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工业电视监控系统在无人值守变电站的应用
关焯荣　黄凯荣

摘　要：介绍了适合无人值守变电站使用的工业电视监控系统前端硬件的配置和选择、组网形式和功能特点，并提供了一种在有限带宽下提高图象质量的方法。
关键词：变电站；工业电视；监控系统；图象质量

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　　近年来，随着无人值守变电站数量的日益增加，用于监控无人值守变电站的SCADA系统也逐渐显示出它的不足之处。SCADA系统虽然能够反映变电站的运行工况，然而在变电站一二次设备的设备外观监视和变电站的防火、防盗方面却是无能为力。这些薄弱环节将直接影响到无人值守变电站的安全运行。工业电视监控系统，作为一种重要的现代化监测、控制、管理手段，正好为解决这些问题提供了一个有效的方案。

1　工业电视监控系统所需实现的功能

　　在无人值守变电站安装工业电视监控系统，其目的是为了弥补 SCADA系统在监控方面的一些盲点，进一步提高变电站的安全运行水平。
1.1　设备的监视
　　主要包括主变压器、断路器、电压互感器、电流互感器、高压室开关、主控室的电源盘及控制盘盘面等。通过在监视对象处安装摄像机、感应探头等装置，实现对一二次设备及其运行情况的监视，如：主变压器、开关是否有外部损伤，主变压器油位及控制盘上的表头、灯光信号是否正常等。
1.2　防火防盗
　　变电站撤人后，万一变电站发生火警，往往因为不能及时发现而延误了事故的处理，造成事故进一步扩大。此外，变电站有盗贼闯入时，也缺乏有效的防御手段。为此，可在高压室和主控室等地点装设一批烟感或温感探头，并在围墙四周安装对射式红外线探头。当探头感测到烟雾、高温或有人闯入时，就会向后台发出告警信息，同时连动切换摄像机画面，并记录下当时现场的情况。
1.3　灯光及智能化设备的控制
　　为使工业电视监控系统在晚上仍能发挥作用，变电站的灯光应具有定时开关或远方控制的功能；而一些智能化的设备，如探头、门禁等也可做到远方控制。

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3　组网形式

3.1　通道的选择
　　图象的传输可以通过电话线、ISDN网、专线电缆、光纤等，不同通道所传送的图象质量及帧数会有很大的差别，如用普通电话网传送分辨率为 352×288象素的图象每秒只能送1～2帧，ISDN 网有10帧，光纤的E1通道可达 25～30帧，若采用宽带的数字微波及卫星传送，其图象质量更可上到电视广播级的水平。针对目前很多电力局都已架设起自己的光纤网络，采用光纤的E1通道传送图象可以说是最佳选择，因为E1通道传送图象的速度和质量已基本满足监控的要求，也不会占用太多光纤资源，利用光纤的环网更可为图象传送提供冗余通道。目前针对光纤E1通道发展起来的视频编解码器种类繁多、技术成熟，并且价格并不昂贵。建议只有在不具备光纤网络的情况下，才退一步考虑采用电话网或ISDN 网。

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2.2　云台解码器及视频切换控制装置的选择
　　视频切换控制装置和云台解码器之间的通信要符合一定规约和协议，为避免冲突，建议选用同一厂家的成套产品。云台解码器的作用是把从视频切换控制装置送过来的控制信号解码，通过它内部的继电器接点控制云台的转动、镜头的对变焦、灯光开关和一些智能化设备运行。对云台解码器的选型要考虑以下几方面的因素：a)是室内型还是室外型；b)是否需要预置位功能，对有预置位功能的云台必须有带预置位功能的解码器配合；c)控制的是变速云台还是恒速云台；d)是否有提供足够的接点对辅助设备进行控制。
　　视频切换控制装置的主要作用是利用切换矩阵控制视频的输出，其切换方式有三种：自动切换、人工切换和报警切换。自动切换就是使画面定时自动轮换；人工切换就是人工选择显示任一画面；报警切换就是有报警信号时信号触发视频切换控制装置进行画面切换。除切换功能外，视频切换控制装置还具备以下辅助功能，如在画面上加字幕，通过键盘或面板控制云台的转动和镜头的对变焦，报警的编码和防区设置，一些较为先进的视频切换控制装置可提供外部计算机编程接口。
2.3　一些附加设备的选择
　　附加设备如温感、烟感、红外探头、灯光控制器等种类繁多，一般来说它们是配合摄像机一起工作的，具体可按照所需功能和安装地点来选择。

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2　前端硬件配置与选择

　　工业电视监控系统在变电站端的硬件主要包括：摄像机、镜头、云台、云台解码器、视频控制切换装置、视频编解码器及一些附加设备(图1)。

图1　站端设备

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2.1　摄像机、镜头及云台的选择
　　对大部分变电站来说，需要安装摄像机的地点主要是高压室、场地和主控室。高压室的设备相对集中，占地范围不会很大，而且一般有封闭式的柜壳，通常只能从总体上观察，可以选择不用云台，带标准镜头或广角镜头的摄像机。场地范围较大，对一些重要设备(如主变压器)，可选1～2台不带云台的固定摄像机作专门监视；另外再选用1～2台带万向全方位云台及镜头可变焦的摄像机对场地的其他设备进行监视。为配合围墙上对射式红外探头的防区设置，建议场地摄像机所选用的云台和镜头是可以进行预置位的。这样，当某防区有报警时，摄像机镜头则可自动对准该防区，进而能够第一时间捕捉到现场的情况。主控室的情况和高压室类似，不同之处是主控室有较多的仪表和灯光信号，若有需要对控制屏屏面的灯光信号和仪表读数进行监察，可选用带云台且镜头自动对焦的摄像机，这样可以避免远方人工调整时因为响应时延而造成的对焦困难。
　　摄像机的选择，除考虑上述因素外，还应根据摄像机的使用环境来确定。如背景光线较强，就应选择有自动白平衡及逆光补偿功能的；环境光线较暗，就应选光照灵敏度较高的。对于其他一些可提高摄像效果的先进功能，可以适当采用，但图象质量还受到编解码技术和通道带宽的影响，因此提高摄像机摄像质量对提高远端图象质量的效果可能并不明显，所以在选择摄像机时，还应结合通道情况，从整体的性能价格比考虑。

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4　后台系统

　　后台系统一方面对各变电站上送的图象信息和告警信息进行显示和处理，另一面还要提供接口，以满足不同部门对数据查询、图象回放的需要，例如与办公网络的数据共享等。
4.1　后台系统网络结构
　　后台系统的结构如图2所示。

图2　后台计算机网络结构

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4.2　后台软件功能
　　根据无人值守变电站的运行需要，一般而言，工业电视监控系统的后台软件应具备以下功能：
　　a)画面监视和画面切换功能。根据用户的需要，对不同变电站的不同监视点进行实时监视和切换。
　　b)控制操作。即对各变电站监视点摄像设备的光圈、焦距以及云台进行控制。此外，一些辅助控制操作也是必须的，包括变电站灯光的开停，告警装置的投入与解除等。
　　c)多媒体防区布置图。采用多媒体地图分层显示变电站内各监视现场摄像设备的布点情况，以及盗警、火警等感应装置的设防区域。为运行人员提供直观而具体的变电站监视现场的情况。
　　d)事件告警功能。当变电站现场有异常情况发生时(如出现盗警、火警或小动物入侵防区等情况)，后台系统能迅速告警。
　　e)画面记录、回放功能。当变电站发生异常告警时，监控系统可自动记录下事发时告警点的现场情况。目前而言，对实时画面的记录可选择采用以下方式，即录像或计算机磁盘录像。
　　f)事件查询功能。可分类检索各变电站，各监视点的告警记录，结合画面记录、回放功能，可对异常告警时的现场情景进行回放。
　　g) 网络接口。系统可通过路由设备实现与办公网络的数据共享，为办公网用户提供图象监视，事件检索，录像回放等功能。

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3.2　视频编解码器的选择
　　总的来说，视频编解码器的作用就是在一端把视频信号编制成适合某种通道传送的信号格式，再在另一端把信号还原为视频信号。目前用ISDN 网或E1通道传送图象的视频编解码器普遍是采用 H.320 建议，提供 H.261 视频压缩标准的 FCIF 图象，图象分辩率为352×288象素，而在降低图象帧数的情况下，可以进一步提高图象的分辨率。视频编解码器是整个系统的关键部分，在选择视频编解码器时应注意几个方面：a)有双向图象传送功能的视频编解码器主要是应用于视频会议，价格相对较高，对无人值守变电站来说有采用具单向图象传送功能的视频编解码器就足够了；b)应采用完全脱离计算机操作环境、加电即可工作、故障可自恢复的视频编解码器，这样可提高整机的稳定性和可靠性；c)视频编解码器是否支援其他的接口功能，例如音频接口、数据接口、报警触点接口及一些编程接口等，以便使日后的应用更灵活；d)视频编解码器是否支持透明数据传输方式，这个功能可避免协议上的冲突。
3.3　拓扑结构
　　工业电视监控系统从站端到后台的组网方式目前一般是采用星型结构或点对点的结构。其中点对点结构方式灵活，可同时传送多个图象至后台，缺点是购买设备花费较多且要占用较大的地方；星型结构的组网方式是利用一个多点切换装置(MCU)在每站的数据通道间进行切换，每次只能还原一路视频信号。这种方式优点是可减少投资和节省空间，缺点是一旦MCU 或后台的视频编解码器出现故障，将会造成系统瘫痪。具体选择哪种组网方式，要从投资、空间大小及可靠性等几方面综合考虑。

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5　关于图象质量

　　目前通用的做法是利用专用集成芯片对数字化的图象信号进行压缩，即将图象信号由模拟信号转换为数字信号并进行压缩处理后再行传输。6MHz 频率的模拟信号数字化后约为 108 Mbit/s，然后，经过数字信号的压缩处理，再去掉一些与视觉相关性不大的信息，压缩为 2 Mbit/s码率的信号，或可进一步压缩到 384 Kbit/s，256 Kbit/s，128 Kbit/s码率的信号，这样图象信号即可在E1通道中传输。这样处理后，图象一般只能达到 CIF 分辨率，即 352×288象素。在此情况下，为了能够提高后台图象的质量，可采用小波理论对视频图象进行处理。原始数字图象经小波变换后再进行传输，图象质量将明显提高。

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