变电站的远程网络图像监控系统设计

文章编号：1005－006X(2003)04－0053－03

电 站 系 统 工 程 Power System Engineering Vol.19 No.4 Jul., 2003

变电站的远程网络图像监控系统设计

华南理工大学 刘文泽

摘 要：结合计算机网络的IP组播技术和图像压缩技术，设计了适合无人值班的远程图像监控系统。给出基于组播技术的监控系统

的组网结构，并阐述了系统软件各个功能的实现。该图像监控系统是以光纤为媒体、远距离传输数字信号的系统，所需的带宽远低于传输未压缩图像信号的带宽，非常适合于局域网中应用的系统。

关键词：组播；图像压缩；变电站；监控系统 中图分类号：TP393, TN919 文献标识码：A

Design of Remote Network Image Supervising System in Transformer Substation

LIU Wen-ze

Abstract: To improve the automatically running level of the transformer substation, and to truly realize the unmanned duty, it is necessary to monitor the locale image of the important devices and sites. In this paper, the remote image supervising system is designed with the multicast technology of network and the image compression technology. And more, it is given that the network construction of system based on the multicast technology, and discussed that the software design of the system’s functions. The digital image signal is transferred through fiber in this system. This system needs lower bandwidth than the system with uncompressing image signal, and is easily adapted to the local network. Key words: multicast, image compression, transformer substation, supervising system

变电站现有的遥测、遥调、遥讯、遥控系统虽能提高变电站的自动化水平，但由于管理、技术等方面的原因，还难以真正实现变电站无人值班。为了进一步提高生产率，实现降低运行费用的目的，变电站的自动化发展方向必须顺应无人值班的趋势。无人值班就要求对变电站的重要设施和场所进行环境监控，为供电局的调度中心提供诸如防盗、防火、防爆等各种现场图像。随着计算机技术和多媒体应用技术的迅速发展，采用远程图像监控系统就能实现以上目的：在供电局的调度中心对远在几公里甚至几十公里的变电站的运行和安全情况进行实时监控，获得运行状态的视觉信息。本文所设计的远程图像监控系统就是为了提高变电站生产运行的自动化程度。

自动响应等功能外，生产管理对远程图像监控有了更高的应用要求，还要求具有图像、声音等信息的播放。该图像监控系统是基于IP组播技术的数字视频信号传输的系统，系统结合了图像压缩和计算机网络方面的新技术，是顺应了图像监控系统的发展新方向：在网络上传输实时图像信息。

系统实现了将其中的某一路视频图像提供给多个用户同时查看，为生产的安全运行和排除故障提供现场图像显示，并可对相应图像信息录像，供事后查看和取证之用。考虑到变电站的站点分布分散和距离远的特点，同时根据供电局的生产运行规范要求，因而设计了基于IP组播技术的远程图像监控系统。该远程图像监控系统的构成原理如图1所示。图中只给出一个变电站与调度中心连接图，实际上变电站可扩展至10个站点，使得调度中心可同时监控多个变电站点。系统中光纤是实现远距离传输的重要传输介质，光纤一端的工控机等设备在变电站内，另一端的路由器等设备在供电局的调度中心。

1 系统构成　

该远程监控系统是应用于供电局的变电站生产管理的，除具有普通监控系统烟火、红外报警、控制信号输入输出、

图1 远程图像监控系统的构成原理图

收稿日期: 2002-11-04

刘文泽（1973-），男，硕士。电力学院, 510641

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由图像监控系统的构成原理图可知，主要信号传输方向有：（1）视频图像信息传输：现场图像的模拟视频信号由固定、带云台和球型摄像机取得，分别经同轴电缆输入视频矩阵切换器中，选择一路模拟视频信号输入工控机中的视频采集压缩卡中，经视频采集压缩卡的数字化和压缩后，数字视频信号由工控机通过双绞线发送至网桥，经同轴电缆发送至光端机，由光端机转换为光信号在光纤上传输至远端的光端机，再还原为电信号至网桥，经双绞线至路由器，经路由器、交换机至需要监视的多个用户。（2）变电站内其它输入信号的传输方向与（1）中信息的传输方向相同。（3）控制信号传输：供电局调度中心的控制信号，由用户在电脑的应用软件界面上发出，经交换机、路由器、网桥、光端机、光纤等发送至工控机，所经的方向与视频信号的传输方向相反，控制信号由工控机接收并识别后，通过RS-232串行口输出至视频矩阵切换器，由视频矩阵切换器上的控制通讯口输出控制信号至解码器或开关控制器，可以实现摄像机的转动及调焦等控制或者射灯的开关控制。

2　　图像信号的编码模式选择

图像的视频信号如不经压缩便直接在网络上传输，由于在24帧每秒的情况下，视频信号的数据量约为10Mb/s，要求带宽为10 Mb/s的信号在现有的网络上传输是不现实的。因此，必须选择适合于网络上传输的编码模式。适合于网上传输的图像信号编码模式主要有：（1）H.263标准是为电视视频会议而制定的标准。其传输带宽要求较大，特别适合于静态图像或者帧数较少的传送，其实时性好，但压缩比相对较低；（2）微软的AVI格式，特别适合于网上视频图像资料的播放，要求带宽大于512 kb/s，这样播放端需要较大的缓存空间，在实时播放的情况下延时约有10 s；（3）MPEG格式，有MPEG-1，MPEG-2，MPEG-4，这些针对运动图像的压缩和播放的标准，其压缩比可达到7：1。MPEG-1不仅采用了I帧、P帧相关的压缩技术，还采用了双向预测的B帧，在一组图像信息的I帧后只存放图像不同的P帧信息，使得其压缩率很高，所以MPEG1信号在24帧每秒要求下，其视频和声音数据的标准压缩至1.2Mb/s。在较高速率和较可靠的网络传输中，图像显示的运动特性连续，图像传输时延主要是图像信号的硬件压缩和软件播放时延。为保证图像监控系统的视频信息在网上传输及播放具有良好的综合性能，选择MPEG-1作为图像信息传输的编码模式，可以保证图像的连续性、满足整个系统的传输带宽和时延要求，同时可以在客户端实现用软件播放数字视频信号。

3 IP组播技术的简介　

随着多媒体技术在网络上的广泛应用，用于图像多媒体的传播方式有：单播、广播和组播。在视频点播的发展中，IP组播技术起到关键推动作用。IP组播技术构建一种具有组播能力的网络，允许路由器一次将数据包复制到多个通道上。采用组播方式，媒体服务器只需要发送一个信息包，而不是多个，路由器将该信息包复制给请求的网络，所有发出

请求的客户端共享同一信息包。信息可以发送到任意地址的客户机，减少网络上传输的信息包总量，网络利用效率大大提高。IP组播方式将数据包的单独一个拷贝发送给需要的客户，不会复制数据包的多个拷贝传输到网络上，没有发出请求的客户端不会收到数据包，该功能由路由器或交换机实现，保证了网络上图像信号的传输占用较小带宽，防止网络传输阻塞，对原有的管理信息系统（MIS）网影响最小。

4 系统功能的实现

4.1 前端服务器的功能

工控机是前端服务的核心部分，所构建的服务器功能有视频信号采集压缩、实时发送视频数据、接受中心控制信号、控制摄像头和视频切换矩阵动作、现场报警信号的输入、自动报警录像等功能。工控机上的应用软件设计成一个服务器的功能，支持IP组播技术的发送数字视频信息，同时接受客户端的控制命令或现场输入的报警信号，对视频切换矩阵和摄像机进行控制，及时实现报警的现场录像等操作。出于考虑系统的稳定性，采用Windows2000 Server作为服务器系统的运行平台，用VC++ 6.0进行编程，实现支持多线程的功能，还在应用软件中增加了远程启动Windows系统的功能。视频信号的采集压缩卡选用带有Windows NT 驱动的性能稳定的产品。前端服务器的系统功能模块组成见图2。

图2 前端服务器的软件功能模块组成

4.2 管理中心的软件功能设计

用户权限管理服务器，在一台计算机上安装SQL Server 7.0数据库软件，在其上管理相应用户的登录权限、控制权限、登录时间、站点管理和前端报警记录等相关数据记录。通过设计两个信息数据表（站点信息表和用户信息表）来实现以上信息的存放。

客户端软件是指在管理中心的联网电脑上运行的应用软件。该软件具有直观的管理界面，可实现形象选取相应的站点和选择某一路图像信号，则客户端显示的图像信号为现场的实时监控图像，不同用户可分别查看不同的站点图像信号。客户端的软件功能构成如图3所示，各个功能模块是用面向对象语言VC++6.0编程实现，具有多线程和模块化的优点。其中图像播放功能模块使用了微软的DirectX6.0组件，数据库存取采用ADO技术实现。客户端软件能适合一般用户的要求，无需特殊的硬件设备，可在普通的多媒体电脑上播放图像，在Windows98或Windows 2000平台下稳定运行。 （下转第56页）

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运行模式，此时，要保证汽机4个调门中的两个处于全开状态，以减少节流损失。此时的汽机效率最高。当机组压力处于滑压范围时，滑压模式下的阀位控制器被激活，通过阀位比较（滑压时阀位指令在63%～64%之间），调整修正主汽压力动态设定值的输出，而汽机电调则跟踪动态压力定值进行主汽压力控制，以保证汽机处于2VWO（两阀全开）状态。

(8) 频率修正。频率修正指令（Pf）用于修正机组负荷设定的输出值，其计算公式为Pf = k△f+d/dt(k△f)。式中：k为比例系数；△f为频差。本修正值的上下限制为±8% MCR，即负荷频率修正不仅与频差成正比，而且对于频率的突然扰动，要作出快速负荷反应。

此函数直接加到机组负荷指令信号上，且要求快速反应，当负荷达到BMCR时，为防止电网频率突然下降导致负荷超调，此函数失去作用。

(9) 快速减负荷。机组处于RB、FCB状态时，由于机组受控模型的改变，控制策略也相应改变。正常运行时，定压控制模式下机组负荷变化率可达5%/min；而滑压控制模式下为3%/min。

RB状态下，目标机组负荷一般为50%或60%，其负荷变化率为10%/min 。锅炉两台磨运行。在满负荷且电泵处于热备用状态时，若一台汽泵故障，因电泵容量为30%，故机组目标负荷可设定为80%。

FCB工况下，机组空载带厂用电或空转，目标机组负荷为55%，其负荷变化率为40%/min。由于旁路容量为60%，

因此，锅炉依然维持两台磨不投油运行。

(10) 锅炉给煤量及总风量控制。双进双出钢球磨采用给煤机控制其煤位，煤位的检测通过磨马达电流或磨噪音实现，而锅炉总风量的控制通过送风机入口动叶调节。锅炉总风量为一次风量与二次风量之和。

3 结论

(1) 由于采用前馈+动态设定点反馈控制，使得这两部分工作可分别完成，本项目中由于前馈函数可以预先通过锅炉厂提供的热力计算书及相关资料提前完成。只有动态设定点反馈控制需要在现场调试中调整确定，大大节约了调试时间，简化了现场工作。

(2) 本控制方式可以满足被控对象不同运行状态的控制需要，可以根据不同的设备运行状态分别确立前馈函数与反馈信号的动态设定点，达到系统最优。如RB、FCB工况，可以预先使被调量达到设定点附近，然后再通过正常的反馈调节完成控制过程，使调节更平稳，消除了紧急工况下经常出现的震荡现象。

(3) 由于双进双出磨煤机投、切及单、双端切换时负荷扰动大，不易控制，导致协调控制系统控制其负荷变化时波动较大，难以满足合同中对负荷变化率的要求。

(4) 本系统投运一年来，效果十分理想。尤其是根据合同所作的几次甩负荷试验，包括30%、50%、75%、100% BMCR，均获得成功，所有过程都无人工干预。 □

编辑：闻 彰

播组中。同时为了防止客户端用户的非正常退出，由用户权限管理服务器对客户端是否正常工作进行检测判别。

（上接第54页）

图3 监控中心客户端的软件功能模块组成

4.3 路由器的配置

在所设计和建设的监控系统中，有8个变电站站点，路由器型号采用Cisco6509，其上端口支持IP组播功能。重点设置是在路由器上进行各个站点的虚拟局域网（VLAN）设置和组播功能设置。成功进行路由器设置后，当多个用户在监视浏览图像时，一个用户登陆连接信号的过程为：要监控哪一个站点的图像，则加入到该站点的组播组中，当路由器在识别了加入请求后，将该客户机的IP地址加入到该组播组，同时将视频信号发往相应端口，与客户机相连的交换机端口亦要支持组播功能，不会将信息包发送到无请求的客户机，这样可减轻网络的负担。当用户请求切换到另一个站点时，则会自动退出原来站点的组播组，再加入到新站点的组

5 结 论

在采用MPEG-1的图像编码方式和IP组播技术基础上，该图像监控系统组网灵活，用户扩展容易，适合于网上实时远程监控图像信息的传输，同时图像的播放连续效果好，图像切换延时约为1 s。随着计算机技术与网络技术的进一步发展和结合，图像信息传输必然采用图像压缩技术和组播技术，使得图像监控系统由模拟信号向数字网络化方向发展。该监控系统已在广东省某供电局进行建设并投入使用，系统的建设费用比常规模拟监控系统所需费用低得多，经半年多的运行表明，整个图像监控系统运行稳定，对供电局原有的局域网影响很小，实现了8个变电站的无人值班运行，为企业带来了良好的经济效益。 □

参 考 文 献

[1] 王汇源. 数字图像通信原理与技术[M]. 国防工业出版社, 2000. [2] 黄慧汇, 何三波, 等. 牵引变电站多媒体远程监控系统设计及开

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[3] 徐立中. 数字图像的智能信息处理[M]. 国防工业出版社, 2001. [4] 郑人杰, 殷人昆, 陶永雷. 实用软件工程[M]. 清华大学出版社,

1998.

编辑：闻 彰