無人值守變電站視頻監控系統深度解析

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摘要：文中提出了將變電站視頻監控系統與周界報警系統、消防系統和門禁系統通過全面布防、相互聯動進行整合；用寬帶代替2 M光纖大幅度提高傳輸信道的帶寬，解決窄帶寬引發的瓶頸問題；數字信號和視頻信號在傳輸中的抗干擾措施。變電站視頻監控系統經過這些改造，功能將更趨完善，運行更加穩定可靠，才能實現真正意義上的無人值守。
關鍵詞：視頻監控；傳輸信道；抗干擾；無人值守
經過多年的建設，目前，電力系統無人值守變電站普遍存在的問題是：用戶在變電站已實施了部分視頻監控、環監測和綜合報警系統，但大多分步、分批實施，系統各自獨立運行，甚至每套系統都需要獨立的管理人員，很難做到多系統的綜合監控、集中管理，無形中降低了系統的高效性，增加了系統的管理成本。
另外，大多數信號傳輸子系統采用2 M光纖，那么在遠程監控中心，每個變電站每次只能查看一路圖像，無法同時監測變電站所有的畫面。而流媒體服務器可連接1～1 000臺視頻網絡編碼器。并支持1～200個并發用戶，強大的視音頻流轉發功能因為信道的瓶頸而無法發揮作用，一邊又是用戶的實際需求，所以信道的整改，也是我們迫在眉睫的事情。
視頻圖像直接利用同軸電纜的0～6 MHz來傳輸，非常容易受到干擾，使圖像出現網紋、橫紋和噪點，造成視頻圖像質量下降、系統控制失靈、運行不穩定等現象。因此了解干擾對視頻監控系統的影響方式，針對不同情況采取相應的措施來解決干擾問題，對提高視頻監控系統工程質量，確保系統的穩定運行非常有益。
1 無人值守變電站視頻監控系統
無人值守變電站視頻監控系統采用分布式的系統架構，C／S體系結構．基于TCE／IP網絡平臺，H．264壓縮標準的嵌入式網絡編碼器提供視頻服務。圖像視頻信號由視頻網絡編碼器采集壓縮成數字信號，經E1接口傳輸到主站系統。主站系統采用流媒體服務模塊將視頻流通過以太網轉發到請求連接的工作站上，視頻監控模塊將視頻流解壓縮后在工作站上進行播放。按功能劃分為前端信號采集處理子系統、信號傳輸子系統和遠程監控子系統。
2 整合多系統的無人值守方案
根據我局近年來無人值守變電站建設經驗，無人值守變電站應該是以視頻監控為主，以動力環境監測、綜合報警處理和門禁控制信息為鋪。
2．1 視頻監控系統
1)從全局出發，設置足夠的監控點，但力求精簡。監控系統最重要的作用就是能夠準確、真實地反映出現場環境條件，設備運行情況，對重要設備區，重要通道，出入口，周圍邊界，要設置足夠的監控點來實現。但監控點的設置也非多多益善，當少量監控點已經能夠反映出現場情況時，再設置過多的監控點非但沒有必要，反而會增加系統的成本和復雜度，降低可靠性。
2)設置好布防區域和一體化智能球機。視頻監控系統與報警系統實行聯動時，需要設置布防區域，即移動目標偵測點。布防區域過大，攝像機要全面監控顯得有難度；布防區域過小需要安裝過多的攝像機，增加成本和施工難度。室外監控我們一般選取一體化智能球機，它具有體積小、外形美觀、功能強大、安裝方便、使用簡單、維護容易等特點。所謂球機的預置功能是指智能快球能將當前狀態下云臺的水平角度、傾斜角度和攝像機鏡頭焦距等相關參數儲存到存儲器中，需要時可以迅速調用這些參數并將云臺和攝像頭調整至該位置。球機的首方位是在一段時間內無人移動攝像機時自動回歸的位置。防止攝像機因為監控人員的來回移動而偏離監控區域，使硬盤錄像沒有意義。系統應設置球機的首方位或預置點為相應的布防區域，這樣發生報警時，攝像機快速回歸，啟動報警錄像，準確而全面地記錄下全過程，便于我們日后分析。
2．2 周界報警系統
變電站內的周界報警系統一般采用以下設備：紅外對射、高分貝警笛、電子圍欄等，并與圖像監視系統進行智能聯動。
紅外對射應用比較普遍，當有人翻越圍墻，擋住紅外線時，告警接點即閉合報警。例如一段100 m的圍墻，需要設置3對紅外對射，每隔30多米為一個布防區域。在圍墻柵欄上端安裝時，最下一道光束與圍墻、柵欄頂端間距應不大于250mm，安裝在外側時，與圍墻、柵欄外側間距應不大于175 mm，避免盲區。間距過大，人為可以入侵，間距過小，野物行走時會發生頻繁誤報。
變電站配置1～2個高分貝警笛，作用是當防盜裝置告警時，系統聯動高分貝警笛，使得盜賊知道防盜系統已啟動，嚇阻其繼續進行盜竊活動。
紅外對射易受環境和天氣變化影響產生誤動報警，長期使用后，其發出的紅外線會逐漸衰減，也容易引起誤動報警。我局變電站周界報警采用電子圍欄，通過產生低頻高壓脈沖，震懾和防止犯罪分子人站行竊，因電子圍欄產生高壓，人們在翻越圍墻時可能被電擊后跌落，因此必須得到公安部門的許可并通過其驗收，同時在其周圍設置醒目的警告標志，它的設置已收到了良好的效果。
2．3 消防報警系統
在改造的變電站中，一般都已經裝備消防系統，為了有效地利用原消防資源，同時發揮視頻監控系統的長處，一般盡量在重點消防部位裝設攝像頭，通過安全視頻監控系統與消防系統實現串口通信來實時獲得消防系統的告警情況，通過與圖像監控系統的聯動，及時監視和記錄消防告警的情況。
2．4 門禁系統
目前無人值班變電站的操作和運行管理一般都由操作隊或者監控中心負責。運行人員每次去操作或者巡視都要從監控中心或操作隊去取鑰匙，即使遇到緊急情況也需如此。采用安全視頻監控系統以后，借助先進的門禁管理系統，只需一張IC卡便可以解決所有的問題，并可通過權限和時限的配置，設置運行人員及管理人員開門的權限，事后還可以方便地檢索人員到站的情況。與消防系統聯動，發生火災時，出入口大門應能自動打開。
單的視頻監控系統、周界報警系統、消防系統、門禁系統的作用是有限的，只有進行整合，使各系統相互補充、相互配合、實現聯動，才能最大程度地發揮系統的優勢，真正成為安全視頻監控系統。
3 傳輸線路的改造
目前，很多變電站都自己鋪設或租用電信的2 M光纖來傳輸視音頻信號，利用網橋的E1口橋接廣域網與局域網，這樣受帶寬約束，工作站每次只能發起一路圖像的連接請求，用戶需要頻繁地切換，或分割窗口來進行全局監控，效果不甚理想。而流媒體服務模塊可以轉發大量的連接，卻受限于窄帶寬而無法滿足用戶的實際要求。
隨著國家對電網建設的大力投資，已經有變電站實現了寬帶連接。這種情況下，我們的傳輸系統在物理上可以去掉網絡橋接器，從視頻網絡編碼器出來的數字信號直接通過以太網傳輸到主站系統。信道帶寬的大幅度提高，緩解了之前的瓶頸狀態，用戶可以同時查看所有變電站所有攝像機的圖像，真正實現了全局監控。
4 變電站視頻監控系統抗干擾方法
一般來說干擾主要通過視頻同軸電纜和傳輸控制信號的雙絞線耦合進系統。主要干擾源有：高頻噪聲干擾，比如大電感負載啟停；各點接地電位不等引入的工頻干擾，特別在變電站工頻干擾較嚴重；平衡傳輸線路失衡使抑噪能力下降將工頻干擾轉成了差模干擾；傳輸線上阻抗不匹配造成信號的反射使信號傳輸質量下降；靜電放電沿傳輸線進入設備造成接口芯片損傷或損壞。
4．1 數字信號傳輸中的抗干擾措施
變電站視頻監控系統的數字信號傳輸通常通過工業標準的通信網絡進行傳輸，比如RS232、RS845、RS422。在這里重點討論RS485數字通信抗干擾方法。
RS485總線是采用差分平衡電氣接口，具有較強的抗電磁干擾能力，但在實際工程中RS485總線并未達到人們期望的效果。問題往往出現在以下幾個方面：
1)網絡拓撲不合理，未按照總線型網絡拓撲布線，而成為了星型拓撲結構；
2)傳輸線與接收和發送端設備連接不正確，削弱了平衡線的抗干擾能力；
3)公用雙絞線未進一步采取抗干擾措施，比如采用屏蔽雙絞線；
4)雙絞線線經太細，傳輸距離太遠，導致阻抗太大，造成壓降。
4．2 視頻信號的抗干擾
視頻信號的干擾在圖像上表現為雪花點和50 Hz橫紋滾動。
對于雪花點干擾是由于傳輸線上信號衰減以及耦合了高頻干擾所致，這種干擾比較容易消除，在攝像機與控制矩陣之間合理位置增加一個視頻放大器，將視頻信號的信噪比提高，或者改變視頻電纜的路徑避開高頻干擾源，高頻干擾的問題可基本上得到解決。
較難解決的是50 Hz橫紋滾動及進一步加入的高頻干擾的情況。對于50 Hz的橫紋滾動根據電磁學理論知道視頻電纜的屏蔽層可完全消除50 Hz工頻干擾，只需要購買屏蔽效果好的視頻電纜。對于圖像的高頻干擾，因它的頻帶仍在8 MHz內，采用空隙率為50％左右的屏蔽網可基本消防高頻干擾，但要達到50％的空隙率，屏蔽網根數需每個波長長度有60根以上，這樣高的密度又會使電纜的柔韌性下降，比較好的方法是采用帶有雙層屏蔽的視頻電纜。這樣會增加系統成本，我們在無人值守變電站監控系統的建設中采用視頻雙絞線傳輸方式，很好地解決了這一難題。
5 結束語
經過信道整改、抗干擾處理及多系統融合的無人值守變電站監控系統，解決了無人值守變電站自動化“四遙”以外新的需求——遙視需求，使變電站自動化水平又上了一個新的臺階。經過幾年來的系統運行，遠程圖像監控系統運行穩定、可靠、信息準確，圖像監控系統的遠方巡視、遠方核查、安防報警和多媒體交互等功能，提高了變電站的防事故、防誤操作、防盜、防火能力，使值班人員和相關領導能及時準確地了解無人值守變電站的現場情況，對操作情況進行全過程的監視和核對，對重點區域進行全方位的防盜防火預警，為工作人員提供了一種很好的輔助工具，從而大大降低了無人值班變電所的日常巡視、檢修等費用，產生了良好的經濟效益。