申 周，盧奭瑄，2，單俊瑋

（1.沈陽工業(yè)大學(xué)，遼寧 沈陽 110027；2.沈陽工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110136）

0 引 言

隨著5G商用進(jìn)程的深化，運(yùn)行商大規(guī)模的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，5G通信技術(shù)也日趨成熟。從最初的2G通信技術(shù)和3G通信技術(shù)到當(dāng)前的4G通信技術(shù)和5G通信技術(shù)，發(fā)展速度較快，可以滿足當(dāng)前社會生活的發(fā)展要求[1]。在移動通信網(wǎng)絡(luò)中，5G智能通信技術(shù)憑借成熟的無線傳輸系統(tǒng)，傳輸數(shù)據(jù)的速度更快。不同頻段的應(yīng)用，使得5G 通信信號更加穩(wěn)定。與4G通信技術(shù)相比，5G信號的覆蓋范圍也更廣，可以滿足不同用戶的多樣化生活和工作。

雖然4G網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)在我國商用時(shí)間已不短，但在無線監(jiān)控領(lǐng)域卻只處于起步階段，無法滿足無線監(jiān)控大范圍的應(yīng)用，在穩(wěn)定性、覆蓋率以及傳輸速度等方面也存在嚴(yán)重問題。5G作為一種超寬帶無線技術(shù)，其移動性和高帶寬等特點(diǎn)使得傳統(tǒng)的安全監(jiān)控系統(tǒng)得到了進(jìn)一步地發(fā)展和改進(jìn)，使得基于固網(wǎng)寬帶的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)在無線環(huán)境中也可以得到廣泛應(yīng)用[2]。隨著智能電網(wǎng)建設(shè)需求的增長，將不可避免地顛覆傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控行業(yè)。隨著5G通信技術(shù)的不斷成熟和商業(yè)化應(yīng)用的不斷推廣，基于5G網(wǎng)絡(luò)的無線視頻監(jiān)控技術(shù)也必將在變電站綜合自動化系統(tǒng)中發(fā)揮越來越重要的作用。

1 可行性分析

如今的第五代移動通信網(wǎng)絡(luò)（簡稱5G）是最新一代的蜂窩移動通信技術(shù)，具有高速率、寬帶寬、高可靠性以及低時(shí)延等特性。其憑借全新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，至少可以提供十多倍的4G峰值速率、毫秒級的傳輸時(shí)延、超過500 km/h的移動性能以及千億級的連接能力，可以完成許多4G所不能完成的任務(wù)[3]。

隨著5G通信網(wǎng)絡(luò)不斷深入工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)，遠(yuǎn)程控制、工業(yè)攝像頭以及生產(chǎn)設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控等也必將應(yīng)運(yùn)而生。5G契合了變電站綜合自動化系統(tǒng)發(fā)展的需要，為實(shí)現(xiàn)更加智能安全的運(yùn)作提供發(fā)展基礎(chǔ)。其最重要的功能包括以下幾點(diǎn)，一是具備多連接的特性，在無線監(jiān)控中不僅擴(kuò)大了監(jiān)控的范圍，而且在獲取更多的多維監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)上面也得到了大幅度的提高。二是在軟件層面上采用了云和虛擬化技術(shù)，有效解決了生產(chǎn)安全和通信傳輸層面上的許多問題。三是不受物理硬件的限制，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)集中調(diào)配和統(tǒng)一運(yùn)行，滿足智能化變電站高效率運(yùn)行管理的需求，提高指令的執(zhí)行速度，便于各個(gè)部門的溝通配合，降低通信設(shè)備運(yùn)行維護(hù)的成本和失誤概率。四是無線傳輸更容易部署、成本更低且性能更穩(wěn)定，不需要埋線施工，提高了資源利用效率，避免線路老化損傷通信效率，從而提高信息傳輸?shù)陌踩院头€(wěn)定性[4]。

許多變電站自動化調(diào)度系統(tǒng)只能實(shí)時(shí)監(jiān)控電力數(shù)據(jù)，而在全面直觀地反應(yīng)變電站眾多設(shè)備現(xiàn)場運(yùn)行狀況方面做的還是不足，電力人員需要在檢查工作上花費(fèi)更多的精力。一旦事故發(fā)生，電網(wǎng)調(diào)度人員如果不能及時(shí)準(zhǔn)確地掌握現(xiàn)場狀況，只有到達(dá)現(xiàn)場才能查明事故原因的話，將會造成嚴(yán)重后果。如報(bào)警單元在收到信號干擾的情況下會發(fā)生誤報(bào)警情況，如果不能及時(shí)排查原因并解決，勢必造成秩序紊亂。目前，隔離開關(guān)類很多設(shè)備的成功率還達(dá)不到100%，因此操作員必須仔細(xì)檢查確認(rèn)操作成功后才能進(jìn)行下一步操作。綜上所述，在考慮如今無人值守變電站的需求和電網(wǎng)的管理向自動化、網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)字化以及智能化方向發(fā)展的前提下，提出了建立一種智能5G網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，用于建設(shè)各層次變電站的安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)、變電站智能網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程傳輸?shù)膱?bào)警信息系統(tǒng)以及監(jiān)控中心。

智能監(jiān)控系統(tǒng)的主要功能是將視頻監(jiān)控、火災(zāi)報(bào)警、安全警衛(wèi)以及環(huán)境監(jiān)控有機(jī)地集成在供電局不同區(qū)域的變電站之間。使用5G通信數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控和信息處理實(shí)時(shí)反饋。在主站供電局建立監(jiān)控中心，可以統(tǒng)一調(diào)度和實(shí)時(shí)監(jiān)控各變電站。主站監(jiān)管人員可以通過實(shí)時(shí)視頻統(tǒng)一管理站點(diǎn)，及時(shí)解決各種問題，提高工作效率。無人值守時(shí)，根據(jù)管理系統(tǒng)虛擬化設(shè)置，在站點(diǎn)出現(xiàn)安全問題后，發(fā)出操作指令給前方工作人員[5]。

2 基于5G智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)的組成

根據(jù)變電站綜合自動化系統(tǒng)的特點(diǎn)和管理模式，將遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)分為主站端（主控中心、區(qū)域監(jiān)控中心）、變電站監(jiān)控前端以及傳輸網(wǎng)絡(luò)設(shè)備3個(gè)部分。組網(wǎng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 組網(wǎng)結(jié)構(gòu)示意圖

在系統(tǒng)中增加一個(gè)新的變電站時(shí)，只需要在前端系統(tǒng)建立站端監(jiān)控，并與監(jiān)控中心建立連接即可。系統(tǒng)的各項(xiàng)功能和運(yùn)行狀態(tài)不受擴(kuò)建的影響。

2.1.1 前端站部分

現(xiàn)場變電站監(jiān)控的前端設(shè)備主要完成現(xiàn)場各種信息的采集、處理以及上傳。主要由高清攝像機(jī)、5G智能視頻分析服務(wù)器以及報(bào)警處理單元等組成。變電站前端監(jiān)控系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)和項(xiàng)目實(shí)施要嚴(yán)格按照國家電網(wǎng)的《智能變電站輔助系統(tǒng)綜合監(jiān)控平臺技術(shù)規(guī)范》《變電站視頻及環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》以及《電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及接口》，采用符合標(biāo)準(zhǔn)的硬件產(chǎn)品和監(jiān)控平臺。在變電所前端重要區(qū)域安裝高清攝像頭，查看重要設(shè)備的詳細(xì)情況，減輕工作隊(duì)的檢查壓力。一些地區(qū)還需要部署跟蹤攝像頭，在主控樓頂部署全景攝像機(jī)對場地進(jìn)行全景監(jiān)控。對于部分室內(nèi)變電站，由于白光補(bǔ)光可能擾民，因此可部署黑光攝像機(jī)。在變電站周界和重要設(shè)備區(qū)域部署智能分析設(shè)備，變“被動監(jiān)控”為“主動監(jiān)控”，識別儀表讀數(shù)、刀閘狀態(tài)、刀閘（開關(guān)）分合指示牌狀態(tài)以及控制柜指示狀態(tài)，減少運(yùn)維中心的監(jiān)控壓力。此外，在變電站制高點(diǎn)，部署紅外熱像儀，實(shí)時(shí)監(jiān)控變電站設(shè)備的溫度狀態(tài)并紅外成像，通過溫度提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障。

5G智能視頻分析服務(wù)器是視頻監(jiān)控的重要組成部分，其內(nèi)部配有5G無線調(diào)制解調(diào)器和嵌入式TCP/IP協(xié)議（使用MPEG4壓縮格式）。其主要功能是收集變電站中被監(jiān)視區(qū)域的實(shí)時(shí)視頻場景，然后經(jīng)過壓縮編碼上傳到監(jiān)控中心，通過5G網(wǎng)絡(luò)連接解碼器，并根據(jù)本地監(jiān)控中心的操作命令將其發(fā)送出去。監(jiān)控中心通過安裝的特定視頻監(jiān)控軟件監(jiān)視現(xiàn)場情況，并自由切換不同現(xiàn)場視頻。針對報(bào)警處理單元收集到的異常溫度和異常行為等各種狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)警視聯(lián)動錄像的功能，自動啟動警告燈、警鈴以及廣播對違章操作和異常工作向人員進(jìn)行警告。與變電站相關(guān)的綜合自動化系統(tǒng)互聯(lián)互通，并根據(jù)預(yù)設(shè)信息實(shí)現(xiàn)自動識別和觸發(fā)實(shí)時(shí)對講。

報(bào)警處理單元處理由報(bào)警檢測器收集的若干節(jié)點(diǎn)警報(bào)狀態(tài)，對各報(bào)警信息按照預(yù)先優(yōu)先級順序和邏輯關(guān)系，通過無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)直接上傳到監(jiān)控中心，同時(shí)也可通過數(shù)據(jù)形式的信息按照RS232/485串行端口傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，最后到達(dá)監(jiān)控中心。監(jiān)控中心的監(jiān)控管理系統(tǒng)將按照先前設(shè)置的程序立即做出相關(guān)操作。

2.1.2 主站端監(jiān)控中心

主站端監(jiān)控中心由中央圖像處理服務(wù)器、圖像監(jiān)控終端、圖像處理軟件以及遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)報(bào)警軟件組成。接收現(xiàn)場傳來的圖像和報(bào)警信號，提示保安人員采取各種措施，同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制矩陣、攝像機(jī)、云臺以及遠(yuǎn)程聯(lián)動控制，還可以進(jìn)行遠(yuǎn)程視頻文件下載、圖像檢索以及數(shù)字視頻回放，實(shí)現(xiàn)電網(wǎng)的可視化監(jiān)控和調(diào)度。

中央圖像管理服務(wù)器用于管理圖像的傳輸和存儲。管理服務(wù)器上安裝了系統(tǒng)管理數(shù)據(jù)庫、系統(tǒng)管理軟件以及監(jiān)控終端模塊，對整個(gè)系統(tǒng)的管理和服務(wù)起到了一定的作用。監(jiān)控人員也可以在轄區(qū)內(nèi)通過IE瀏覽器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

2.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

基于5G智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主要特點(diǎn)如下。

2.2.1 功能全面，可擴(kuò)展性強(qiáng)

系統(tǒng)完整實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行監(jiān)控和安全防范兩大職能，全面整合了視頻監(jiān)控、周邊報(bào)警、安防、消防以及動力環(huán)境等系統(tǒng)。同時(shí)具有很強(qiáng)的擴(kuò)展性，還可以整合其他系統(tǒng)實(shí)施綜合監(jiān)控。

2.2.2 監(jiān)控點(diǎn)無死角

系統(tǒng)將根據(jù)要求部署匹配的監(jiān)測點(diǎn)，確保在重要監(jiān)測區(qū)域不出現(xiàn)死角。對于一次設(shè)備區(qū)，由于需要大角度傾斜鏡頭來監(jiān)控閘刀開關(guān)的開閉情況，因此配置了白光云臺。對于儀表監(jiān)控，由于未來將進(jìn)行智能抄表，因此部署了固定式紅外攝像機(jī)。對于現(xiàn)場區(qū)域，考慮到設(shè)備監(jiān)控和人員監(jiān)控的需要，部署了紅外高清球機(jī)。以上都是按照滿足監(jiān)控需求進(jìn)行部署。對于變電站的一些特殊區(qū)域，由于監(jiān)控角度小、空間狹小以及環(huán)境危險(xiǎn)，因此不宜安裝多臺攝像機(jī)。通過在變電站各類開關(guān)室內(nèi)安裝軌道式攝像機(jī)，該系統(tǒng)可以遠(yuǎn)程對軌道攝像機(jī)進(jìn)控制操作，實(shí)時(shí)獲取每個(gè)控制柜上的所有監(jiān)控信息，實(shí)時(shí)上傳中心主站。軌道監(jiān)控?cái)z像機(jī)可進(jìn)行水平和垂直兩個(gè)方向的運(yùn)動，確保了監(jiān)控目標(biāo)不留死角。

2.2.3 高度智能化

該系統(tǒng)能夠識別不同的對象，發(fā)現(xiàn)監(jiān)控畫面中的異常情況，并能以最快且最好的方式發(fā)出報(bào)警并提供有用的信息，提高報(bào)警處理的及時(shí)性，從而幫助工作人員更有效地提前發(fā)現(xiàn)危機(jī)，并最大限度降低誤報(bào)和漏報(bào)現(xiàn)象，防止人員進(jìn)入帶電區(qū)域造成的人員傷亡。在變電站設(shè)備巡視和倒閘操作中，該系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)以下功能。第一，全部且準(zhǔn)確地監(jiān)控變電站所有的儀表，實(shí)時(shí)獲得變電站內(nèi)每個(gè)儀表的讀數(shù)，對儀表讀數(shù)超過警戒值的，系統(tǒng)智能報(bào)警。第二，智能分析變電站斷路器和隔離開關(guān)的分合指示牌，將分析結(jié)果上傳至信息一體化平臺。第三，智能分析變電站斷路器和隔離開關(guān)保護(hù)屏柜上的分合指示燈，并將分析結(jié)果上傳信息一體化平臺。

2.2.4 紅外在線預(yù)警

紅外成像技術(shù)能夠很好的預(yù)防檢測異常情況來保證設(shè)備的可靠運(yùn)行。工作人員應(yīng)使用便攜式紅外熱像儀定期對設(shè)備進(jìn)行掃描，確保設(shè)備在正常溫度下運(yùn)行。但這種檢測方法不是實(shí)時(shí)的，不能及時(shí)了解設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)和變化后的溫度。而通過使用在線紅外熱像儀實(shí)時(shí)監(jiān)測主要設(shè)備的溫度，可以解決不能及時(shí)檢測到過熱的問題。

2.2.5 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)靈活

系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)基于IP的多級遠(yuǎn)程監(jiān)控中心，可靈活組建省級、地市級以及縣區(qū)級監(jiān)控中心。此外，采用先進(jìn)的流媒體轉(zhuǎn)發(fā)和級聯(lián)技術(shù)，可有效提高網(wǎng)絡(luò)帶寬的使用效率， 滿足多個(gè)用戶的需求，也可以通過Web方式形成多級監(jiān)控系統(tǒng)。

3 結(jié) 論

隨著智能變電站綜合自動化系統(tǒng)需求的增加和5G垂直行業(yè)在無線視頻監(jiān)控中的不斷深入，需要不斷完善5G技術(shù)，解決5G網(wǎng)絡(luò)頻率高、衰減快、增加網(wǎng)絡(luò)體系建設(shè)成本以及安全風(fēng)險(xiǎn)等問題。盡早實(shí)現(xiàn)5G網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋，全面提高信息資源的利用效率，不斷創(chuàng)新電力監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用路徑。