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探析无人值守变电站站端视频监控系统设计施工

随着电力行业的快速发展和技术的进步,电力系统内各种生产设备数目越来越多、分布越来越广,相应的维护也变得越来越困难,实现监控管理在无人值守或少人值守的变电站显得尤为重要。
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【安防知识网】随着电力行业的快速发展和技术的进步,电力是我国经济发展的支柱之一,在经济发展和国家安全中具有重要作用,电力系统内各种生产设备数目越来越多、分布越来越广,相应的维护也变得越来越困难,因此实现监控管理在无人值守或少人值守的变电站尤其重要。另外,各种昂贵的变电设备放在无人值守工作站里也容易被不法之徒破坏或偷窃,轻则造成财产损失,重则造成安全事故,给经济的安全运行造成重大威胁。在电力行业信息化系统集成发展大潮来临之际,安全防范领域适时地介入电力行业,其价值与意义不断地被电力行业所认可。

  系统构建

  目前建设的无人值守或少人值守变电站内视频监控系统大致分为三种。

  基于嵌入式硬盘录像机的数字模拟混合系统

  系统主要构成:前端采用模拟摄像机,传输采用视频线缆或光纤传输模拟视频信号。后端采用嵌入式硬盘录像机进行管理和录像。远程采用网络和集成管理软件进行上级遥视(如图1)。

图1  基于嵌入式硬盘录像机的混合系统拓扑图

  · 优势:成本较低、技术成熟、性能稳定、实时性好、操作简单、夜间效果好;

  · 劣势:线路易受干扰,每台摄像机需要一条视频线,线路较多、布线麻烦。

  基于网络视频编解器的半数字系统

  系统主要构成:前端采用模拟摄像机+网络视频编码器(某些公司称之为网络视频服务器,叫法不同)。变电站内控制室采用小型的网络管理平台,这种平台可以是一套软件配合一台高性能计算机也可以是嵌入式的一台已经安装好软件和设备(称为NVS),如图2

图2   基于网络视频编解器的半数字系统拓扑图

  · 优势:传输的是网络信号,受干扰较小,可进行五级以上的多级管理;

  · 劣势:造价相对DVR系统较高。传输有延时,低温环境适应性较差。所以不适合在北方使用,南方的电网使用相对较多一点。 [nextpage]

  基于网络摄像机的全数字系统

  系统主要构成:前端采用网络摄像机,传输采用网络线缆或光纤传输网络视频信号和控制信号。后端采用服务器(可称为NVR)或高端计算机配合软件进行管理和录像。远程采用网络和集成管理软件进行上级遥视(图3)。

图3 基于网络摄像机的全数字系统拓扑图

  · 优势:高端产品可形成比模拟系统更清晰的高清图像,可进行五级以上的多级管理;

  · 劣势:成本较大、图像和控制有延时、网络摄像机目前夜间低照度效果不理想。国内网络产品目前没有一个统一的标准和传输格式。产品的局限性较大,对网络环境要求较高。

  这三种系统实现了站端视频信号的采集、传输、显示、录像、本地管理、远程传输的主要功能,同时与报警系统、门禁系统、环境监测系统(站内的温度、湿度、风力、水浸、SF6浓度等环境信息)、灯光系统在站端形成联动。通过网络在局端平台管理下形成联动。当发生报警时,站端视频处理单元可传送报警信息,并能联动相关设备,如启动照明灯光、警笛、启动站端视频处理单元高画质录像、启动高速智能球型摄像机旋转到指定位置等功能。

  鉴于以上三种系统的优势与劣势的对比原因。目前大多数无人值守和少人值守变电站视频监控系统为基于DVR的数字模拟混合系统;南方电网采用基于网络编解码系统的半数字化系统相对北方多一些;而全数字化系统应用相对较少。

  其实,无论采用那种方式,无人值守或少人值守变电站视频监控系统都有着同样的需求。

  视频监控系统监视范围大致如下:

  · 监视变电站内变压器、断路器、CT、PT、避雷器和瓷绝缘子等重要运行设备的外观状态;

  · 监视变电站内主要室内(主控室、继电器室、高压室、电缆层、电容器室、独立通信室等)场景情况,并实现双向通话;

  · 监测变电站内主要室内(主控室、继电器室、蓄电池室、独立通信室等)温度、湿度和高压场地风力(沿海变电站)以及开关场地电缆沟的水浸情况;

  · 实现变电站防盗自动监控,可进行周界、室内、门禁的报警及安全布/撤防;

  · 实现站内消防系统报警联动,并对消防系统运行状态进行监视;

  · 整个系统应由监控终端进行控制。当发生报警时,站端视频处理单元可传送报警信息,并能联动相关设备,如启动照明灯光、警笛等;

  · 系统还具有与监控中心或各监控终端进行接口和远传的功能。 [nextpage]

  视频监控系统的建设范围

  根据上面的拓扑结构及监控的需求可看出,视频监控系统的建设主要有5方面:前端摄像机(称之为前端)、传输、控制、显示、远程(或称之为远端)。其中控制、显示和远程可合并称之为站端视频处理单元。

  前端摄像机包括摄像机、护罩、支架、电源、防雷器、辅助照明等设备

  前端的选择和定位是系统中的重中之重。它决定传到后端的图像效果,由需求和监控区域来看视频监控前端的选型和位置。

  1、摄像机的定位

  目前,我国除了西北电网外,大部分电网的电压序列是500/220/110/35/10/0.38kV,西北电网的电压序列分别为750/330/110/35/10/0.38kV和220/110/35/10/0.38kV。

  根据变电站的电压及其等级。220KV及其以下变电站每台主变设置一台摄像机监视主变情况。220KV以上至750KV(不含750KV)每台主变设置两台摄像机。750KV及其以上主变设置三台摄像机;开关场设置1-N台摄像机;周界设置1-N台摄像机;变电站主出入口设置一台摄像机;变电站电缆间设置1-2台摄像机;主控室、高压室、电容器室、独立通信室各设置一台摄像机;出入口选择枪式摄像机,楼梯可选择枪式摄像机或半球型摄像机。其它位置均选择高速智能球型摄像机。

  2、摄像机的选型

  从环境和应用角度考虑摄像机应大致具备如下功能:

  · 高清600线。网络摄像机应具备4CIF图像能力;

  · 400-600度每秒的高速360度连续旋转功能。以便于简单控制和快速旋转到指定的位置;

  · 0.0.1度/秒的精准定位,以便于细节的查看;

  · 适应强逆光环境的宽动态功能。以便于在有阳光真射特别是斜射时得到的图像不反白;

  · 同轴视控功能(利用视频线进行控制和调试)或类似的功能方便现场调试及后期维护;

  · 足以满足不同天气环境的风扇、加热等设施。以满足摄像机在我国不同气候环境下的使用;

  · 高等级的通讯模块。以适应变电站的强电磁干扰环境;

  · 数量众多的预置位、扫描、巡航功能;

  · 智能视频分析或类似功能。以便于在物品丢失、动态景物出现时提供报警信号或在监视图像上作出明显标识以提醒操作人员。提供安全实用的保障;

  · 日程管理功能或类似功能。以实现真正无人值守的定是扫描和监控场所的巡视;

  · 高速智能球型摄像机报警预置位的联动。

  变电站应用最多的前端摄像机是高速智能球。高速智能球型摄像机的大部分功能各生产厂家相差都不太多。主要包括:

  · 智能视频分析功能:检测移动并标出包含检测出的移动的视频。在原有的视频上如果有物体消息或新物体出现并固定一段时间后标出这个区域;

  · 日程管理功能:在进行设计后可进行在无人管理的情况下进行定时扫描和巡视。

  这两项功能真正实现了无人值守情况下的监控系统的部分功能,这将是变电站中站端视频监控系统的新需求。

  传输部包括视频线缆、电源线缆、控制线缆、光纤、网线、视频光端机、网络视频编码器

  传输系统实现为摄像机、视频编码器、视频光端机供电,把前端视频信号传送到中心控制室,并将控制摄像机的控制信号传送到前端的任务。电源线采用1.5平方软线传送AC220V电源到前端,在前端采用AC24V100W变压器进行变压后给摄像机、编码器、光端机供电。视频信号通常在距前端300米内采用SYV-75-5视频线进行传输,超过300 米时采用光纤加视频光端机进行传输。数字系统采用光纤或网络线缆进行传输视频和控制信号。控制信号在视频信号采用SYV-75-5视频线进行传输时采用0.5平方双绞线进行传输。其它传输方式时与视频信号共同编码传输。 [nextpage]

  控制、显示及远程部分

  变电站内的控制部分称为站端视频处理单元。这种处理单元同时具备视频存储、前端设备管理、远程传输、处理联动需求等功能。

  站端视频处理单元控制前端摄像机的旋转、变焦、定位。实现每路图像D1画质下30天不间断录像。视频信息上传,接受一级控制,在显示器上进行多画面分割显示图像。

  1、控制部分包括嵌入式硬盘录像机、网络视频服务平台、RS485分为配器、控制键盘等。

  DVR系统采用16路嵌入式硬盘录像机对前端图像进行录像,对前端进行控制。半数字化系统及网络系统采用网络视频服务平台对摄像机进行控制和图像录制,这种平台包括软件加高端计算机和硬件平台。根据不同的产品提供商而不同。

  2、显示部分为监视器

  目前多为大屏幕液晶显示器或液晶监视器。其中液晶监视器造价相对较高,但显示图像效果相对较好。

  3、远程部分包括路由器、E1设备、远程服务器平台。

  通常从监控中心到变电站都有2Mbps的E1通道,将视频服务器或者交换机通过2M网桥连到光端机等E1通道上,把图像及相关数据传送到监控中心。

  在电力系统网络内的其他远程监控点安装若干监控主机,监控人员通过IE浏览器,用指定的用户名和密码登陆监控服务器,就可以进行远程调度、监控。

  基于DVR的数字模拟混合系统采用第三方公司提供的针对硬盘录像机的软件平台对硬盘录像机进行远程管理。

  基于网络编解码器的半数字化系统多采用与网络视频编码器和变电站端网络视频管理平台一致的相同厂家和品牌的远程视频管理平台来实现,具有选择上的局限性。

  数字系统有其生产厂家提供的管理平台或第三方管理平台可选。

  站端视频处理单元通常受局端管理平台的制约,而由上级单位统一规划。在这里不做过多描述。

  注意事项

  前端摄像机及传输设备的定位和安装

  前端摄像机定位的合理性决定整个视频监控系统能否看到满足需求的场景图像。这需要根据不同的环境做不同的选择。每一个变电站都有各自的细微的差别,同时不同的设计师也会有不同的设计理念。

  总体来看由于变电站内的电磁干扰,摄像机的安装高度在变电站区域内可能的情况下室外立标不要高于3.5米,摄像机安装在3米左右位置。安装于周界及变电站主建筑墙上的全景摄像机不受3米的高度限制,但也不要太高。在可能的情况下摄像机应远离高压母线,以防干扰过大。

  红外摄像机

  红外摄像机虽然具有优良的低照度效果,但是其不可抗拒的短时间内的红外衰减是其暂时无法达到无人值守的使用环境。通常红外灯的理论半衰时间为5000小时。由于使用温度、自身发热等因素。通常在安装数月内就会产生明显的红外衰减,使用十分困难和维护成本巨大,所以变电站很少应用。

  通讯设备、电源及线路

  通讯设备包括网络视频编码器、光发射设备等设备。如果有这些设备需要在摄像机前端设置设备箱。设备箱应考虑空气对流。

  由于高速智能球型摄像机用电量较大,特别是在我国北方冬季严寒条件下。摄像机需要自身加热。建议采用AC24V5A(或称为AC24V100W)电源为高速智能球型摄像机供电。室内如果有半球型摄像机,建议半球型摄像机采用AC24V供电,以免产生色滚动现象。

  通讯线路负责把控制中心的控制信号传送到摄像机前端,实现对摄像机的控制。在这里需要注意以下几方面。

  一条RS-485控制线的总长不能超过1000米。如果超过1000 米,应布设两条或多条控制线,并在站端控制设备控制端口增设RS-485分配器,以保证每条RS-485控制支路的控制并具有足够的驱动能力。如果在光纤系统中采用视频光端机或其它光纤设备请保证光纤设备的数据是双向的。因为绝大多数的高速智能球型摄像机的通讯是双向的,另外控制线缆在可能的情况下应采用RVS双绞线。 [nextpage]

  抗干扰防护

  变电站的高压、变相、导闸等因素。强列的电磁干扰、浪涌、电位差时时刻刻都存在。这是所有弱电设备的克星。由这些干扰造成的视频监控设备故障屡见不鲜。

  所有的弱电设备电磁防护能力都相对较弱。所以在变电站视频监控的建设中抗电磁干扰防护是不可忽视的。

  变电站的干扰大至可分为以下四种:雷电(直击雷、感应雷);浪涌、电磁干扰、电位差。根据不同的干扰采用不同的防护措施。

  1、雷电。变电站作为最容易受到雷电破坏的场所其自身的防雷已经做的十分到位。且针对其它干扰的视频监控系统防护设备同时具有防雷功能,所以雷电对弱电设备的破坏可暂不作特别考虑。

  2、浪涌。浪涌(电涌或瞬变电压)是指电压在电能流动的过程中大幅超过其额定水平 当电压增加持续三毫微秒(十亿分之一秒)或更长时间时,被称为浪涌。 当电压增加仅持续一毫微秒或两毫微秒时,被称为尖峰。尖峰的破坏力是最大的。浪涌/瞬变电压可以在极短时间内产生高压和在大电流击穿其所能到达的弱电设备的各种芯片,特别是通讯部分的保护电路和通讯芯片。

  解决方法:为弱电设备加装浪涌保护器/浪涌抑制器。通常比较好的电源插排中会有一个保护管。这就是浪涌保护器/浪涌抑制器的一种。

  监控系统中最常用的方法是给每台摄像机设置一个三合一(电源、视频、通讯)的防雷模块。防雷器是浪涌保护器的一种(初级或中级浪涌保护器)浪涌保护器分十级,实现的方法也很多,在这里不多做介绍。

  最安全的方法给每一台摄像机的通讯线路上加装一台485光电隔离器。这种方法最安全、造价最高、只能对RS-485通讯线路作保护。

  最经济的方法每一条通讯线路上串入适当的电容,电容接地进行放电。这种方法最经济。但每个变电站甚至于每个视频监控点的环境都有所不同。电容的大小选择是最难的。电容选大了对通讯造成较大干扰,使摄像机不受控,电容选小了又起不到保护作用,操作水平要求相对较高,所以安装三合一防雷器是一种实用可行的方法。

  电位差

  电位差会使导体产生电流。形成干扰和危害。控制电位差有以下方法:

  · 485通讯线采用带有屏蔽层的双绞线;

  · 保证在可能的情况下采用总线形连接方式,如一定要采用星型连接请在485通讯线路分支点加分配器;

  · 保证485通讯线路的屏蔽层的连通;

  · 监控系统供电方式抗干扰;

  · 监控系统的供电方式只有两种:一种是集中供电方式即电源都引自一处,另一种是分布式供电,摄像机在安装位置就近取电。从抗干扰效果的角度讲,集中供电方式更好一些,可以基本消除各处参考电位不等的情况。

  电磁干扰

  · 变电区内摄像机室外立杆为2.5-3.5米。摄像机安装于2.2-3米高处;

  · 通讯线路的屏蔽层在控制室端加(串联)适当大小的电容再接地;

  · 摄像机安装部位在可能的情况下距离一次母线远一点,以减轻干扰;

  · RS-485通讯线路分支点加分配器(部分起到隔离的作用);

  通讯线路的线缆直径不宜过粗,以0.5平方为宜;

  · 在强电磁干扰环境下.摄像机安装应与地隔离。

  结语

  无人值守或少人值守的变电站视频监控系统的建设在中国已经持续了数年,在未来的几年里还会持续的大规格建设下去。基于嵌入式硬盘录像机(DVR)的混合系统、基于网络视频编解码器的半数字化系统、基于网络摄像机(IPC)的全数字化系统都会有所应用。总体来看基于嵌入式硬盘录像机(DVR)的混合系统具备其固有的成熟、稳定、经济性等优点应用最多。基于网络视频编解码器的半数字化系统以其传输数字化等性能在南方也有较多的应用。在北方由于网络视频编码器对气候的要求条件应用较少。因为还没有能适应北方严寒冷环境的网络视频编码器或其生产成本太高而没有出现在市场上。基于网络摄像机(IPC)的全数字化系统作为视频安防领域的后起之秀有取代模拟摄像机的趋势。虽然有其数字化、可实现高清、先进、多级管理等优势。但其网络带宽的占用、网络延时、低照度效果差等因素也是制约其应用的主要原因。相信着伴随技术的发展,网络系统将成为变电站的选择。但无论是采用哪种方式形成的视频监控系统,摄像机的位置选择、摄像机的抗干扰防护都是建设中的重点之一。

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