无人值守变电站视频监控系统深度解析

摘要：文中提出了将变电站视频监控系统与周界报警系统、消防系统和门禁系统通过全面布防、相互联动进行整合；用宽带代替2 M光纤大幅度提高传输信道的带宽，解决窄带宽引发的瓶颈问题；数字信号和视频信号在传输中的抗干扰措施。变电站视频监控系统经过这些改造，功能将更趋完善，运行更加稳定可靠，才能实现真正意义上的无人值守。
关键词：视频监控；传输信道；抗干扰；无人值守

    经过多年的建设，目前，电力系统无人值守变电站普遍存在的问题是：用户在变电站已实施了部分视频监控、环监测和综合报警系统，但大多分步、分批实施，系统各自独立运行，甚至每套系统都需要独立的管理人员，很难做到多系统的综合监控、集中管理，无形中降低了系统的高效性，增加了系统的管理成本。
    另外，大多数信号传输子系统采用2 M光纤，那么在远程监控中心，每个变电站每次只能查看一路图像，无法同时监测变电站所有的画面。而流媒体服务器可连接1～1 000台视频网络编码器。并支持1～200个并发用户，强大的视音频流转发功能因为信道的瓶颈而无法发挥作用，一边又是用户的实际需求，所以信道的整改，也是我们迫在眉睫的事情。
    视频图像直接利用同轴电缆的0～6 MHz来传输，非常容易受到干扰，使图像出现网纹、横纹和噪点，造成视频图像质量下降、系统控制失灵、运行不稳定等现象。因此了解干扰对视频监控系统的影响方式，针对不同情况采取相应的措施来解决干扰问题，对提高视频监控系统工程质量，确保系统的稳定运行非常有益。

1 无人值守变电站视频监控系统
    无人值守变电站视频监控系统采用分布式的系统架构，C／S体系结构．基于TCE／IP网络平台，H．264压缩标准的嵌入式网络编码器提供视频服务。图像视频信号由视频网络编码器采集压缩成数字信号，经E1接口传输到主站系统。主站系统采用流媒体服务模块将视频流通过以太网转发到请求连接的工作站上，视频监控模块将视频流解压缩后在工作站上进行播放。按功能划分为前端信号采集处理子系统、信号传输子系统和远程监控子系统。

2 整合多系统的无人值守方案
    根据我局近年来无人值守变电站建设经验，无人值守变电站应该是以视频监控为主，以动力环境监测、综合报警处理和门禁控制信息为铺。
2．1 视频监控系统
    1)从全局出发，设置足够的监控点，但力求精简。监控系统最重要的作用就是能够准确、真实地反映出现场环境条件，设备运行情况，对重要设备区，重要通道，出入口，周围边界，要设置足够的监控点来实现。但监控点的设置也非多多益善，当少量监控点已经能够反映出现场情况时，再设置过多的监控点非但没有必要，反而会增加系统的成本和复杂度，降低可靠性。
    2)设置好布防区域和一体化智能球机。视频监控系统与报警系统实行联动时，需要设置布防区域，即移动目标侦测点。布防区域过大，摄像机要全面监控显得有难度；布防区域过小需要安装过多的摄像机，增加成本和施工难度。室外监控我们一般选取一体化智能球机，它具有体积小、外形美观、功能强大、安装方便、使用简单、维护容易等特点。所谓球机的预置功能是指智能快球能将当前状态下云台的水平角度、倾斜角度和摄像机镜头焦距等相关参数储存到存储器中，需要时可以迅速调用这些参数并将云台和摄像头调整至该位置。球机的首方位是在一段时间内无人移动摄像机时自动回归的位置。防止摄像机因为监控人员的来回移动而偏离监控区域，使硬盘录像没有意义。系统应设置球机的首方位或预置点为相应的布防区域，这样发生报警时，摄像机快速回归，启动报警录像，准确而全面地记录下全过程，便于我们日后分析。
2．2 周界报警系统
    变电站内的周界报警系统一般采用以下设备：红外对射、高分贝警笛、电子围栏等，并与图像监视系统进行智能联动。
    红外对射应用比较普遍，当有人翻越围墙，挡住红外线时，告警接点即闭合报警。例如一段100 m的围墙，需要设置3对红外对射，每隔30多米为一个布防区域。在围墙栅栏上端安装时，最下一道光束与围墙、栅栏顶端间距应不大于250mm，安装在外侧时，与围墙、栅栏外侧间距应不大于175 mm，避免盲区。间距过大，人为可以入侵，间距过小，野物行走时会发生频繁误报。
    变电站配置1～2个高分贝警笛，作用是当防盗装置告警时，系统联动高分贝警笛，使得盗贼知道防盗系统已启动，吓阻其继续进行盗窃活动。
    红外对射易受环境和天气变化影响产生误动报警，长期使用后，其发出的红外线会逐渐衰减，也容易引起误动报警。我局变电站周界报警采用电子围栏，通过产生低频高压脉冲，震慑和防止犯罪分子人站行窃，因电子围栏产生高压，人们在翻越围墙时可能被电击后跌落，因此必须得到公安部门的许可并通过其验收，同时在其周围设置醒目的警告标志，它的设置已收到了良好的效果。
2．3 消防报警系统
    在改造的变电站中，一般都已经装备消防系统，为了有效地利用原消防资源，同时发挥视频监控系统的长处，一般尽量在重点消防部位装设摄像头，通过安全视频监控系统与消防系统实现串口通信来实时获得消防系统的告警情况，通过与图像监控系统的联动，及时监视和记录消防告警的情况。
2．4 门禁系统
    目前无人值班变电站的操作和运行管理一般都由操作队或者监控中心负责。运行人员每次去操作或者巡视都要从监控中心或操作队去取钥匙，即使遇到紧急情况也需如此。采用安全视频监控系统以后，借助先进的门禁管理系统，只需一张IC卡便可以解决所有的问题，并可通过权限和时限的配置，设置运行人员及管理人员开门的权限，事后还可以方便地检索人员到站的情况。与消防系统联动，发生火灾时，出入口大门应能自动打开。
    单的视频监控系统、周界报警系统、消防系统、门禁系统的作用是有限的，只有进行整合，使各系统相互补充、相互配合、实现联动，才能最大程度地发挥系统的优势，真正成为安全视频监控系统。

3 传输线路的改造
    目前，很多变电站都自己铺设或租用电信的2 M光纤来传输视音频信号，利用网桥的E1口桥接广域网与局域网，这样受带宽约束，工作站每次只能发起一路图像的连接请求，用户需要频繁地切换，或分割窗口来进行全局监控，效果不甚理想。而流媒体服务模块可以转发大量的连接，却受限于窄带宽而无法满足用户的实际要求。
    随着国家对电网建设的大力投资，已经有变电站实现了宽带连接。这种情况下，我们的传输系统在物理上可以去掉网络桥接器，从视频网络编码器出来的数字信号直接通过以太网传输到主站系统。信道带宽的大幅度提高，缓解了之前的瓶颈状态，用户可以同时查看所有变电站所有摄像机的图像，真正实现了全局监控。

4 变电站视频监控系统抗干扰方法
    一般来说干扰主要通过视频同轴电缆和传输控制信号的双绞线耦合进系统。主要干扰源有：高频噪声干扰，比如大电感负载启停；各点接地电位不等引入的工频干扰，特别在变电站工频干扰较严重；平衡传输线路失衡使抑噪能力下降将工频干扰转成了差模干扰；传输线上阻抗不匹配造成信号的反射使信号传输质量下降；静电放电沿传输线进入设备造成接口芯片损伤或损坏。
4．1 数字信号传输中的抗干扰措施
    变电站视频监控系统的数字信号传输通常通过工业标准的通信网络进行传输，比如RS232、RS845、RS422。在这里重点讨论RS485数字通信抗干扰方法。
    RS485总线是采用差分平衡电气接口，具有较强的抗电磁干扰能力，但在实际工程中RS485总线并未达到人们期望的效果。问题往往出现在以下几个方面：
    1)网络拓扑不合理，未按照总线型网络拓扑布线，而成为了星型拓扑结构；
    2)传输线与接收和发送端设备连接不正确，削弱了平衡线的抗干扰能力；
    3)公用双绞线未进一步采取抗干扰措施，比如采用屏蔽双绞线；
    4)双绞线线经太细，传输距离太远，导致阻抗太大，造成压降。
4．2 视频信号的抗干扰
    视频信号的干扰在图像上表现为雪花点和50 Hz横纹滚动。
    对于雪花点干扰是由于传输线上信号衰减以及耦合了高频干扰所致，这种干扰比较容易消除，在摄像机与控制矩阵之间合理位置增加一个视频放大器，将视频信号的信噪比提高，或者改变视频电缆的路径避开高频干扰源，高频干扰的问题可基本上得到解决。
    较难解决的是50 Hz横纹滚动及进一步加入的高频干扰的情况。对于50 Hz的横纹滚动根据电磁学理论知道视频电缆的屏蔽层可完全消除50 Hz工频干扰，只需要购买屏蔽效果好的视频电缆。对于图像的高频干扰，因它的频带仍在8 MHz内，采用空隙率为50％左右的屏蔽网可基本消防高频干扰，但要达到50％的空隙率，屏蔽网根数需每个波长长度有60根以上，这样高的密度又会使电缆的柔韧性下降，比较好的方法是采用带有双层屏蔽的视频电缆。这样会增加系统成本，我们在无人值守变电站监控系统的建设中采用视频双绞线传输方式，很好地解决了这一难题。

5 结束语
    经过信道整改、抗干扰处理及多系统融合的无人值守变电站监控系统，解决了无人值守变电站自动化"四遥"以外新的需求——遥视需求，使变电站自动化水平又上了一个新的台阶。经过几年来的系统运行，远程图像监控系统运行稳定、可靠、信息准确，图像监控系统的远方巡视、远方核查、安防报警和多媒体交互等功能，提高了变电站的防事故、防误操作、防盗、防火能力，使值班人员和相关领导能及时准确地了解无人值守变电站的现场情况，对操作情况进行全过程的监视和核对，对重点区域进行全方位的防盗防火预警，为工作人员提供了一种很好的辅助工具，从而大大降低了无人值班变电所的日常巡视、检修等费用，产生了良好的经济效益。