面向电网远程监控技术的研究

刘书强，程良伦

(广东工业大学自动化学院，广东广州 510006)

随着社会经济与科学技术的发展与进步，人们对电力的需求、供电可靠性的要求越来越强。但是，电力系统本身和外部干扰的影响会使得电网事故频发，这不但使电力企业的经济效益受损，而且也对电力用户甚至是整个社会造成严重的影响［1-2］。2008年年初，我国南方遭受了百年不遇的冰冻灾害，部分变电站设备和输电线路遭到冰雪的侵袭，损失惨重［3］，同时，也给广大人民群众带来不便。造成长时间大范围的停电事故主要是对电力运行状态没有足够的监控，无法及时掌握故障的发生地点以及周围情况。

高压输变电线路通常都处于地形复杂、偏僻，人烟稀少的地方，巡线人员进行看管不仅成本增加，也不利于维护人员的人身安全，更不能及时了解线路周围的环境，所以不仅要关注电压、电流等数据，判断故障的发生地点，也要及时了解线路周围环境的情况，通过视频监控系统，在恶劣天气下代替人工巡线，提高电网的工作效率及安全监护水平［4］。比如监控高树成长对输变电线路的影响，以及输变电设施周围的危险，还有就是在遭遇极端天气时，替代人工巡线［5］。

监控技术从本地模拟视频监控、基于PC的视频监控发展到基于嵌入式的网络数字视频监控，网络化的视频监控系统集图像压缩技术、视频技术和网络传输于一体，代表了当前最先进的视频监控技术［6］，第三代网络视频监控正向高清化、智能化、移动化、标准化和平台化发展［7］。

为了提高供电可靠性，提高生产效率，对电力设备及线路实现监控，本文结合视频监控技术与智能电网的需求，设计一套适用于电网维护的视频监控系统，能够对各电力设备、线路周围的状况进行图像显示，并及时对发生的情况做出反应。

1 面向电网的视频监控系统结构

电网输电线路远程视频监控系统是利用云台摄像头采集电网周围环境(包括线路及周围自然环境)的图像，并利用编码器进行视频压缩，然后通过电力光纤、电力载波线、GPRS无线网络或3G网络进行传输，达到上层监控中心，进行视频解压，并可以进行云台控制，全面多角度显示当前输电线路周围环境的情况，以便工作人员采取相应措施应对突发事故。

电网输电线路自然灾害视频监控系统的整体架构图如图1所示。

1)图像采集层

感知层是整个监控系统最底层部分，主要采集电网输电线路周围环境的图像参数，例如采集线路上的冰雪覆盖情况，周围高树是否触碰输电线路，线路是否中断，绝缘子是否损坏掉落，塔架是否倾斜等信息，然后对视频图像进行压缩编码，在传输时减少网络带宽需求。

图1 输电线路自然灾害视频监控系统的整体架构图

2)网络层

网络层是整个监控系统的中间环节，主要是将由图像采集层获取的数据传递到上层的监控中心，同时也将监控中心的命令传递到监控终端。在这个过程中，通过网络将图像层采集数据进行传递，首先建立网络连接，然后将压缩图像进行顺利传输。当传递监控中心的命令时，过程相似。由于进行远距离传输，所以采用不同的网络，可选择接入电力专用光纤网、电力线载波通信网，以及有线宽带、GPRS/CDMA等网络。

3)监控中心

监控中心是整个监控系统的最终环节，主要对网络层传递过来的数据进行分析处理，将视频图像进行解码处理，显示当前的电网环境状况，并建立数据库，供工作人员查询。同时还可以对摄像头进行云台和调焦控制，全面显示输电线路及杆塔的周围情况的拍摄图像，供工作人员做出合理的防治措施。

2 视频监控终端硬件设计

电网远程监控终端的硬件结构图见图2。

嵌入式远程监控终端采用内核为ARM1176JZF-S的三星S3C6410主控芯片，该芯片功耗低，性能稳定，可扩展的功能模块较多。

存储器包括128 Mbyte DDR SDRAM以及256 Mbyte NAND Flash。NAND Flash存储器写入和擦除的速度很快，主要存储的是嵌入式监控终端的启动代码、根文件等初始化程序，SDRAM主要存储Linux操作系统及相关的应用程序。

仿真器接口使计算机能够访问系统内的各个部件，通过该接口可对系统进行编程、仿真。

图2 监测终端的硬件结构图

云台解码器用来将监控中心的控制命令进行解码。云台控制主要包括云台的上、下、左、右转动，以及云台转动的速度设置。镜头控制包括调焦、光圈控制，完成光圈、焦距的调节。

视频采集卡是对摄像机采集到的视频图像信息进行数模转换，将模拟视频转化成数字视频，然后传递给缓冲区，等待视频编码器进行视频压缩编码处理。

视频不进行压缩，数据量是非常大的。比如，一张分辨率为500×300的图片，每个像素有亮度和色度两个参数，都用8 bit表示，则每张图片占用300 kbit空间，按每秒24帧计算，则需要56 Mbit/s的带宽，这对于无线传输来说，数据量太大，必须进行视频压缩编码，以减少网络流量。目前较为常见的视频压缩算法有MPEG-4，H.264等，可以根据需要来压缩分辨率。

此外还使用通信单元，将ARM芯片处理的数据利用通信模块发送出去。通信模块采用的是一款带有内嵌TCP/IP协议栈的GPRS模块，可以缩短GPRS产品的研发周期。

1)图像采集功能。视频采集是利用摄像头采集杆塔附近导线、绝缘子、塔架等的图片信息，经视频编码器压缩图像信息后，等待网络发送。

2)通信功能。监测终端通过GPRS通信模块与监控中心建立通信连接，将压缩后的视频进行传递，到达服务器，并能够将监控中心的远程控制命令传递到终端。

3 无线通信传输

无线通信是连接视频监控终端和监控中心的纽带，是相互之间进行通信的桥梁，可以将监控终端的视频信息传递给监控中心，也可以将监控中心的命令传递给监控终端。

GPRS无线通信涉及到TCP/IP通信协议和PPP点对点协议。GPRS无线通信模块通过串口与主控芯片相连，当准备进行数据通信时，主控芯片ARM上的Linux系统将通过PPP点对点协议进行拨号上网，当连接成功后，运营商会给该模块分配一个动态的IP地址，可以接入网络。但是当此连接中断后再次连接，模块的IP地址可能会发生变化。所以可开通专用APN和专用SIM卡，然后进行绑定，以保证每次连接后，模块的IP地址保持不变。

当采用公网APN时，采用动态IP的GPRS模块主动向公网内静态IP地址发起TCP连接，如果该静态IP地址的计算机侦听到连接信息，则可以连接;但如果静态IP地址的计算机向动态IP发起连接，则必须要通过代理设备转发，否则连接不成功。

连接的建立有主动连接和被动连接两种情况，一般情况下是由客户机发起连接，而服务器接受连接，连接过程如图3所示。

图3 GPRS连接过程图

连接顺序如下:

1)设置通信波特率可以使用“AT+IPR=9 600”命令，把波特率设为9 600 baud/s或者其他波特率。

2)信号质量测试使用“AT+CSQ”命令检测信号质量，确定是否可以登录网络。返回+CSQ:31，0 OK(其中31表示信号强度，31时信号最强;0表示有SIM卡，99表示没有SIM卡;OK表示现在可以连接网络)。

3)接入网关通过 AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”命令，设置GPRS接入网关为移动网络。“CGDCONT=1”:定义PDP(分组数据协议类型)上下文，用于规定分组数据协议类型的字符串参数;“IP”表示使用因特网协议，“CMNET”表示使用网关的名字。返回值为“OK”，说明接入网关，否则返回“ERROR”。

4)激活网络使用命令“AT+CGACT=1，1”激活网络，返回值为“OK”，说明激活成功，否则返回“ERROR”。

5)网络使用以下命令进行登录:

(1)AT∧SICS=0，conType，GPRS0//，连接平台 0，连接的方式是GPRS;

(2)AT∧SICS=0，passwd，gprs//，连接平台0，设置用户密码;

(3)AT∧SICS=0，user，cm//，连接平台 0，设置用户名;

(4)AT∧SICS=0，apn，cmnet//，连接平台 0，设置APN服务商(cmnet为中国移动提供);

(5)AT∧SISS=1，srvType，socket//，第 1 个服务平台，服务的类型为socket;

(6)AT∧SISS=1，conId，0//，第 1 个服务平台，使用的是连接平台0;

(7)AT∧SISS=1，address，"socktcp://221.123.2.1:2000"//，设置自己的服务器IP地址和端口号;

(8)AT∧SISO=1//，打开TCP连接。

此时完成网络的连接功能，可以将视频打包后进行发送。

4 监控中心

监控中心主要包括计算机信息终端设备，即监控中心服务器，是整个远程监控系统的神经中枢，负责控制整个系统的运行，完成监控和管理等功能。

监控中心负责接收监测终端上传的视频，进行解码、存储等后台操作;在界面多路显示、切换画面;运行网络传输程序，与监控终端进行通信，接收视频，同时向监控终端发送命令，以对终端进行云台控制;对用户的身份及权限进行管理。

监控中心软件采用Visual Studio 2010中的WPF框架进行开发，能够运行在WIN7环境下，采用C#语言开发而成。监控中心软件采用C/S主从分布式结构，与监控终端进行连接，接收视频，解压进行显示，并对终端进行控制。

监控中心主要实现的功能为:

1)网络传输程序

网络传输程序部分运行Socket服务器编程，与监控终端进行通信，实现将编码压缩后的视频数据发送给数据处理程序部分，并将数据处理程序产生的命令发送给监控终端。

2)数据处理程序

数据处理程序包括两部分，其中一部分是对监控终端发送过来的编码压缩的视频进行解码，形成可以显示或存储的视频信息，然后进行显示或是存储;另一部分是对工作人员的处理进行分析后，形成控制命令发给网络传输程序，以便传输到监控终端进行控制。

3)监控显示画面

负责对数据处理程序处理过的视频进行显示，可以通过单画面、多画面进行远程浏览，实时监控现场设备与周围环境，可根据要求进行大角度移动画面，实现全面监控，并可对存储的图像按照不同的要求进行回放查看。

4)系统登录管理

对用户的身份进行认证，对不同的用户等级分配不同的权限，以保证监控系统的安全进行。

软件系统主功能模块见图4。

图4 软件系统主功能模块

监控中心软件在Windows开发环境下通过C#语言实现，通过与监测终端的配合，实现了对输电线路周围环境状态的监测。

5 总结与展望

电网远程监控系统对于电力系统的安全运行有重要的意义，尤其是在交通不便的偏远地区，自然灾害造成的电网故障不能及时解除，造成人们的生活生产不便。

本文研究和提出了面向电网的远程监控系统，该系统采用视频采集模块采集现场环境视频并通过GPRS网络将视频发送给监控中心，在界面进行显示，同时能够将命令发送给监控终端完成云台控制，实现对电网周边环境的视频数据采集与监控。

当前，国家电网公司对智能电网已展开大量研究，在某些方面已经取得突破性进展，随着信息化技术和数字化技术的发展，输电线路视频监控、故障定位及变电站设备监控水平将会快速提升，能够提高电力系统运行可靠性与安全稳定性，同时，它也能满足当前节能减排可持续发展的要求，促使电网的发展更趋于智能化。

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［1］韩祯祥.电力系统的安全性及防治措施［J］.电网技术，2004，28(9):1-6.

［2］李乃湖，倪以信，孙舒捷，等.智能电网及其关键技术综述［J］.南方电网技术，2010(3):1-7.

［3］刘文钊.基于ARM的变电站监控系统研究［D］.济南:山东理工大学，2009.

［4］倪振华，陆正嘉，张露维，等.视频监控技术在电力行业的应用技术研究［J］.电子技术，2012(8):39-42.

［5］输变电设备在线监测装置［EB/OL］.［2013-04-26］.http://baike.baidu.com/view/9803842.htm.

［6］李树前.基于MPEG-4的网络视频监控技术研究与系统实现［D］.南京:南京航空航天大学，2007.

［7］倪振华，陆正嘉，张露维，等.视频监控技术在电力行业的应用技术研究［J］.电子技术，2012(8):39-42.