势必制约视频图像的传输，不能满足未来视频监控网络化的发展，根据电力专网的特性，通道传输汇聚层利用信息网路由器专用VPN方式接入电力信息网、核心层采取大带宽光传送网（OTN）、密集波分技术，可满足高清视频高带宽、高速率的要求。

4）图像资源共享性差，统一管理性欠缺。

由于受不同工程投资的限制，没有统一的规划，结果导致不同厂家、不同时期的图像格式繁杂，图像无法共享；摄像头设备的接口、协议不兼容，摄像头云台编码控制一致性较差，不利于统一管理。根据国家电网公司“三集五大”的提出，特别是“大规划、大运行、大建设、大营销、大检修”管理模式的推行，图像控制中心资源共享对监控系统提出了更高的要求，逐步实现国家电网公司、省市公司和地市级公司视频监视系统资源共享以及电网高清视频监控、可视化调度系统、应急指挥中心各系统之间的数据共享[2-4]。

5）图像监控功能单一，智能分析环节薄弱。

传统变电站监控系统只局限于视频监测功能，图像智能化分析程度不高，随着传感技术的发展应用，在变电站监测对象安装传感系统，可以实现对无人值守站设备覆冰、站内出线的舞动、杆塔倾斜、温湿度、风力风向等数据综合监测，智能分析技术将采集数据与视频图像相结合进行集成，使传感器采集与图像之间联动，达到监测分析和预警的能力，为电网减灾、防灾提供技术手段，降低电网事故发生的可能性，保障变电站及周围设备安全运行。

2 高清视频监控平台体系构建模式

在电力系统500 kV及以上变电站，建立符合《国家电网公司企业标准 电网视频监控系统及接口》标准、基于IP网络、分辨力为1280 ×720像素的高清智能视频图像监控平台。在220 kV研制开发变电站的视频监控系统协议转换网关，通过该网关实现原有变电站视频监控系统和监控设备的接入，解决目前存在的由于不同建设时期选用不同厂家产品而导致的标准不统一、技术路线不一致问题；实现接口开放，与其他电网调度系统、应急指挥中心、行政软交换系统办公自动化系统以及未来输电线路视频及状态监控系统有机融合、无缝对接。

高清视频智能监控平台的构建能够实现国网公司、省公司和地市供电公司三级视频监控系统分区域管理，建立统一存储数据的图像控制中心，实现三级视频图像资源共享。视频监控平台系统硬件需要支持多路视频终端的并发视频管理能力，满足大容量、高可靠视频监控系统的负载要求。多区域高清视频监控系统分层结构见图1。

3 高清视频监控平台接口

2010年国家电网公司对《电网视频监控系统及接口标准》进行了规范和严格定义，明确定义了接口A、接口B以及接口协议结构，视频监控系统外部接口A规定了视频监控平台与不属于本系统前端系统之间、视频监控平台之间、视频监控平台与其他业务系统之间互联互通接口；内部接口B规定了视频监控平台与属于该平台前端系统之间接口[1]。该标准的出台统一了同类或异类平台与平台之间、平台与前端之间信令接口、数据流接口和媒体流接口和协议，无疑对视频监控产品的各大开发厂家形成了约束和制约，开发商只有遵照标准接口、协议研发产品，才能够在电力行业视频监控系统获得“产品入网”许可证，最终实现异类厂商平台与平台、平台与前端的互联互通。视频监控系统接口如图2所示。

4 高清智能视频监控应用架构

高清智能视频监控系统平台系统架构主要分为应用功能层，基础服务中间层，网络层和前端系统，监控系统架构框图如图3所示。

1）应用功能层。监控客户端在特定授权岗位可以直接监视各变电站的视频，主要通过C++技术完成网络传输和视频处理；视频监控客户端通过人机交互控制数字矩阵实现视频切换矩阵功能，是监控中心电视墙的控制界面，通过C++技术实现网络传输和视频处理；在B/S架构的组件中需要通过IE客户端实现人机交互功能。

2）基础服务中间层。子系统间数据流运行通道，各子系统或者模块通过接口和若干基础服务进行交互，为系统平台提供技术支撑。

3）网络层。基于IP的宽带网络，整个系统的承载网络。

4）前端系统。前端系统/设备（PU）由各个厂商的视频服务器（DVS）、硬盘录像机（DVR）、网络摄像机（SIP协议）、监控摄像机、各类报警输入/输出装置、存储设备、输电线监测系统等组成。

5 高清智能视频监控组网方案

高清智能视频监控系统的主要由高清前端采集、高清传输、高清存储、高清显示四部分组成，达到一个纯正的高清效果形如“木桶效应”，任何一个环节达不到高清的标准都会影响高清的质量。目前，基于软交换的高清视频监控平台在很多企业内得到了广泛的应用，基于SIP协议的软交换技术，采取业务、控制完全分离，组网灵活，开放性强、互联互通性好[5]，合适大规模分层次、分布式监控。高清视频监控平台主要由软交换服务器、认证服务器、网管服务器、流媒体服务器和Web服务器等组成，统一采用标准的SIP协议构架成多业务视频监控平台，客户端通过SIP协议与平台的各服务器相连获取业务数据。高清智能视频监控组网设计拓扑如图4所示。

高清视频效果的保证首先要源于前端高清图像的采集，根据美国电影电视工程师协会（SMPTE）和国际电联（ITU）的相关规定，高清图像格式目前主要有720p，1080 p/i[6]。目前，网络高清摄像机感光芯片主要有CCD和CMOS两种，技术均很成熟，在高清领域有广泛的应用，随着产品批量生产，成本随之下降。分辨力为720p的高清网络摄像机有效像素可达到100万像素，1080 p甚至达到300万像素，这样的清晰度完全达到变电站视频监控智能分析的需求，除了清晰度之外，有其他影响图像质量的光学变倍、宽动态范围、自动测光补偿等指标[7]。由于变电站内高压区的特殊环境，对高清摄像机抗电磁干扰能力、夜视、防水要求较高。

对特高压站点在变电站铁塔出线处安装高清摄像机和智能分析系统是必要的，包括输电线路微气象监测、输电线导线温度在线监测、输电线舞动在线监测、输电线覆冰在线监测系统，杆塔上的输电线监测系统通过太阳能电池供电，系统中传感器采集数据通过WLAN无线方式送入前端设备，接入到站内局域网，再经过电力信息网与平台互联，实现除实时高清图像外的导线温度、杆塔倾斜、导线舞动、温度、湿度、风力风向等数据信息的综合监测，平台通过才采集的数据进行智能分析，将相关信息与视频系统进行集成和联动。

高清视频传输信息量大，前端采集信息回传至监控平台占用带宽大，一般的传输局域网、广域网系统难以承载，回传带宽成为制约高清图像质量的瓶颈。但是，随着智能电网信息网络支撑平台的建设，变电站高清视频监控交换设备与信息网路由器之间采用IP网络组网已成为可能，能够满足更大颗粒的视频包高速率、大带宽的需求，根据高清视频UDP（User Datagram Protocol）数据包大小选择合适、高性能、支持IP多播的交换机，与信息网路由器包转发相匹配，专用信息网络的VPN接入为高清视频业务提供可靠的质量保证。双码流技术、流媒体技术的推广和应用很大程度上减轻了高清视频带宽的压力。

6 小结

随着计算机技术、网络交换技术和智能分析技术的不断发展，使变电站视频监控系统前端一体化、接入多元化、视频数字化、系统网络化、管理平台化的高清智能视频图像应用更广泛。高清智能视频监控系统应用到智能电网数字化变电站领域，为无人值守变电站推进打下坚实基础，利用高清晰度视频图像能更好地为智能电网生产服务，全面支撑智能电网的发展。

[1]Q/GDW 517.1—2010，电网视频监控系统及接口第1部分:技术要求[S].2010.

[2]刘昌盛.智能电网多业务通信支撑平台的研究[J].电力系统通信，2010，31（217）:1-5.

[3]肖行诠，李富祥.视频监控系统平台互联互通的建设思路[J].电力系统通信，2010，31（13）:30-35.

[4]张博.中国视频监控市场进入高速发展期[J].电视技术，2008，32（12）:48-49.

[5]RFC3261，SIP:Session Initiation Protocol[EB/OL].[2011-01-15].http://www.ietf.org/rfc/rfc3261.txt.

[6]SMPTE274—1998，1920×1080 scanning and analog and parallel digital interfaces for multiple picture rates[S].1998.

[7]余和初，聂蓉.高清视频监控技术的现状及发展趋势[J].中国公共安全:综合版，2009（12）:172-177.