電力系統圖像監控技術的開發和應用

　　圖像監控系統在工業、郵電、銀行等部門應用較多，在電力系統的應用尚處于初期和推廣階段。該系統將現場攝像機攝得的圖像通過一定的通訊通道傳到監視中心，即可以清晰地看到現場的實際情況。圖像監控在電力系統中有以下功能和特點：

　　（1）適用于無人值班變電所，監視變電所的設備運行和操作狀況、發熱情況，解決防火、防盜問題，并逐漸與操作人員現場操作的遠方監視相結合，必要時各監控中心的圖像信息數據要上局計算機網絡，供網絡用戶察看。

　　（2）由于變電所之間距離較遠，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行連接，圖像信號傳到監控中心必須經過壓縮和解壓縮，因此圖像質量較之現場的模擬信號稍有損失，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）變電所設備的圖像監視以靜態物體為主，動態物體為輔（如操作、防盜等）；監視平時需登高或帶電位置的設備情況，如滲油、發熱、冒煙等狀況；電力大樓的各管理、監視用戶通過MIS網的終端進行監控。

　　（4）要有撤防和布防功能。當變電所有人工作時，要撤防，以免誤報警。當變電所位于無人狀態時，要布防。

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

2 電力系統圖像監控的組成

　　無人值班變電所的圖像監控主要由攝像機、云臺、編碼器、解碼器、畫面分割器、視頻監視器等部分組成。另外，還需與照明系統和防火、防盜系統相結合，成為一個完整的監控系統。

2.1 攝像機（包括云臺）

　　攝像機可分為：黑白、彩色、廣角、調焦、一體化等多種，適用于不同情況，技術參數也各不相同，黑白攝像機適用于光線不充足地區及夜間無法安裝照明設備的地區，可選的分辨率通常高于彩色攝像機。彩色攝像機可以觀察設備的紅綠燈等情況。一般在變電所采用彩色攝像機，經費緊張或攝像機數目較多時，在電容器室、電纜層等地可采用黑白攝像機；門廳可采用廣角鏡頭的攝像機；控制室、開關室宜采用連帶鏡頭、自動光圈的攝像機，對準目標后能迅速自動調整，不會因支架的抖動或人工因素造成調整困難；球型一體化攝像機是將攝像機、光學鏡頭、全方位云臺、解碼驅動器以及附屬的底座和防護罩，集成在一個單元中，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控屏較遠的地區。室外攝像機還可內置自動溫感排風和自動防霜裝置，可進行64點全方位預置，隨時對2～3臺主變油位、中性點閘刀、電容器以及圍墻外場景進行監視，總體上降低成本。

　　此外由于壓縮方式對圖像的限制，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。

2.2 視頻監視器

　　監視器可分多種：工業監視器、電腦屏幕、電視機、數十臺監視器組成的電視墻等，可以根據實際需求進行選擇。一般采用計算機作為監視器的，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。采用電視機作為監視器，價格便宜，但圖像線數較低，對圖像要求較低的場合比較適用；工業監視器清晰度較好，但控制和調節參數的靈活度不如計算機，條件允許的情況下可以采用計算機和工業監視器并用的方式。

2.3 畫面分割器

　　使用畫面分割器能同時顯現前端多個攝像機輸出的畫面。它分為固定式的四畫面分割器和4個以上的多畫面分割器。在監控室用計算機進行監視時，易采用4畫面分割設備，既使每個畫面比較清晰，容易觀察，又可以觀看多個圖像；4個以上的畫面比較小，且設備的價格比較高。

2.4 編解碼設備及相應的圖像數據壓縮技術

　　 遠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，將現場的圖像數據壓縮為數字信號，傳送到監控中心，解碼器放置在監控中心，解開壓縮的數據。編碼器和解碼器是互相對應的。有一對一的配置方式，也有一對多的配置方式。基于主機的視頻圖像壓縮技術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（數字視頻交互），壓縮后圖像數據率為1．5 Mbps。

　　（2）用于綜合業務數字網（ISDN）通信中的H．261算法。

　　（3）用于動態圖像壓縮的MPEG標準，目前有MPEG1，MPEG2，MPEG4三種算法。其中MPEG1的圖像質量與家用電視系統相近，壓縮后的數據率為1 Mbps～2 Mbps，亮度信號的分辨率為360×240，色度信號的分辨率為180×120，每秒30幀。MPEG2算法的原始目標是對每秒30幀的720×572分辨率的視頻信號進行壓縮，壓縮后的數據傳輸速率為5 Mbps～10 Mbps。

　　目前應用較多的為H．261，MPEG1和MPEG2三種方式，由于變電所的圖像是靜態和動態相結合，以靜態為主，因此三種方式都適合，當然，高倍率的數據壓縮是以損失原始數據信息量為代價的，會影響到傳輸圖像的質量。

3 圖像監控系統方案的比較

3.1 監控與通訊

　　（1）監控方式

　　1）由調度或監控中心（在局大樓內）統一監視、控制，適用于變電所數量不多，分布較集中的電力局 。

　　2）由若干監控中心分別監控變電所，再將圖像上傳到局大樓的方式，三級結構，適用于變電所數量較多，分布較廣的地區。

　　3）監控中心與MIS網終端應有一定的優先級，一般來說，監控中心優先控制和操作，MIS終端只能監視和切換畫面，兩者不能有沖突．

　　（2）通訊與傳輸方式

　　圖像視頻信號的傳輸途徑有多種：一點多址小微波、音頻電纜擴頻通訊傳輸、光纖2 M數據口傳輸、電話電纜傳輸等方式。從實際應用效果來看，光纖傳輸效果最好。用電話線傳輸圖像容易產生斷續現象，不利于觀察防火、防盜現象，但觀察靜態事物，尚可應用。

　　圖像監控系統的分布與通訊通道的布置有關，有以下幾種方式：變電所與監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，監控中心再與局大樓有通訊連接，兩種情況考慮的方案應有所不同。

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

3.2 信息壓縮形式

　　（1）硬件壓縮、軟件解壓的方式

　　用一個軟件就能解決所有的解壓縮問題，且升級換代容易，降低了成本，MIS網上的計算機只要安裝相應的軟件并授權，就可以成為一臺功能齊全的監控主機，但穩定性較硬件為差，同一監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

　　穩定性好，若采用一對多解碼器，成本較低，但兼容性差；若采用一對一編解碼器，只要總體設計原理相同，不受產品限制，但主站的控制軟件也不具備兼容性，且監控中心的解碼設備數量繁多，若監控中心的通訊通過調度中心轉發，則電力大樓的硬件設備也很多，且需要兩套編解碼設備，上網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方面的操作有兩種方式：

　　（1）界面提供專業控制面板，用鼠標點擊相應的方向進行控制。

　　（2）直接在圖形界面上引導云臺的轉動方向，鼠標指針向哪個方向滑動云臺就朝相應方向轉動。

　　后種方式對于監控人員來說，非常方便，易于操作。

　　可以在電子地圖上直接用鼠標雙擊獲得遠程終端的圖像和對應攝像機切換和控制權。地圖可完全模擬相應變電所環境，方便操作人員尋找攝像機和快速切換。

3.4 發熱報警裝置

　　變電所設備發熱也是比較常見的問題，時間一長，容易造成事故。可以采用兩種方法監視無人值班變電所的發熱狀況：

　　（1）用紅外攝像機進行監視報警，成本較高。 　
　
　　（2）用金屬片發熱變色，攝像機自動巡回檢測后自動報警，比常規的紅外測溫儀要方便很多。金屬片一般裝設在開關或變壓器的端頭位置。

3.5 無線攝像機和無線對講設備

　　采用無線攝像機和無線對講設備，當變電所有人巡視或操作時，隨身攜帶以便于遠方監視，防止走錯間隔或誤操作。為今后變電所單人操作監視的運行方式做好技術準備。

　　無線攝像機體積小，且通常鏡頭和發射天線均包含在其中，發射功率小，傳送距離較近，大多在100 m之內能接收。因此無線接收接口必須配置在適當的位置（一般在主控室），以保證信號的暢通。

　　無線攝像機可以做成帽式或手提式。由實踐得知，帽式在頭上運行人員走動時經常發生抖動，難以迅速聚焦，而手提式結構可視角度大，輕巧便利，比較切合單人操作攝像。

3.6 其他設備

　　（1）升降車。室外一體化攝像機由于架設位置比較高，天長日久玻璃面罩積灰，攝像質量嚴重下降，定期安排清掃又受到安全距離影響，因此可設計為升降機結構，只在第一次安裝調試時需要停電，以后的維護極為方便。

　　（2）滑軌。開關室的結構一般成行排列，只設一個或少量的攝像頭無法看清每個開關柜的狀況，無法對運行提供依據。設多個攝像機既增加成本，也存在死角。因此設計和開發步進馬達式的電動滑軌裝置，操作人員在遠方就能控制攝像機前后左右移動，靈活方便，又降低造價。 　　

　　（3）組合電纜。電力系統對電纜有特殊要求：阻燃、防火、防小動物，目前市場上還無鎧裝的視頻電纜，因此可以設計將控制電纜、視頻電纜、電源電纜三合一，制成鎧裝阻燃電纜，既對高壓電磁場起到良好的屏蔽作用，又方便安裝和施工。

4 其他輔助系統的接入

4.1 防火、防盜裝置

　　在沒有考慮變電所圖像監控時，防火、防盜裝置也是作為無人值班變電所的必要條件提出的，它結合綜合自動化輸出兩個綜合信號，存在的缺陷是經常出現誤報，由于綜合信號無法得知什么區域發生火警和盜警 ，工作人員趕到現場，可能為時已晚。

　　如果能將防火、防盜結合圖像監控系統，就可以解決上述問題。采用警情聯動功能，當發生報警時，立即啟動攝像機，可以得知是哪個區域發生報警，是否誤報，重要情況還可啟動自動錄像裝置，為事故分析提供條件。

　　目前絕大多數廠家生產的火災、防盜報警控制器不具備報警規約的輸出功能，或只有一個開關量接點輸入，因此防火、防盜設備與圖像監控的結合需要合作開發，且火災報警控制器要經中國消防產品質量認證，控制器可采用RS232標準接口與上位機通訊。

　　與防火、防盜設備相連，探測報警信號源有以下幾種：煙感探測器、熱感紅外線控測器、微波物體移動感知器、開關、玻璃破碎感知器等等。一般無人值班變電所大多采用前三種探測器。若經濟條件較好，可采用多種探測器相結合的方式。為減少單一探測原理裝置易產生的誤報，可以將紅外、微波、超身等探測方法組合成雙鑒式，即基于兩種原理的復合式報警器。

4.2 變電所照明系統

　　圖像監控裝置啟動變電所照明有兩種方案：

　　（1）攝像機上安裝射燈，可以隨著攝像機的轉動而轉動，遠方控制，靈活性高，但亮度范圍有所限制。

　　（2）啟動變電所的照明電源，當有警情或遠方控制時，可以開啟變電所相應位置的燈光，亮度范圍廣、效果好。

4.3 長延時錄像機

　　監控中心在采用計算機監控時，可用計算機硬盤錄像，必要時采用雙硬盤備份，但硬盤錄像時往往計算機運行速度就很慢，不能同時調用圖像或控制。但很多情況下可以在監控中心外接長延時錄像機進行錄像 。24 h的長延時錄像機比較理想，每日只需更換一盤錄像帶。 訊協議對于子站的技術、通訊接入以及MIS的聯網都大有影響，因此一旦主站方案選定后，再采用另一家廠家的產品，很難兼容和接入，對系統的圖像質量也很有影響。如果有多個監控中心，雖然不同主站各自可以采用不同的系統，但是如果要聯入MIS網，又將會互相沖突。因此在考慮安裝圖像監控系統時，一定要有一個總體的方案。一般變電所內需要監視的位置有：

　　（1）主變：油位，中性點接地閘刀，端頭的發熱情況。

　　（2）開關室：監視開關室的人員出入及開關操作的正確性，及面板上的微機保護或自動化裝置的面板。 來源:輸配電設備網

　　（3）門廳：監視進出的人員。

　　（4）電容器室：防盜、防火監視。

　　（5）主控室：監視設備、直流系統、自動化裝置等設備的讀數，計算機等設備的防盜，運行人員的現場情況等。

　　（6）電纜層：防火。

　　應召集各有關單位的人員進行討論，特別是運行人員對攝像頭的布置，通訊人員對通訊的接入和設備調試，計算機人員對于MIS網的接入和設置，保衛人員結合防火、防盜等都要有一個綜合的考慮，新建的變電所應在投產之前進行布線和設備安裝等需要停電的工作，改造的變電所要結合檢修一起施工。在施工中應注意：

　　（1）圖像監控系統的施工安全問題相當重要，既要考慮安裝時的安全間距，又要考慮維護的方便性。

　　（2）攝像頭的數量和位置要預先定好，停電后統一安裝、布線和調試。

　　（3）變電所內具有強電場，磁場容易對圖像數據等信號產生影響，因此對視頻線應采用鋁帶屏蔽，對控制信號線包括RS485的傳輸采用良好的接地和隔離保護措施，以起到抗干擾和過電壓保護作用，對變電所主機、攝像機、云臺、控制器等外殼做好接地保護。