輸電線路通道可視化技術(shù)探究范文

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《電力信息與通信技術(shù)雜志》2016年第9期

摘要：

為提高輸電線路運(yùn)行安全，實(shí)現(xiàn)輸電線路通道的可視化，文章提出了通道可視化系統(tǒng)框架，結(jié)合線路實(shí)際情況，采用5.8GHz無(wú)線專網(wǎng)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)以及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)等多種通信技術(shù)混合組網(wǎng)，完成終端設(shè)備通信接入，將現(xiàn)場(chǎng)視頻信息通過(guò)5.8GHz無(wú)線網(wǎng)絡(luò)就近接入變電站光網(wǎng)絡(luò)，完成信號(hào)匯聚并遠(yuǎn)程傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路的全天候監(jiān)測(cè)。該系統(tǒng)可幫助管理人員及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)信息，將事故消滅在萌芽狀態(tài)，在巡視人員不易到達(dá)地區(qū)則可大幅減少巡視次數(shù)。

關(guān)鍵詞：

無(wú)線專網(wǎng)；輸電線路；可視化；視頻監(jiān)控

0引言

輸電線路在線監(jiān)測(cè)的目的是保障電力輸電線路安全運(yùn)行，通過(guò)各種傳感器技術(shù)、通信技術(shù)、信息處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)輸電線路運(yùn)行狀態(tài)的感知、預(yù)警、分析、評(píng)估等，其中輸電線路通道可視化在線監(jiān)測(cè)裝置是最重要、最直觀的手段，作為線路巡檢運(yùn)維的重要工具得到廣泛應(yīng)用[1-3]。但由于設(shè)備的長(zhǎng)期運(yùn)行受環(huán)境、通信、供電等多個(gè)因素影響，且這些設(shè)備分布點(diǎn)多面廣，一旦出現(xiàn)問(wèn)題，不僅無(wú)法提升線路巡檢的效率和質(zhì)量，還會(huì)給線路運(yùn)維工作人員造成更多的麻煩，嚴(yán)重影響到用戶對(duì)設(shè)備使用的滿意度。目前，輸電線路通道可視化在線監(jiān)測(cè)多采用基于公網(wǎng)的無(wú)線GPRS/3G/4G技術(shù)，但是在實(shí)際應(yīng)用中卻存在很多問(wèn)題，如：選取的監(jiān)測(cè)線路節(jié)點(diǎn)在偏遠(yuǎn)、人跡罕至的地方，GPRS/3G/4G網(wǎng)絡(luò)尚未覆蓋；已經(jīng)覆蓋GPRS/3G/4G的地方也可能存在信號(hào)不強(qiáng)問(wèn)題，無(wú)法滿足實(shí)際監(jiān)控需求。以往線路在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)往往采用租用移動(dòng)等公網(wǎng)運(yùn)營(yíng)商資源的方式來(lái)傳輸視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)，但由于通道帶寬較窄，往往難以提供高清畫質(zhì)，同時(shí)租用費(fèi)用高、故障維修環(huán)節(jié)多[4-5]。本文提出了特高壓輸電線路通道可視化系統(tǒng)框架，結(jié)合線路實(shí)際，利用5.8GHz自建通信網(wǎng)絡(luò)，采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)等多種通信技術(shù)混合組網(wǎng)，完成終端設(shè)備通信接入，并通過(guò)就近接入變電站光網(wǎng)絡(luò)完成信號(hào)匯聚與遠(yuǎn)程傳輸；利用先進(jìn)的數(shù)字視頻壓縮技術(shù)、低功耗技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、太陽(yáng)能技術(shù)，將現(xiàn)場(chǎng)視頻信息通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路的全天候監(jiān)測(cè)，使管理人員及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)信息，將事故消滅在萌芽狀態(tài)。在巡視人員不易到達(dá)地區(qū)，可大大減少巡視次數(shù)，為輸電線路的巡視及狀態(tài)檢修提供新的思路。

1輸電線路通道可視化系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究

輸電線路通道可視化系統(tǒng)通過(guò)安裝在桿塔上的高清攝像頭，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路運(yùn)行狀態(tài)及周圍環(huán)境的監(jiān)測(cè)，并與其他相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)集成，為輸電線路的可視化運(yùn)維提供技術(shù)支撐。系統(tǒng)框架主要由前端裝置、通信傳輸網(wǎng)絡(luò)和視頻監(jiān)控中心主站組成。

1.1前端裝置

前端裝置主要包括高清視頻監(jiān)測(cè)裝置、電源供應(yīng)系統(tǒng)以及配套通信設(shè)備。高清視頻監(jiān)測(cè)裝置安裝在鐵塔下橫擔(dān)以下塔身內(nèi)部或桿塔主材，采集的視頻流同時(shí)存儲(chǔ)在桿塔當(dāng)?shù)睾徒尤胱冸娬荆蟼鲙挷淮笥?M。輸電線路大部分位于偏遠(yuǎn)無(wú)人山區(qū)，不具備條件就近取電供設(shè)備運(yùn)行使用，因此主要采用太陽(yáng)能獨(dú)立供電系統(tǒng)。太陽(yáng)能獨(dú)立供電方式為：當(dāng)日照充足時(shí)，由太陽(yáng)能系統(tǒng)為負(fù)載供電，為蓄電池充電；在日落后或陰雨天，則由蓄電池向負(fù)載放電。必要時(shí)可考慮選擇風(fēng)光互補(bǔ)的供電系統(tǒng)，部分有條件線路段供電方案可采用自建220V市電方式。

1.2通信傳輸網(wǎng)絡(luò)

目前，輸電線路通道可視化系統(tǒng)通信傳輸網(wǎng)絡(luò)大體可歸為三大類，分別為全無(wú)線、光纖+無(wú)線、全光纖[6-8]。

1.2.1全無(wú)線

全無(wú)線方案包括利用公網(wǎng)3G/4G和自建無(wú)線系統(tǒng)2種方案。利用公網(wǎng)3G/4G方案見(jiàn)效快、成本低，主要適用于監(jiān)測(cè)點(diǎn)比較零散且有公網(wǎng)信號(hào)覆蓋的場(chǎng)景，但由于很多輸電線路比較偏僻、無(wú)信號(hào)覆蓋，影響了其推廣使用。自建無(wú)線系統(tǒng)目前主要采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（多點(diǎn)）、LTE等技術(shù)，按照線路桿塔的地形特點(diǎn)，先分區(qū)段進(jìn)行基站匯聚，之后多級(jí)中繼回傳至就近變電站。

1.2.2光纖+無(wú)線

光纖+無(wú)線方案主要利用隨輸電線路架設(shè)的OPGW光纜，在設(shè)有光纜接頭盒的桿塔同時(shí)安裝光通信設(shè)備和無(wú)線設(shè)備作為接入和傳輸裝置，在不設(shè)接頭盒的桿塔僅安裝無(wú)線設(shè)備。通過(guò)光通信與無(wú)線的高效結(jié)合，對(duì)不規(guī)則、非線性的野外受監(jiān)控線路進(jìn)行全覆蓋。

1.2.3全光纖

全光纖方案為沿輸電線路通道新建1根架空光纜，在每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)置1個(gè)光纜接頭盒，同時(shí)安裝光通信設(shè)備作為接入和傳輸設(shè)備，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的全光纖覆蓋。新建架空光纜以自立桿塔為主，并根據(jù)實(shí)際情況單端或雙端接入就近變電站。根據(jù)上述3類通信傳輸與接入方案，可針對(duì)無(wú)線基站、傳輸方式、光通信設(shè)備選型分別進(jìn)行技術(shù)方案比選，通信傳輸與接入方案對(duì)比見(jiàn)表1所列。本文根據(jù)輸電通道的地形特點(diǎn)，以及輸電線路是否建有OPGW光纜或OPGW光纜是否具有可利用備用光纖等情況，大部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)擬采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（多點(diǎn)）的全無(wú)線接入方案，部分采用自建全光纖接入方案或OPGW光纖+點(diǎn)對(duì)點(diǎn)（多點(diǎn)）無(wú)線接入方案。

1.3視頻監(jiān)控中心主站

輸電線路通道可視化視頻監(jiān)控中心主站系統(tǒng)采用集中部署方式，安裝在輸電線路電力桿塔上的高清視頻監(jiān)測(cè)裝置采集線路通道的視頻流以及設(shè)備電源信息和通道狀態(tài)信息，采用寬帶無(wú)線專網(wǎng)接入到就近變電站。由變電站通過(guò)站內(nèi)的安全接入裝置接入到變電站內(nèi)輸電通道可視化網(wǎng)絡(luò)；使用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)設(shè)備通過(guò)FE接口和電力傳輸網(wǎng)MSTP設(shè)備互聯(lián)，最終將各種信息傳送到省公司的輸電通道可視化監(jiān)控平臺(tái)。系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1所示。

1.3.1主站構(gòu)架方案

輸電線路高清視頻流以及設(shè)備電源信息和通道狀態(tài)信息通過(guò)變電站內(nèi)電力專網(wǎng)接入到省公司的輸電線路通道可視化監(jiān)控平臺(tái)，該監(jiān)控平臺(tái)由視頻巡檢、無(wú)線專網(wǎng)通道管理和電源管理組成[9]。

1）視頻巡檢。實(shí)現(xiàn)對(duì)所有視頻監(jiān)測(cè)設(shè)備的管理，支持省電力公司和各地市局特高壓運(yùn)維分部對(duì)高壓輸電線路手動(dòng)和自動(dòng)視頻巡檢，以及事件觸發(fā)時(shí)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)視頻，提供巡檢視頻的記錄、存儲(chǔ)、查詢和回放。

2）無(wú)線專網(wǎng)通道管理。實(shí)現(xiàn)對(duì)所有無(wú)線通信設(shè)備的管理，監(jiān)視各個(gè)設(shè)備的運(yùn)行狀況，分析通道的瓶頸。

3）電源管理。實(shí)現(xiàn)對(duì)桿塔上所有設(shè)備電源的管理，監(jiān)視各個(gè)設(shè)備電源的狀況，分析電源容量，并根據(jù)電源容量提出設(shè)備運(yùn)行的最優(yōu)策略。

1.3.2數(shù)據(jù)流程輸

電線路通道可視化系統(tǒng)可以劃分為設(shè)備層、網(wǎng)絡(luò)層、接入服務(wù)層和應(yīng)用層。系統(tǒng)數(shù)據(jù)流程如圖2所示。

1）設(shè)備層：采集輸電線路通道的視頻信息、電源信息和通信設(shè)備信息，采集數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式（5.8GHz無(wú)線專網(wǎng)）將子站的數(shù)據(jù)在網(wǎng)絡(luò)層匯聚后到達(dá)接入服務(wù)層。

2）網(wǎng)絡(luò)層：通過(guò)有線、無(wú)線方式對(duì)設(shè)備層的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚傳輸，并送達(dá)接入服務(wù)層。

3）接入服務(wù)層：對(duì)接入的視頻數(shù)據(jù)和結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分級(jí)存儲(chǔ)，轉(zhuǎn)發(fā)下行控制命令。

4）應(yīng)用層：將采集的視頻信息、電源信息、通信設(shè)備信息及其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行集中存儲(chǔ)和分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)輸電線路通道信息的可視化管理，構(gòu)建功能完善的輸電線路可視化運(yùn)維管理平臺(tái)。

1.3.3系統(tǒng)功能架構(gòu)

系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要功能包括網(wǎng)絡(luò)管理、視頻監(jiān)控、電源管理和權(quán)限管理[10-11]。

1）網(wǎng)絡(luò)管理。①通道監(jiān)測(cè)：對(duì)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)通道組網(wǎng)進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點(diǎn)通信狀態(tài)的可視化，對(duì)通信通道出現(xiàn)的異常進(jìn)行告警提示。②拓?fù)涔芾恚禾峁╈`活的自定義網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涔芾砉ぞ邼M足用戶的需求，可根據(jù)實(shí)際線路劃分來(lái)定義每個(gè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的位置，使拓?fù)湟晥D更加清晰、易懂。③性能管理：提供網(wǎng)絡(luò)性能監(jiān)控報(bào)表和分析服務(wù)，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)和挖掘網(wǎng)絡(luò)性能問(wèn)題，并實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)節(jié)點(diǎn)性能指標(biāo)的監(jiān)控。

2）視頻管理。①實(shí)時(shí)視頻管理：包括視頻列表、視頻組合、播放控制、自動(dòng)播放、畫面切換、實(shí)時(shí)語(yǔ)音對(duì)講等。②視頻巡檢管理：包括巡檢管理、播放控制、云臺(tái)控制。③視頻存儲(chǔ)與查詢：包括設(shè)備查詢、錄像回放、視頻切片檢索、錄像查詢下載。④視頻設(shè)備管理：包括臺(tái)賬管理、視頻參數(shù)設(shè)置、視頻傳送策略、攝像頭管理等。

3）電源管理。①臺(tái)賬管理：實(shí)現(xiàn)對(duì)太陽(yáng)能電池板、風(fēng)機(jī)、電池基本信息的維護(hù)，并通過(guò)樹(shù)形結(jié)構(gòu)進(jìn)行展示。②實(shí)時(shí)監(jiān)視：對(duì)電池的重要參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，對(duì)包括電池狀態(tài)、電池電壓、電池電流、負(fù)載電流、溫度、電量、充放電次數(shù)等信息進(jìn)行展示。③信息管理：利用友好的圖形界面，可對(duì)太陽(yáng)能電池板、風(fēng)機(jī)、電池進(jìn)行歷史信息查詢，了解各設(shè)備的工作狀態(tài)。

4）權(quán)限管理。①控制過(guò)程：控制過(guò)程的設(shè)計(jì)應(yīng)符合相關(guān)規(guī)程的要求，包括控制對(duì)象的確認(rèn)和控制過(guò)程的記錄。②安全措施：操作人員權(quán)限管理、操作工作站權(quán)限管理和設(shè)備控制互斥。

1.4視頻三級(jí)存儲(chǔ)方案

1.4.1三級(jí)存儲(chǔ)機(jī)制

由于高清視頻信息量大，占用帶寬大，為保證有用視頻信息不丟失，又對(duì)現(xiàn)有的電力專網(wǎng)資源占用小，系統(tǒng)采用三級(jí)分布式存儲(chǔ)方案，包括桿塔當(dāng)?shù)?、接入變電站、主站三?jí)[12]。第一級(jí)存儲(chǔ)為在高清視頻監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)配置存儲(chǔ)卡，以實(shí)現(xiàn)該監(jiān)測(cè)裝置視頻的實(shí)時(shí)錄像，用戶可根據(jù)設(shè)備運(yùn)行狀況配置靈活的錄像方案，包括定時(shí)錄像、移動(dòng)偵測(cè)事件觸發(fā)錄像等。在定時(shí)存儲(chǔ)方式中，用戶可根據(jù)需求進(jìn)行配置，如裝置工作即錄像或者設(shè)定某個(gè)時(shí)間段（如每小時(shí)的前10min）對(duì)不同的預(yù)置點(diǎn)進(jìn)行掃描并錄像。移動(dòng)偵測(cè)觸發(fā)錄像則是偵測(cè)到物體移動(dòng)即開(kāi)啟錄像。第二級(jí)存儲(chǔ)為變電站內(nèi)配置的視頻存儲(chǔ)服務(wù)器，其同前端攝像頭的視頻存儲(chǔ)組成斷點(diǎn)續(xù)存方案，即ANR方案。該方案結(jié)合了本地存儲(chǔ)和網(wǎng)絡(luò)存儲(chǔ)方案，通常前端高清視頻監(jiān)測(cè)裝置本身沒(méi)有監(jiān)控存儲(chǔ)功能，必須由后端的視頻存儲(chǔ)服務(wù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)控視頻的存儲(chǔ)，這對(duì)于網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性要求很高，網(wǎng)絡(luò)連接失敗、丟包嚴(yán)重、抖動(dòng)等各種因素都可能造成監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的丟失。因此，在高清視頻監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)設(shè)計(jì)存儲(chǔ)緩沖區(qū)，可以保證網(wǎng)絡(luò)短暫中斷情況下監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的連續(xù)存儲(chǔ)。一旦出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中斷情況，前端的高清視頻監(jiān)測(cè)裝置存儲(chǔ)可以不受網(wǎng)絡(luò)的影響，繼續(xù)進(jìn)行錄像并作為備份數(shù)據(jù)，后端視頻存儲(chǔ)服務(wù)器可以在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后將失效期間存儲(chǔ)在前端緩存區(qū)的監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以“補(bǔ)充”的方式傳輸?shù)胶蠖?。第三?jí)存儲(chǔ)為在省公司視頻監(jiān)控中心主站配置磁盤陣列，實(shí)現(xiàn)基于應(yīng)用的存儲(chǔ)，即用戶手動(dòng)、自動(dòng)巡檢和事件聯(lián)動(dòng)視頻信息都存儲(chǔ)在磁盤陣列中，存儲(chǔ)文件以事件進(jìn)行檢索。

1.4.2視頻存儲(chǔ)時(shí)間

第一級(jí)和第二級(jí)存儲(chǔ)是基于視頻時(shí)間的存儲(chǔ)，能最大程度地保證視頻存儲(chǔ)的完整性，存儲(chǔ)文件以時(shí)間進(jìn)行檢索。依據(jù)較為高效的視頻壓縮算法，對(duì)于運(yùn)動(dòng)畫面較少的高清視頻（1280×720，15幀），平均碼流大小為1.2Mbps，計(jì)算得到每小時(shí)錄像文件大小為0.53GB。第一級(jí)存儲(chǔ)若考慮每天錄像12h，則7天內(nèi)的不覆蓋錄像需要容量為44.35GB，64GB存儲(chǔ)卡即可滿足7天錄像的要求。視頻存儲(chǔ)采用存滿后自動(dòng)覆蓋的方式實(shí)現(xiàn)視頻輪詢存儲(chǔ)。第二級(jí)存儲(chǔ)若考慮每天錄像12h，則30天內(nèi)的不覆蓋錄像需要容量為190GB，1塊容量為4TB的硬盤即可存儲(chǔ)21路視頻流信息。考慮到每個(gè)變電站平均接入30個(gè)攝像頭，因此需2個(gè)4TB硬盤方可滿足要求。存滿后也采用自動(dòng)覆蓋最先存儲(chǔ)的視頻的方式輪詢存儲(chǔ)。第三級(jí)存儲(chǔ)為基于應(yīng)用的存儲(chǔ)，考慮每周都對(duì)所有攝像頭依次輪巡并存儲(chǔ)錄像10min，每周容量約為0.26TB，每年的容量為14TB，考慮每2年覆蓋1次，則8×4TB的存儲(chǔ)陣列即可滿足要求。

2應(yīng)用實(shí)踐

輸電線路通道可視化系統(tǒng)在某電力公司特高壓輸電通道專項(xiàng)整治建設(shè)項(xiàng)目中得到了較好應(yīng)用，項(xiàng)目范圍為實(shí)現(xiàn)該電網(wǎng)公司特高壓交直流輸電線路高清視頻監(jiān)控的全覆蓋，覆蓋桿塔總計(jì)2000余基。項(xiàng)目建設(shè)取得的預(yù)期成效主要有以下幾個(gè)方面。

1）提高重要輸電通道的安全防護(hù)水平。提高重要通道輸電線路的設(shè)防等級(jí)，確保不發(fā)生因某一原因造成2次及以上重要輸電線路同時(shí)跳閘；采取差別化補(bǔ)強(qiáng)措施，能夠保證在極端惡劣天氣下重要輸電通道內(nèi)各級(jí)電網(wǎng)最小骨干網(wǎng)架線路的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2）提升重要輸電通道安全管理水平。辨識(shí)影響通道安全運(yùn)行的危險(xiǎn)因素，加強(qiáng)運(yùn)維管理和通道安全防護(hù)，提高重要輸電通道抵御風(fēng)險(xiǎn)的能力。

3）建立健全護(hù)線網(wǎng)絡(luò)。實(shí)現(xiàn)缺陷與隱患發(fā)現(xiàn)率100%、閉環(huán)率100%，實(shí)現(xiàn)重要輸電通道運(yùn)維保障和護(hù)線工作的屬地化、精益化、痕跡化，切實(shí)提高運(yùn)維和護(hù)線水平。通過(guò)本項(xiàng)目的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)了輸電線路在線監(jiān)測(cè)工作中各類在線監(jiān)測(cè)裝置平均在線率不低于98%，裝置缺陷消缺時(shí)間不超過(guò)5個(gè)工作日，各套監(jiān)測(cè)裝置的數(shù)據(jù)可用率不低于98%。

3結(jié)語(yǔ)

本文提出了一套輸電線路通道可視化巡檢系統(tǒng)及其解決方案，通過(guò)該方案和高清視頻實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)建設(shè)，可提升輸電線路通道安全水平，提高線路巡檢人員巡檢效率，力爭(zhēng)逐步達(dá)到線路主設(shè)備日常巡視由人工巡視方式轉(zhuǎn)變?yōu)橐赃h(yuǎn)程監(jiān)控為主的目標(biāo)，進(jìn)一步強(qiáng)化特高壓輸電線路的通道安全，有效提升特高壓安全管理水平，保證各級(jí)電網(wǎng)平穩(wěn)運(yùn)行。

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作者:呂志來(lái) 劉浩 李海 張學(xué)深 單位:國(guó)網(wǎng)許繼集團(tuán)北京許繼電氣有限公司