電力系統(tǒng)圖像監(jiān)控技術(shù)分析論文

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摘要：圖像監(jiān)控技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用正在逐步展開(kāi)，本文對(duì)這一技術(shù)在無(wú)人值班變電所的應(yīng)用特點(diǎn)作了分析，介紹了圖像監(jiān)控系統(tǒng)中的攝像機(jī)、視頻監(jiān)視器、編解碼器、畫面分割器、視頻監(jiān)視器等主要部件，對(duì)信息處理、傳輸及外圍系統(tǒng)的接入等有關(guān)方式作了選擇比較，根據(jù)實(shí)踐中的經(jīng)驗(yàn)，指出了在工程設(shè)計(jì)施工中應(yīng)注意的問(wèn)題。

關(guān)鍵詞：圖像監(jiān)控電力系統(tǒng)開(kāi)發(fā)應(yīng)用

1概述

圖像監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)、郵電、銀行等部門應(yīng)用較多，在電力系統(tǒng)的應(yīng)用尚處于初期和推廣階段。該系統(tǒng)將現(xiàn)場(chǎng)攝像機(jī)攝得的圖像通過(guò)一定的通訊通道傳到監(jiān)視中心，即可以清晰地看到現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況。圖像監(jiān)控在電力系統(tǒng)中有以下功能和特點(diǎn)：

（1）適用于無(wú)人值班變電所，監(jiān)視變電所的設(shè)備運(yùn)行和操作狀況、發(fā)熱情況，解決防火、防盜問(wèn)題，并逐漸與操作人員現(xiàn)場(chǎng)操作的遠(yuǎn)方監(jiān)視相結(jié)合，必要時(shí)各監(jiān)控中心的圖像信息數(shù)據(jù)要上局計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，供網(wǎng)絡(luò)用戶察看。

（2）由于變電所之間距離較遠(yuǎn)，通常幾十公里，甚至上百公里，通訊是用光纖、微波或電話線等方式進(jìn)行連接，圖像信號(hào)傳到監(jiān)控中心必須經(jīng)過(guò)壓縮和解壓縮，因此圖像質(zhì)量較之現(xiàn)場(chǎng)的模擬信號(hào)稍有損失，必須選擇好的壓縮和解壓縮的方式以盡量減少圖像的損失。

（3）變電所設(shè)備的圖像監(jiān)視以靜態(tài)物體為主，

動(dòng)態(tài)物體為輔（如操作、防盜等）；監(jiān)視平時(shí)需登高或帶電位置的設(shè)備情況，如滲油、發(fā)熱、冒煙等狀況；電力大樓的各管理、監(jiān)視用戶通過(guò)MIS網(wǎng)的終端進(jìn)行監(jiān)控。

（4）要有撤防和布防功能。當(dāng)變電所有人工作時(shí)，要撤防，以免誤報(bào)警。當(dāng)變電所位于無(wú)人狀態(tài)時(shí)，要布防。

（5）控制功能的主要對(duì)象是云臺(tái)和鏡頭，包括云臺(tái)的左右旋轉(zhuǎn)、上下俯仰、鏡頭聚焦、光圈調(diào)整和變焦變倍功能。對(duì)于多個(gè)云臺(tái)和鏡頭的控制，一般采用諸如89C51，8031等單片機(jī)加以選擇和控制。

2電力系統(tǒng)圖像監(jiān)控的組成

無(wú)人值班變電所的圖像監(jiān)控主要由攝像機(jī)、云臺(tái)、編碼器、解碼器、畫面分割器、視頻監(jiān)視器等部分組成。另外，還需與照明系統(tǒng)和防火、防盜系統(tǒng)相結(jié)合，成為一個(gè)完整的監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1攝像機(jī)（包括云臺(tái)）

攝像機(jī)可分為：黑白、彩色、廣角、調(diào)焦、一體化等多種，適用于不同情況，技術(shù)參數(shù)也各不相同，黑白攝像機(jī)適用于光線不充足地區(qū)及夜間無(wú)法安裝照明設(shè)備的地區(qū)，可選的分辨率通常高于彩色攝像機(jī)。彩色攝像機(jī)可以觀察設(shè)備的紅綠燈等情況。一般在變電所采用彩色攝像機(jī)，經(jīng)費(fèi)緊張或攝像機(jī)數(shù)目較多時(shí)，在電容器室、電纜層等地可采用黑白攝像機(jī)；門廳可采用廣角鏡頭的攝像機(jī)；控制室、開(kāi)關(guān)室宜采用連帶鏡頭、自動(dòng)光圈的攝像機(jī)，對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)后能迅速自動(dòng)調(diào)整，不會(huì)因支架的抖動(dòng)或人工因素造成調(diào)整困難；球型一體化攝像機(jī)是將攝像機(jī)、光學(xué)鏡頭、全方位云臺(tái)、解碼驅(qū)動(dòng)器以及附屬的底座和防護(hù)罩，集成在一個(gè)單元中，可以嵌入天花板、吸頂安裝或支架安裝，適用于室外和主控室墻壁距監(jiān)控屏較遠(yuǎn)的地區(qū)。室外攝像機(jī)還可內(nèi)置自動(dòng)溫感排風(fēng)和自動(dòng)防霜裝置，可進(jìn)行64點(diǎn)全方位預(yù)置，隨時(shí)對(duì)2～3臺(tái)主變油位、中性點(diǎn)閘刀、電容器以及圍墻外場(chǎng)景進(jìn)行監(jiān)視，總體上降低成本。

此外由于壓縮方式對(duì)圖像的限制，如果圖像傳遞后清晰度最高只能做到640×480，則攝像機(jī)的只要選擇480線水平清晰度即可，不必選擇太高清晰度，以免增加造價(jià)。

2.2視頻監(jiān)視器

監(jiān)視器可分多種：工業(yè)監(jiān)視器、電腦屏幕、電視機(jī)、數(shù)十臺(tái)監(jiān)視器組成的電視墻等，可以根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行選擇。一般采用計(jì)算機(jī)作為監(jiān)視器的，易于操作和控制，由于要顯示多畫面圖像，宜采用17英寸以上的屏幕。采用電視機(jī)作為監(jiān)視器，價(jià)格便宜，但圖像線數(shù)較低，對(duì)圖像要求較低的場(chǎng)合比較適用；工業(yè)監(jiān)視器清晰度較好，但控制和調(diào)節(jié)參數(shù)的靈活度不如計(jì)算機(jī)，條件允許的情況下可以采用計(jì)算機(jī)和工業(yè)監(jiān)視器并用的方式。

2.3畫面分割器

使用畫面分割器能同時(shí)顯現(xiàn)前端多個(gè)攝像機(jī)輸出的畫面。它分為固定式的四畫面分割器和4個(gè)以上的多畫面分割器。在監(jiān)控室用計(jì)算機(jī)進(jìn)行監(jiān)視時(shí)，易采用4畫面分割設(shè)備，既使每個(gè)畫面比較清晰，容易觀察，又可以觀看多個(gè)圖像；4個(gè)以上的畫面比較小，且設(shè)備的價(jià)格比較高。

2.4編解碼設(shè)備及相應(yīng)的圖像數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)

遠(yuǎn)程的圖像傳輸涉及到圖像的壓縮和解壓縮，一般編碼器放置在變電所的控制室內(nèi)，將現(xiàn)場(chǎng)的圖像數(shù)據(jù)壓縮為數(shù)字信號(hào)，傳送到監(jiān)控中心，解碼器放置在監(jiān)控中心，解開(kāi)壓縮的數(shù)據(jù)。編碼器和解碼器是互相對(duì)應(yīng)的。有一對(duì)一的配置方式，也有一對(duì)多的配置方式。基于主機(jī)的視頻圖像壓縮技術(shù)有面向硬件的和面向軟件的（如Intel的In－deo）兩大類。面向硬件的是基于DCT變換（離散余弦變換）等，有如下三種不同的算法：

（1）視頻圖像壓縮算法DVI（數(shù)字視頻交互），壓縮后圖像數(shù)據(jù)率為1．5Mbps。

（2）用于綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)（ISDN）通信中的H．261算法。

（3）用于動(dòng)態(tài)圖像壓縮的MPEG標(biāo)準(zhǔn)，目前有MPEG1，MPEG2，MPEG4三種算法。其中MPEG1的圖像質(zhì)量與家用電視系統(tǒng)相近，壓縮后的數(shù)據(jù)率為1Mbps～2Mbps，亮度信號(hào)的分辨率為360×240，色度信號(hào)的分辨率為180×120，每秒30幀。MPEG2算法的原始目標(biāo)是對(duì)每秒30幀的720×572分辨率的視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)傳輸速率為5Mbps～10Mbps。

目前應(yīng)用較多的為H．261，MPEG1和MPEG2三種方式，由于變電所的圖像是靜態(tài)和動(dòng)態(tài)相結(jié)合，以靜態(tài)為主，因此三種方式都適合，當(dāng)然，高倍率的數(shù)據(jù)壓縮是以損失原始數(shù)據(jù)信息量為代價(jià)的，會(huì)影響到傳輸圖像的質(zhì)量。

3圖像監(jiān)控系統(tǒng)方案的比較

3.1監(jiān)控與通訊

（1）監(jiān)控方式

1）由調(diào)度或監(jiān)控中心（在局大樓內(nèi)）統(tǒng)一監(jiān)視、控制，適用于變電所數(shù)量不多，分布較集中的電力局。

2）由若干監(jiān)控中心分別監(jiān)控變電所，再將圖像上傳到局大樓的方式，三級(jí)結(jié)構(gòu)，適用于變電所數(shù)量較多，分布較廣的地區(qū)。

3）監(jiān)控中心與MIS網(wǎng)終端應(yīng)有一定的優(yōu)先級(jí)，一般來(lái)說(shuō)，監(jiān)控中心優(yōu)先控制和操作，MIS終端只能監(jiān)視和切換畫面，兩者不能有沖突．（2）通訊與傳輸方式

圖像視頻信號(hào)的傳輸途徑有多種：一點(diǎn)多址小微波、音頻電纜擴(kuò)頻通訊傳輸、光纖2M數(shù)據(jù)口傳輸、電話電纜傳輸?shù)确绞健膶?shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，光纖傳輸效果最好。用電話線傳輸圖像容易產(chǎn)生斷續(xù)現(xiàn)象，不利于觀察防火、防盜現(xiàn)象，但觀察靜態(tài)事物，尚可應(yīng)用。

圖像監(jiān)控系統(tǒng)的分布與通訊通道的布置有關(guān)，有以下幾種方式：變電所與監(jiān)控中心有直接的通訊連接；變電所與局大樓有直接的光纖連接，監(jiān)控中心再與局大樓有通訊連接，兩種情況考慮的方案應(yīng)有所不同。

信息傳輸通常采用TCP／IP和網(wǎng)絡(luò)組波（Multicast）的技術(shù)，最大限度利用了網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能和網(wǎng)絡(luò)帶寬，避免網(wǎng)絡(luò)的擁塞．

3.2信息壓縮形式

（1）硬件壓縮、軟件解壓的方式

用一個(gè)軟件就能解決所有的解壓縮問(wèn)題，且升級(jí)換代容易，降低了成本，MIS網(wǎng)上的計(jì)算機(jī)只要安裝相應(yīng)的軟件并授權(quán)，就可以成為一臺(tái)功能齊全的監(jiān)控主機(jī)，但穩(wěn)定性較硬件為差，同一監(jiān)控中心的變電所之間兼容性差。

（2）硬件壓縮、硬件解壓的方式

穩(wěn)定性好，若采用一對(duì)多解碼器，成本較低，但兼容性差；若采用一對(duì)一編解碼器，只要總體設(shè)計(jì)原理相同，不受產(chǎn)品限制，但主站的控制軟件也不具備兼容性，且監(jiān)控中心的解碼設(shè)備數(shù)量繁多，若監(jiān)控中心的通訊通過(guò)調(diào)度中心轉(zhuǎn)發(fā)，則電力大樓的硬件設(shè)備也很多，且需要兩套編解碼設(shè)備，上網(wǎng)需要兩次壓縮解壓縮。

3.3控制界面操作

主站軟件在控制云臺(tái)方面的操作有兩種方式：

（1）界面提供專業(yè)控制面板，用鼠標(biāo)點(diǎn)擊相應(yīng)的方向進(jìn)行控制。

（2）直接在圖形界面上引導(dǎo)云臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向，鼠標(biāo)指針向哪個(gè)方向滑動(dòng)云臺(tái)就朝相應(yīng)方向轉(zhuǎn)動(dòng)。

后種方式對(duì)于監(jiān)控人員來(lái)說(shuō)，非常方便，易于操作。

可以在電子地圖上直接用鼠標(biāo)雙擊獲得遠(yuǎn)程終端的圖像和對(duì)應(yīng)攝像機(jī)切換和控制權(quán)。地圖可完全模擬相應(yīng)變電所環(huán)境，方便操作人員尋找攝像機(jī)和快速切換。

3.4發(fā)熱報(bào)警裝置

變電所設(shè)備發(fā)熱也是比較常見(jiàn)的問(wèn)題，時(shí)間一長(zhǎng)，容易造成事故。可以采用兩種方法監(jiān)視無(wú)人值班變電所的發(fā)熱狀況：

（1）用紅外攝像機(jī)進(jìn)行監(jiān)視報(bào)警，成本較高。

（2）用金屬片發(fā)熱變色，攝像機(jī)自動(dòng)巡回檢測(cè)后自動(dòng)報(bào)警，比常規(guī)的紅外測(cè)溫儀要方便很多。金屬片一般裝設(shè)在開(kāi)關(guān)或變壓器的端頭位置。

3.5無(wú)線攝像機(jī)和無(wú)線對(duì)講設(shè)備

采用無(wú)線攝像機(jī)和無(wú)線對(duì)講設(shè)備，當(dāng)變電所有人巡視或操作時(shí)，隨身攜帶以便于遠(yuǎn)方監(jiān)視，防止走錯(cuò)間隔或誤操作。為今后變電所單人操作監(jiān)視的運(yùn)行方式做好技術(shù)準(zhǔn)備。

無(wú)線攝像機(jī)體積小，且通常鏡頭和發(fā)射天線均包含在其中，發(fā)射功率小，傳送距離較近，大多在100m之內(nèi)能接收。因此無(wú)線接收接口必須配置在適當(dāng)?shù)奈恢茫ㄒ话阍谥骺厥遥员ＷC信號(hào)的暢通。

無(wú)線攝像機(jī)可以做成帽式或手提式。由實(shí)踐得知，帽式在頭上運(yùn)行人員走動(dòng)時(shí)經(jīng)常發(fā)生抖動(dòng)，難以迅速聚焦，而手提式結(jié)構(gòu)可視角度大，輕巧便利，比較切合單人操作攝像。

3.6其他設(shè)備

（1）升降車。室外一體化攝像機(jī)由于架設(shè)位置比較高，天長(zhǎng)日久玻璃面罩積灰，攝像質(zhì)量嚴(yán)重下降，定期安排清掃又受到安全距離影響，因此可設(shè)計(jì)為升降機(jī)結(jié)構(gòu)，只在第一次安裝調(diào)試時(shí)需要停電，以后的維護(hù)極為方便。

（2）滑軌。開(kāi)關(guān)室的結(jié)構(gòu)一般成行排列，只設(shè)一個(gè)或少量的攝像頭無(wú)法看清每個(gè)開(kāi)關(guān)柜的狀況，無(wú)法對(duì)運(yùn)行提供依據(jù)。設(shè)多個(gè)攝像機(jī)既增加成本，也存在死角。因此設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)步進(jìn)馬達(dá)式的電動(dòng)滑軌裝置，操作人員在遠(yuǎn)方就能控制攝像機(jī)前后左右移動(dòng)，靈活方便，又降低造價(jià)。

（3）組合電纜。電力系統(tǒng)對(duì)電纜有特殊要求：阻燃、防火、防小動(dòng)物，目前市場(chǎng)上還無(wú)鎧裝的視頻電纜，因此可以設(shè)計(jì)將控制電纜、視頻電纜、電源電纜三合一，制成鎧裝阻燃電纜，既對(duì)高壓電磁場(chǎng)起到良好的屏蔽作用，又方便安裝和施工。

4其他輔助系統(tǒng)的接入

4.1防火、防盜裝置

在沒(méi)有考慮變電所圖像監(jiān)控時(shí)，防火、防盜裝置也是作為無(wú)人值班變電所的必要條件提出的，它結(jié)合綜合自動(dòng)化輸出兩個(gè)綜合信號(hào)，存在的缺陷是經(jīng)常出現(xiàn)誤報(bào)，由于綜合信號(hào)無(wú)法得知什么區(qū)域發(fā)生火警和盜警，工作人員趕到現(xiàn)場(chǎng)，可能為時(shí)已晚。

如果能將防火、防盜結(jié)合圖像監(jiān)控系統(tǒng)，就可以解決上述問(wèn)題。采用警情聯(lián)動(dòng)功能，當(dāng)發(fā)生報(bào)警時(shí)，立即啟動(dòng)攝像機(jī)，可以得知是哪個(gè)區(qū)域發(fā)生報(bào)警，是否誤報(bào)，重要情況還可啟動(dòng)自動(dòng)錄像裝置，為事故分析提供條件。

目前絕大多數(shù)廠家生產(chǎn)的火災(zāi)、防盜報(bào)警控制器不具備報(bào)警規(guī)約的輸出功能，或只有一個(gè)開(kāi)關(guān)量接點(diǎn)輸入，因此防火、防盜設(shè)備與圖像監(jiān)控的結(jié)合需要合作開(kāi)發(fā)，且火災(zāi)報(bào)警控制器要經(jīng)中國(guó)消防產(chǎn)品質(zhì)量認(rèn)證，控制器可采用RS232標(biāo)準(zhǔn)接口與上位機(jī)通訊。

與防火、防盜設(shè)備相連，探測(cè)報(bào)警信號(hào)源有以下幾種：煙感探測(cè)器、熱感紅外線控測(cè)器、微波物體移動(dòng)感知器、開(kāi)關(guān)、玻璃破碎感知器等等。一般無(wú)人值班變電所大多采用前三種探測(cè)器。若經(jīng)濟(jì)條件較好，可采用多種探測(cè)器相結(jié)合的方式。為減少單一探測(cè)原理裝置易產(chǎn)生的誤報(bào)，可以將紅外、微波、超身等探測(cè)方法組合成雙鑒式，即基于兩種原理的復(fù)合式報(bào)警器。

4.2變電所照明系統(tǒng)

圖像監(jiān)控裝置啟動(dòng)變電所照明有兩種方案：

（1）攝像機(jī)上安裝射燈，可以隨著攝像機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，遠(yuǎn)方控制，靈活性高，但亮度范圍有所限制。

（2）啟動(dòng)變電所的照明電源，當(dāng)有警情或遠(yuǎn)方控制時(shí)，可以開(kāi)啟變電所相應(yīng)位置的燈光，亮度范圍廣、效果好。

4.3長(zhǎng)延時(shí)錄像機(jī)

監(jiān)控中心在采用計(jì)算機(jī)監(jiān)控時(shí)，可用計(jì)算機(jī)硬盤錄像，必要時(shí)采用雙硬盤備份，但硬盤錄像時(shí)往往計(jì)算機(jī)運(yùn)行速度就很慢，不能同時(shí)調(diào)用圖像或控制。但很多情況下可以在監(jiān)控中心外接長(zhǎng)延時(shí)錄像機(jī)進(jìn)行錄像。24h的長(zhǎng)延時(shí)錄像機(jī)比較理想，每日只需更換一盤錄像帶。訊協(xié)議對(duì)于子站的技術(shù)、通訊接入以及MIS的聯(lián)網(wǎng)都大有影響，因此一旦主站方案選定后，再采用另一家廠家的產(chǎn)品，很難兼容和接入，對(duì)系統(tǒng)的圖像質(zhì)量也很有影響。如果有多個(gè)監(jiān)控中心，雖然不同主站各自可以采用不同的系統(tǒng)，但是如果要聯(lián)入MIS網(wǎng)，又將會(huì)互相沖突。因此在考慮安裝圖像監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，一定要有一個(gè)總體的方案。一般變電所內(nèi)需要監(jiān)視的位置有：

（1）主變：油位，中性點(diǎn)接地閘刀，端頭的發(fā)熱情況。

（2）開(kāi)關(guān)室：監(jiān)視開(kāi)關(guān)室的人員出入及開(kāi)關(guān)操作的正確性，及面板上的微機(jī)保護(hù)或自動(dòng)化裝置的面板。

（3）門廳：監(jiān)視進(jìn)出的人員。

（4）電容器室：防盜、防火監(jiān)視。

（5）主控室：監(jiān)視設(shè)備、直流系統(tǒng)、自動(dòng)化裝置等設(shè)備的讀數(shù)，計(jì)算機(jī)等設(shè)備的防盜，運(yùn)行人員的現(xiàn)場(chǎng)情況等。

（6）電纜層：防火。

應(yīng)召集各有關(guān)單位的人員進(jìn)行討論，特別是運(yùn)行人員對(duì)攝像頭的布置，通訊人員對(duì)通訊的接入和設(shè)備調(diào)試，計(jì)算機(jī)人員對(duì)于MIS網(wǎng)的接入和設(shè)置，保衛(wèi)人員結(jié)合防火、防盜等都要有一個(gè)綜合的考慮，新建的變電所應(yīng)在投產(chǎn)之前進(jìn)行布線和設(shè)備安裝等需要停電的工作，改造的變電所要結(jié)合檢修一起施工。在施工中應(yīng)注意：

（1）圖像監(jiān)控系統(tǒng)的施工安全問(wèn)題相當(dāng)重要，既要考慮安裝時(shí)的安全間距，又要考慮維護(hù)的方便性。

（2）攝像頭的數(shù)量和位置要預(yù)先定好，停電后統(tǒng)一安裝、布線和調(diào)試。

（3）變電所內(nèi)具有強(qiáng)電場(chǎng)，磁場(chǎng)容易對(duì)圖像數(shù)據(jù)等信號(hào)產(chǎn)生影響，因此對(duì)視頻線應(yīng)采用鋁帶屏蔽，對(duì)控制信號(hào)線包括RS485的傳輸采用良好的接地和隔離保護(hù)措施，以起到抗干擾和過(guò)電壓保護(hù)作用，對(duì)變電所主機(jī)、攝像機(jī)、云臺(tái)、控制器等外殼做好接地保護(hù)。