基于PoE技术的视频监控系统在火力发电厂的设计与应用

国电泉州热电有限公司 福建 泉州 362800

1 引言

我厂的生产区域视频监控系统早期随基建一起设计施工,属于模拟信号系统。受制于当时的技术水平,布置于生产区域的每一个前端摄像机都需要一条电源线供电和一根视频线进行信号传输,这样产生了大量线缆,不仅施工难度大,而且视频信号受传输距离的限制。这在现在看来是显得非常臃肿庞大的。

随着数字信号系统的快速发展应用,模拟量系统几近被淘汰。交换机和光缆等设备的大量普及应用,使得传输网络的搭建变得更为简单。利用交换机能够汇集现场多路摄像头的视频信号,再通过光纤将信号远传至中心机房,大大简化了视频信号传输线缆,同时光纤能够很方便的进行远距离的信号传送,不再受制于以太网线缆传输距离的问题。

近几年,以太网供电(PoE)技术的诞生与普及,再一次为基于IP的网络设备的更广泛应用铺平道路。PoE技术解决了网络设备的供电问题,前端网络设备(如网络摄像头、无线AP等)通过一根网线即可为设备供电同时传输信号。在进行系统架构设计时,不再需要考虑前端设备的取电问题,节省了大量电力电缆和布线施工成本。

2 PoE技术原理介绍

PoE(Power over Ethernet)技术即以太网供电技术,也称为基于局域网的供电技术(POL,Power over LAN)或有源以太网(Active Ethernet)。它是在现有的以太网五类、六类线布线的基础架构不变的情况下,通过网线即可为基于IP的网络设备在传输信号的同时为设备提供所需的直流电源。IEEE国际标准委员会于2003年发布了IEEE802．3af标准,并于2009年推出了IEEE802．3at标准,为PoE技术安全可靠的应用奠定了标准基础,只要遵循该标准,不同厂商之间设备的适配性问题就能得以解决。

PoE系统由两个部分组成。一个是供电设备PSE(Power Sourcing E-quipment),为以太网终端设备供电,是整个PoE以太网供电过程的管理者;另一个是受电设备PD(Power Device),也称客户端设备或者负载。PSE设备主要是PoE交换机,PD设备主要是网络摄像机、无线AP接入点、网络电话等。PoE系统原理如图1所示。

图1 PoE技术原理图

标准的五类网线有四对双绞线,其中有两对空闲线、两对信号线。IEEE802．3af标准允许有两种供电方式,一种是在4、5、7、8空闲线对上传输电流(模式A),并且规定,4、5为正极,7、8为负极。另一种供电是在1、2、3、6信号线上在传输信号的同时向受电设备传输电源(模式B),极性为任意,1、2为正极,3、6为负极或1、2为负极,3、6为正极,其中的一种供电极性。

PoE系统的主要工作过程:

(1)检测:在PSE为PD供电前,先输出一个低电压来检测PD是否为符合标准规定的PD,通过检测反馈电流,来判断PD是否具有一个25kΩ的特性阻抗,若符合要求,则判断为端口连接的是一个标准PD设备,才进行下一步操作。

(2)分级:当确认所连接的设备符合要求后,PSE会将输出电压进一步提高,来对受电设备进行分级,如果受电设备此时没有回应分级确认电流,PSE默认将受电设备规为0级,为其提供15．4W的输出功率(IEEE802．3at标准最高可支持30W的输出功率)。

(3)供电:经过确认分级后,PSE会向受电设备输出48V的直流电,并确认受电设备不超过15．4W的功率要求,当受电设备超载或短路后,PSE停止为其供电,再次进入检测阶段。

3 PoE技术在火力发电厂视频监控系统组网中的优势

火力发电厂设备复杂繁多,各类电缆交错布置,现场网络摄像机安装位置特殊、布线难度大、信号传输易受电磁干扰等问题。利用基于PoE技术架构的IP网络视频监控系统能够实现最大程度上的改善,它具有以下几点优势:

(1)更简便。对支持IEEE802．3af、IEEE802．3at标准的网络设备,均可采用PoE技术为受电设备供电,无需另外敷设电源电缆,利用单根网线实现供电与通讯,可随前端网络设备随意布置移动。对于特俗的现场环境,还能融合有线与无线的方式,非常简便的进行布线施工。这些都对网络系统的设计架构和系统的施工布置都大大进行了简化。

(2)更经济。采用网线直接供电,直接省去了电力电缆的设计和材料采购的成本费用,以及敷设电力电缆所需的配件材料费用,同时直接免去了电缆现场布线施工的人工成本,对系统维护来说,也一定程度上减少了运维成本。

(3)更稳定。PoE作为一项远程供电技术,有相应的国际标准支撑和约束,具有一系列科学的电源管理体系和监测系统,能够保证供电设备正常稳定的提供电源,也能保证受电设备处于最优的能耗状态,延长设备使用寿命。同时,采用低压直流供电能够减少电磁干扰对网络系统信号传输产生的影响,使得视频信号更稳定、不易失真。

(4)更安全。PoE供电设备并非直接为受电设备提供电源,而是经过相应的检测、分级后,确保受电设备符合标准后才进行供电。供电设备接口提供稳定可靠的48V直流电,相比于通过220VAC转换为48 VDC的传统供电模式,减少了电力线缆的布线密度,提高用电安全性。

4 基于PoE技术的视频监控系统在火力发电厂的设计应用

我公司通过前期调研,结合电厂生产现场实际情况,最终确定了以PoE技术为基本架构的IP网络视频监控系统设计方案。并通过立项招标,对生产区域传统的模拟量监控系统进行了升级改造。基于PoE技术的视频监控系统拓扑图如图2所示。

该系统由前端IP网络设备、交换机、服务器、解码器等组成,通讯介质采用超五类以太网线和光缆,采用分布式集中管理的模式,通过权限设置,系统局域网内的任何一台客户端均可访问本视频监控系统,并根据所使用账号的权限级别进行视频实时预览、录像回放、控制、下载等操作。

该系统采用了华为研发的支持PoE供电的交换机,最高支持30w的功率输出,对电厂现场特殊、复杂的环境条件采用有线与无线通讯融合的方式,通过单根超五类网线、无线网桥与前端的IP网络设备进行通讯连接,可实现百兆带宽的传输速率,同时节省了大量的材料和人工成本;通过PoE交换机对现场布置的所有前端网络设备进行汇集,再通过光缆,将信号传输汇集至核心交换机,可实现千兆带宽的速率传送;整个系统布置有72盘位磁盘阵列存储服务器,接入核心交换机用以存储视频数据,支持超过60天的视频历史数据存储能力,支持扩展;该视频监控系统配置了一台双路视频服务器,用以管理整套视频监控系统,同时配置了中心机房客户端,实现人机交互;通过双路视频服务器背部的RJ45网口与生产系统办公内网交换机专用网口进行连接,实现办公区客户端对视频监控系统的访问;通过8路高清解码器对网络视频信号进行转换实现高清视频监控图像上墙显示。

目前,该套视频监控系统已正常投入使用。通过客户端,以web方式访问视频管理服务器,实现对视频监控系统的管理和控制。监控系统的升级改造,加强了我厂对生产现场的有效监管,给机组检修、日常维护工作的标准化作业及生产安全方面的管理提供了强有力的工具。

图2 基于PoE技术的视频监控系统拓扑图

5 结束语

PoE技术的特点及优势,决定了其在基于以太网的设备组网系统中的快速发展和广泛应用,是当前网络监控系统和安防系统的主流技术。随着互联网技术的发展和普及应用,新型网络化、智能化产品设备的问世,传统的火力发电厂运作模式已经不足以满足时代进程的需求。在国家推行互联网＋产业模式以来,各行各业都在积极探索适合自身发展的产业模式。各大火力发电集团也在努力寻求智能化、智慧化发电企业的转型升级,构筑了智慧电厂发展框架体系,届时将会有大量新型网络化、智能化产品设备部署在各大生产现场,作为智慧电厂体系的接入层设备,为整个体系提供一双“火眼金睛”。因此相信,未来PoE技术能够更广泛而深入的服务于智慧电厂的构建,助力火力发电企业转型升级。