基于自組網的變電站遠程視頻監控系統設計

周艷麗

(河南工業貿易職業學院信息工程系，河南鄭州450012)

基于自組網的變電站遠程視頻監控系統設計

周艷麗

(河南工業貿易職業學院信息工程系，河南鄭州450012)

以變電站的自動監控為主要研究對象，把含視頻的監控作為重點問題，探討了遠程圖像監控系統在變電站自動化系統中應用的主要功能和組網方式。最終確定了以無線網絡和工業以太網方式來構建底層通信體系，為變電站遠程圖像監控系統的設計和工程提供參考。

變電站；監控；自組網；遙視

作為電力系統的重要組成部分，變電站的可靠運行是電力系統正常工作的保障。因此，對變電站進行有效監測和控制是電網控制系統的基礎。隨著計算機、網絡通信等技術的快速發展，變電站的自動化程度也日益提高，無人值守成為變電站自動化發展的必然趨勢。

目前，大部分變電站都安裝有遠程監控系統，可以對變電站內的電子設備的運行狀態進行實時監控。但是，由于視頻監控的使用需要更高水平的監控網絡的支撐，所以，高清晰度的視頻監控一直是變電站自動化發展趨勢中需要突破的問題。為了做到變電站真正的“遙測、遙信、遙控、遙調和遙視”等五遙功能，有必要在變電站前方裝設視頻系統，以供遠程值守人員對變電站的防火、防盜等問題具有更清晰的了解。

1 系統功能分析

對于變電站而言，視頻或圖像的監控主要有兩個作用：一個是作用于設備的運行，可以實現顯示出儀表的指示情況，比只是向上傳送相應的數字更具有直觀性；另一個是作用于變電站的防火防盜，在這一方面，過去采用的是利用相應的傳感器來探測相應空間中相應參數，火災利用的參數是溫度和火焰等信息，防盜利用的是紅外和門禁管理磁閥等信息，這些參數的誤報率高，準確性差，采用視頻或圖像的監控會極大提高報警的精確性[1]。

匯總以上信息，一個帶有視頻圖像監控功能的系統應具有以下幾方面的功能設置：

(1)系統基本參數監控功能

對于設備的運行狀態，起主要監測功能的依然是現場的檢測儀表，視頻圖像的加入只是起到輔助直觀的效果，而不是取而代之。因此，在現場仍然采用傳統的采集設備來采集電流、電壓、溫度等參數，并能將這些數據及時上傳至上層監控中心。

(2)視頻監控功能

視頻圖像的監控應具有分布點合理、攝像頭設置靈活、可以分頻多路實時監控，在必要的地方還要設置雙向對話功能。同時，要保證監控圖像清晰度好、辨識功能強、音質好等優點，以保證視頻信息提供高質量的分析狀況數據。

(3)系統故障自診斷自定位功能，且可以聯動報警

當系統監測到變電站內運行參數偏離正常數據時，應能夠及時報警，并利用網絡查找到異常數據點，確定出可能故障點。

(4)自愈功能和遠程網絡管理功能

系統應具有遠程網絡監控和管理功能，可以遠程觀察設備參數和視頻的基本情況，及時對報警信息進行分析和處理。當遠程控制中心沒有及時做出反應的時候，現場應具有隔離現場故障點，利用其他線路和設備提供相應功能的自愈功能。

基于以上分析可知，一個完整的“五遙”監控系統除必要的設備之外，還需要具有強健的視頻傳輸、遠程控制和系統自愈功能。因此，采用何種通信網絡就成為視頻監控所面臨的重要問題。

2 通信技術分析

靈活可靠的通信網絡是系統成功的關鍵之一。對于一個帶視頻監控和自愈功能的變電站監控系統來說，通信網絡的要求有三個[2]：(1)底層通信網絡可以提供視頻傳輸的硬件支持，這要求底層數據處理的微處理器功能要強大，以便保證視頻信息的采集和傳輸；(2)整個通信網絡具有相應的帶寬，以保證視頻信息的有效傳輸；(3)系統的自愈功能需要通信網絡具有自組織的能力，尤其是控制線路。

針對以上問題，本設計的底層通信網絡采用兩種通信技術來實現相應功能：一種采用工業以太網的技術來構建主干通信系統，用來支持視頻設備的數據傳輸；另一種采用無線傳感網，用來完成終端采集數據的上傳和控制命令的下達，同時還具有自織網的功能。兩種網絡中間利用ARM芯片作為網關。具體結構如圖1所示。

圖1 變電站基本結構圖

如圖1所示，整個系統分為兩個區域：監控Ⅰ區和監控Ⅱ區。監控Ⅰ區主要完成相關輸變電設備狀態值的監測，主要通信技術采用無線傳感網，網絡采用ZigBee技術，工作在2.4 G頻段。無線傳感網采用樹形-簇狀結構，終端節點采用CC2530擔任，一個CC2530上可安裝兩至三個傳感器或執行器，用來采集設備的電流、電壓、溫度等信息或者利用繼電器來實現相關設備的控制；中間節點為路由節點，不帶傳感器，只負責數據傳輸的路由構建；整個無線傳感網只設一個協調器，負責ZStack協議棧初始化、信道掃描、配置網絡參數、新建網絡、分配地址以及收發數據；協調器與網關之間利用RS232進行連接，數據由協調器上傳至網關。整個無線傳感網采用的是ZigBee2007協議規范，并且是在協議棧軟件ZStack-CC2530-2. 3.0-1.4.0的基礎完成。協調器上電后，由啟動代碼來初始化硬件系統和軟件架構需要的各個模塊，ZStack采用輪轉查詢式操作系統，由main()函數開始執行，完成系統硬件初始化以及進入OSAL操作系統層。路由節點、終端節點的初始化過程和協調器類似，但所做的有關網絡的工作是不同的。基于Zig-Bee2007協議的無線傳感網是一種多跳自組織網絡，當通信網絡中的其中一個節點出現問題時，網絡自動會查詢鄰近的節點代替故障節點，從而保證整個電站各個節點運行正常。

監控Ⅱ區的主要通信系統由工業以太網擔當，網絡將電源、安防、消防、環境、照明、視頻等信息傳達至E1接入設備。E1接入設備允許48路2M的視頻輸入，可以滿足變電站內所有輔助應用監控的功能要求。視頻監控數據由E1專用線傳送至網關。

網關由ARM芯片來擔任，本設計選擇的是Cortex-A9核心板，主要的功能是幾種通信協議的轉換，以及視頻信息和相關數據的傳送。

3 系統軟件的實現

在本設計中，需要軟件支撐的主要有三處：其一是底層通信中各通信節點的驅動支撐；其二是網關中通信功能的實現；其三是上層監控中心的應用功能的實現。在這三處軟件設計中，網關的設計和實現是其中的重點。

本設計利用32位的Cortex-A9芯片作為網關，采用三星高性能的Exynos 4412四核處理器作為支撐。Exynos 4412內部集成的GPU為Mali-400MP的高性能圖形引擎，支持3D圖形流暢運行，并可播放1 080 P大尺寸高清視頻，流暢運行Android等高級操作系統，非常適合開發高端物聯網相關的應用，為視頻的處理的運行提供了良好支撐。

在穩定的硬件支持下，網關所要實現的功能是底層通信網中的數據與上層監控中心數據的對接，就是將傳感網和視頻終端傳來的數據上傳到上層的數據服務器，同時獲取服務器下傳的數據和命令到傳感網。為了實現以上功能，本系統在網關上安裝了兩種操作系統，內核采用linux，外層采用Android 4.2。一方面linux可以為系統的穩定性和高效性提供堅實的保障；另一方面可以利用Android 4.2豐富的開發資源和友好的界面提高系統的可操作性。

網關上的應用程序涉及到串口的開發和網絡功能的配置。

串口功能的實現主要是調用本地的函數接口。在Android工程中，創建了專門的串口操作的類SerialTool，并繼承HardwareControler類。利用該接口可以設置串口的打開、關閉、設置波特率和定時器輪詢方式。為保證系統運行流暢，系統添加了判斷串口斷開的和重連的方法，具體程序如下：

4 結論

本設計利用兩種底層通信技術構建了變電站遠程監控系統：無線傳感網可以實現網絡的自組織功能，從而實現系統的自愈功能；而工業以太網可以提高視頻傳輸的穩定性，提高整個電力系統的自動化程度。這兩種技術的結合，可以有效提高電網的安全、穩定和經濟運行水平。

[1]汪萍.基于DSP的變電站網絡監控系統的設計[D].淮南：安徽理工大學，2007：36-39.

[2]曲延濱，王建平.基于CAN總線和DSP的變電站監控系統[J].電力系統自動化，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

周艷麗(1970—)，女，河南省人，本科，副教授，主要研究方向為計算機研究及其應用。