基于自组网的变电站远程视频监控系统设计

周艳丽

(河南工业贸易职业学院信息工程系，河南郑州450012)

基于自组网的变电站远程视频监控系统设计

周艳丽

(河南工业贸易职业学院信息工程系，河南郑州450012)

以变电站的自动监控为主要研究对象，把含视频的监控作为重点问题，探讨了远程图像监控系统在变电站自动化系统中应用的主要功能和组网方式。最终确定了以无线网络和工业以太网方式来构建底层通信体系，为变电站远程图像监控系统的设计和工程提供参考。

变电站；监控；自组网；遥视

作为电力系统的重要组成部分，变电站的可靠运行是电力系统正常工作的保障。因此，对变电站进行有效监测和控制是电网控制系统的基础。随着计算机、网络通信等技术的快速发展，变电站的自动化程度也日益提高，无人值守成为变电站自动化发展的必然趋势。

目前，大部分变电站都安装有远程监控系统，可以对变电站内的电子设备的运行状态进行实时监控。但是，由于视频监控的使用需要更高水平的监控网络的支撑，所以，高清晰度的视频监控一直是变电站自动化发展趋势中需要突破的问题。为了做到变电站真正的“遥测、遥信、遥控、遥调和遥视”等五遥功能，有必要在变电站前方装设视频系统，以供远程值守人员对变电站的防火、防盗等问题具有更清晰的了解。

1 系统功能分析

对于变电站而言，视频或图像的监控主要有两个作用：一个是作用于设备的运行，可以实现显示出仪表的指示情况，比只是向上传送相应的数字更具有直观性；另一个是作用于变电站的防火防盗，在这一方面，过去采用的是利用相应的传感器来探测相应空间中相应参数，火灾利用的参数是温度和火焰等信息，防盗利用的是红外和门禁管理磁阀等信息，这些参数的误报率高，准确性差，采用视频或图像的监控会极大提高报警的精确性[1]。

汇总以上信息，一个带有视频图像监控功能的系统应具有以下几方面的功能设置：

(1)系统基本参数监控功能

对于设备的运行状态，起主要监测功能的依然是现场的检测仪表，视频图像的加入只是起到辅助直观的效果，而不是取而代之。因此，在现场仍然采用传统的采集设备来采集电流、电压、温度等参数，并能将这些数据及时上传至上层监控中心。

(2)视频监控功能

视频图像的监控应具有分布点合理、摄像头设置灵活、可以分频多路实时监控，在必要的地方还要设置双向对话功能。同时，要保证监控图像清晰度好、辨识功能强、音质好等优点，以保证视频信息提供高质量的分析状况数据。

(3)系统故障自诊断自定位功能，且可以联动报警

当系统监测到变电站内运行参数偏离正常数据时，应能够及时报警，并利用网络查找到异常数据点，确定出可能故障点。

(4)自愈功能和远程网络管理功能

系统应具有远程网络监控和管理功能，可以远程观察设备参数和视频的基本情况，及时对报警信息进行分析和处理。当远程控制中心没有及时做出反应的时候，现场应具有隔离现场故障点，利用其他线路和设备提供相应功能的自愈功能。

基于以上分析可知，一个完整的“五遥”监控系统除必要的设备之外，还需要具有强健的视频传输、远程控制和系统自愈功能。因此，采用何种通信网络就成为视频监控所面临的重要问题。

2 通信技术分析

灵活可靠的通信网络是系统成功的关键之一。对于一个带视频监控和自愈功能的变电站监控系统来说，通信网络的要求有三个[2]：(1)底层通信网络可以提供视频传输的硬件支持，这要求底层数据处理的微处理器功能要强大，以便保证视频信息的采集和传输；(2)整个通信网络具有相应的带宽，以保证视频信息的有效传输；(3)系统的自愈功能需要通信网络具有自组织的能力，尤其是控制线路。

针对以上问题，本设计的底层通信网络采用两种通信技术来实现相应功能：一种采用工业以太网的技术来构建主干通信系统，用来支持视频设备的数据传输；另一种采用无线传感网，用来完成终端采集数据的上传和控制命令的下达，同时还具有自织网的功能。两种网络中间利用ARM芯片作为网关。具体结构如图1所示。

图1 变电站基本结构图

如图1所示，整个系统分为两个区域：监控Ⅰ区和监控Ⅱ区。监控Ⅰ区主要完成相关输变电设备状态值的监测，主要通信技术采用无线传感网，网络采用ZigBee技术，工作在2.4 G频段。无线传感网采用树形-簇状结构，终端节点采用CC2530担任，一个CC2530上可安装两至三个传感器或执行器，用来采集设备的电流、电压、温度等信息或者利用继电器来实现相关设备的控制；中间节点为路由节点，不带传感器，只负责数据传输的路由构建；整个无线传感网只设一个协调器，负责ZStack协议栈初始化、信道扫描、配置网络参数、新建网络、分配地址以及收发数据；协调器与网关之间利用RS232进行连接，数据由协调器上传至网关。整个无线传感网采用的是ZigBee2007协议规范，并且是在协议栈软件ZStack-CC2530-2. 3.0-1.4.0的基础完成。协调器上电后，由启动代码来初始化硬件系统和软件架构需要的各个模块，ZStack采用轮转查询式操作系统，由main()函数开始执行，完成系统硬件初始化以及进入OSAL操作系统层。路由节点、终端节点的初始化过程和协调器类似，但所做的有关网络的工作是不同的。基于Zig-Bee2007协议的无线传感网是一种多跳自组织网络，当通信网络中的其中一个节点出现问题时，网络自动会查询邻近的节点代替故障节点，从而保证整个电站各个节点运行正常。

监控Ⅱ区的主要通信系统由工业以太网担当，网络将电源、安防、消防、环境、照明、视频等信息传达至E1接入设备。E1接入设备允许48路2M的视频输入，可以满足变电站内所有辅助应用监控的功能要求。视频监控数据由E1专用线传送至网关。

网关由ARM芯片来担任，本设计选择的是Cortex-A9核心板，主要的功能是几种通信协议的转换，以及视频信息和相关数据的传送。

3 系统软件的实现

在本设计中，需要软件支撑的主要有三处：其一是底层通信中各通信节点的驱动支撑；其二是网关中通信功能的实现；其三是上层监控中心的应用功能的实现。在这三处软件设计中，网关的设计和实现是其中的重点。

本设计利用32位的Cortex-A9芯片作为网关，采用三星高性能的Exynos 4412四核处理器作为支撑。Exynos 4412内部集成的GPU为Mali-400MP的高性能图形引擎，支持3D图形流畅运行，并可播放1 080 P大尺寸高清视频，流畅运行Android等高级操作系统，非常适合开发高端物联网相关的应用，为视频的处理的运行提供了良好支撑。

在稳定的硬件支持下，网关所要实现的功能是底层通信网中的数据与上层监控中心数据的对接，就是将传感网和视频终端传来的数据上传到上层的数据服务器，同时获取服务器下传的数据和命令到传感网。为了实现以上功能，本系统在网关上安装了两种操作系统，内核采用linux，外层采用Android 4.2。一方面linux可以为系统的稳定性和高效性提供坚实的保障；另一方面可以利用Android 4.2丰富的开发资源和友好的界面提高系统的可操作性。

网关上的应用程序涉及到串口的开发和网络功能的配置。

串口功能的实现主要是调用本地的函数接口。在Android工程中，创建了专门的串口操作的类SerialTool，并继承HardwareControler类。利用该接口可以设置串口的打开、关闭、设置波特率和定时器轮询方式。为保证系统运行流畅，系统添加了判断串口断开的和重连的方法，具体程序如下：

4 结论

本设计利用两种底层通信技术构建了变电站远程监控系统：无线传感网可以实现网络的自组织功能，从而实现系统的自愈功能；而工业以太网可以提高视频传输的稳定性，提高整个电力系统的自动化程度。这两种技术的结合，可以有效提高电网的安全、稳定和经济运行水平。

[1]汪萍.基于DSP的变电站网络监控系统的设计[D].淮南：安徽理工大学，2007：36-39.

[2]曲延滨，王建平.基于CAN总线和DSP的变电站监控系统[J].电力系统自动化，2003(12)：86-88.

Design of substation remote videomonitoring system based on ad-hoc network

ZHOU Yan-li (Departmentof Information Engineering，Henan Industry and Trade VocationalCollege，Zhengzhou Henan 450012，China)

W ith the automatic monitoring of transformer substation as the main research object，and the monitoring including video as a key problem，the main function and network mode of remote image monitoring system in substation automation system were discussed.The w ireless network and industrial Ethernetwere used to build the underlying communication system，providing reference for design and engineering of remote image monitoring system of substation.

substation;monitoring;ad-hoc network;remote view ing

TM 41

A

1002-087 X(2016)07-1510-03

2016-02-25

周艳丽(1970—)，女，河南省人，本科，副教授，主要研究方向为计算机研究及其应用。