5G网络视频监控在智能变电站中的应用

2021-01-25卢奭瑄单俊玮

通信电源技术 2020年18期

申周，卢奭瑄，2，单俊玮

（1.沈阳工业大学，辽宁沈阳 110027；2.沈阳工程学院，辽宁沈阳 110136）

0 引言

随着5G商用进程的深化，运行商大规模的网络建设，5G通信技术也日趋成熟。从最初的2G通信技术和3G通信技术到当前的4G通信技术和5G通信技术，发展速度较快，可以满足当前社会生活的发展要求[1]。在移动通信网络中，5G智能通信技术凭借成熟的无线传输系统，传输数据的速度更快。不同频段的应用，使得5G 通信信号更加稳定。与4G通信技术相比，5G信号的覆盖范围也更广，可以满足不同用户的多样化生活和工作。

虽然4G网络通信技术在我国商用时间已不短，但在无线监控领域却只处于起步阶段，无法满足无线监控大范围的应用，在稳定性、覆盖率以及传输速度等方面也存在严重问题。5G作为一种超宽带无线技术，其移动性和高带宽等特点使得传统的安全监控系统得到了进一步地发展和改进，使得基于固网宽带的网络数字视频监控系统在无线环境中也可以得到广泛应用[2]。随着智能电网建设需求的增长，将不可避免地颠覆传统的视频监控行业。随着5G通信技术的不断成熟和商业化应用的不断推广，基于5G网络的无线视频监控技术也必将在变电站综合自动化系统中发挥越来越重要的作用。

1 可行性分析

如今的第五代移动通信网络（简称5G）是最新一代的蜂窝移动通信技术，具有高速率、宽带宽、高可靠性以及低时延等特性。其凭借全新的网络架构，至少可以提供十多倍的4G峰值速率、毫秒级的传输时延、超过500 km/h的移动性能以及千亿级的连接能力，可以完成许多4G所不能完成的任务[3]。

随着5G通信网络不断深入工业互联网，远程控制、工业摄像头以及生产设备实时监控等也必将应运而生。5G契合了变电站综合自动化系统发展的需要，为实现更加智能安全的运作提供发展基础。其最重要的功能包括以下几点，一是具备多连接的特性，在无线监控中不仅扩大了监控的范围，而且在获取更多的多维监控数据上面也得到了大幅度的提高。二是在软件层面上采用了云和虚拟化技术，有效解决了生产安全和通信传输层面上的许多问题。三是不受物理硬件的限制，实现实时集中调配和统一运行，满足智能化变电站高效率运行管理的需求，提高指令的执行速度，便于各个部门的沟通配合，降低通信设备运行维护的成本和失误概率。四是无线传输更容易部署、成本更低且性能更稳定，不需要埋线施工，提高了资源利用效率，避免线路老化损伤通信效率，从而提高信息传输的安全性和稳定性[4]。

许多变电站自动化调度系统只能实时监控电力数据，而在全面直观地反应变电站众多设备现场运行状况方面做的还是不足，电力人员需要在检查工作上花费更多的精力。一旦事故发生，电网调度人员如果不能及时准确地掌握现场状况，只有到达现场才能查明事故原因的话，将会造成严重后果。如报警单元在收到信号干扰的情况下会发生误报警情况，如果不能及时排查原因并解决，势必造成秩序紊乱。目前，隔离开关类很多设备的成功率还达不到100%，因此操作员必须仔细检查确认操作成功后才能进行下一步操作。综上所述，在考虑如今无人值守变电站的需求和电网的管理向自动化、网络化、数字化以及智能化方向发展的前提下，提出了建立一种智能5G网络视频监控系统，用于建设各层次变电站的安防视频监控系统、变电站智能网络远程传输的报警信息系统以及监控中心。

智能监控系统的主要功能是将视频监控、火灾报警、安全警卫以及环境监控有机地集成在供电局不同区域的变电站之间。使用5G通信数据网络可以实现远程视频实时监控和信息处理实时反馈。在主站供电局建立监控中心，可以统一调度和实时监控各变电站。主站监管人员可以通过实时视频统一管理站点，及时解决各种问题，提高工作效率。无人值守时，根据管理系统虚拟化设置，在站点出现安全问题后，发出操作指令给前方工作人员[5]。

2 基于5G智能视频监控系统的设计

2.1 系统的组成

根据变电站综合自动化系统的特点和管理模式，将远程监控系统分为主站端（主控中心、区域监控中心）、变电站监控前端以及传输网络设备3个部分。组网结构如图1所示。

图1 组网结构示意图

在系统中增加一个新的变电站时，只需要在前端系统建立站端监控，并与监控中心建立连接即可。系统的各项功能和运行状态不受扩建的影响。

2.1.1 前端站部分

现场变电站监控的前端设备主要完成现场各种信息的采集、处理以及上传。主要由高清摄像机、5G智能视频分析服务器以及报警处理单元等组成。变电站前端监控系统的方案设计和项目实施要严格按照国家电网的《智能变电站辅助系统综合监控平台技术规范》《变电站视频及环境监控系统技术规范》以及《电网视频监控系统及接口》，采用符合标准的硬件产品和监控平台。在变电所前端重要区域安装高清摄像头，查看重要设备的详细情况，减轻工作队的检查压力。一些地区还需要部署跟踪摄像头，在主控楼顶部署全景摄像机对场地进行全景监控。对于部分室内变电站，由于白光补光可能扰民，因此可部署黑光摄像机。在变电站周界和重要设备区域部署智能分析设备，变“被动监控”为“主动监控”，识别仪表读数、刀闸状态、刀闸（开关）分合指示牌状态以及控制柜指示状态，减少运维中心的监控压力。此外，在变电站制高点，部署红外热像仪，实时监控变电站设备的温度状态并红外成像，通过温度提前发现设备故障。

5G智能视频分析服务器是视频监控的重要组成部分，其内部配有5G无线调制解调器和嵌入式TCP/IP协议（使用MPEG4压缩格式）。其主要功能是收集变电站中被监视区域的实时视频场景，然后经过压缩编码上传到监控中心，通过5G网络连接解码器，并根据本地监控中心的操作命令将其发送出去。监控中心通过安装的特定视频监控软件监视现场情况，并自由切换不同现场视频。针对报警处理单元收集到的异常温度和异常行为等各种状态信息，实现警视联动录像的功能，自动启动警告灯、警铃以及广播对违章操作和异常工作向人员进行警告。与变电站相关的综合自动化系统互联互通，并根据预设信息实现自动识别和触发实时对讲。

报警处理单元处理由报警检测器收集的若干节点警报状态，对各报警信息按照预先优先级顺序和逻辑关系，通过无线数据网络直接上传到监控中心，同时也可通过数据形式的信息按照RS232/485串行端口传输到网络视频服务器，最后到达监控中心。监控中心的监控管理系统将按照先前设置的程序立即做出相关操作。

2.1.2 主站端监控中心

主站端监控中心由中央图像处理服务器、图像监控终端、图像处理软件以及远程视频监控联网报警软件组成。接收现场传来的图像和报警信号，提示保安人员采取各种措施，同时可以实现远程控制矩阵、摄像机、云台以及远程联动控制，还可以进行远程视频文件下载、图像检索以及数字视频回放，实现电网的可视化监控和调度。

中央图像管理服务器用于管理图像的传输和存储。管理服务器上安装了系统管理数据库、系统管理软件以及监控终端模块，对整个系统的管理和服务起到了一定的作用。监控人员也可以在辖区内通过IE浏览器进行实时监控。

2.2 系统特点

基于5G智能视频监控系统的主要特点如下。

2.2.1 功能全面，可扩展性强

系统完整实现了运行监控和安全防范两大职能，全面整合了视频监控、周边报警、安防、消防以及动力环境等系统。同时具有很强的扩展性，还可以整合其他系统实施综合监控。

2.2.2 监控点无死角

系统将根据要求部署匹配的监测点，确保在重要监测区域不出现死角。对于一次设备区，由于需要大角度倾斜镜头来监控闸刀开关的开闭情况，因此配置了白光云台。对于仪表监控，由于未来将进行智能抄表，因此部署了固定式红外摄像机。对于现场区域，考虑到设备监控和人员监控的需要，部署了红外高清球机。以上都是按照满足监控需求进行部署。对于变电站的一些特殊区域，由于监控角度小、空间狭小以及环境危险，因此不宜安装多台摄像机。通过在变电站各类开关室内安装轨道式摄像机，该系统可以远程对轨道摄像机进控制操作，实时获取每个控制柜上的所有监控信息，实时上传中心主站。轨道监控摄像机可进行水平和垂直两个方向的运动，确保了监控目标不留死角。

2.2.3 高度智能化

该系统能够识别不同的对象，发现监控画面中的异常情况，并能以最快且最好的方式发出报警并提供有用的信息，提高报警处理的及时性，从而帮助工作人员更有效地提前发现危机，并最大限度降低误报和漏报现象，防止人员进入带电区域造成的人员伤亡。在变电站设备巡视和倒闸操作中，该系统还可以实现以下功能。第一，全部且准确地监控变电站所有的仪表，实时获得变电站内每个仪表的读数，对仪表读数超过警戒值的，系统智能报警。第二，智能分析变电站断路器和隔离开关的分合指示牌，将分析结果上传至信息一体化平台。第三，智能分析变电站断路器和隔离开关保护屏柜上的分合指示灯，并将分析结果上传信息一体化平台。

2.2.4 红外在线预警

红外成像技术能够很好的预防检测异常情况来保证设备的可靠运行。工作人员应使用便携式红外热像仪定期对设备进行扫描，确保设备在正常温度下运行。但这种检测方法不是实时的，不能及时了解设备运行状态和变化后的温度。而通过使用在线红外热像仪实时监测主要设备的温度，可以解决不能及时检测到过热的问题。

2.2.5 系统结构灵活

系统的网络适应性强，可实现基于IP的多级远程监控中心，可灵活组建省级、地市级以及县区级监控中心。此外，采用先进的流媒体转发和级联技术，可有效提高网络带宽的使用效率，满足多个用户的需求，也可以通过Web方式形成多级监控系统。