遥视警戒技术在电力系统中的实践
更新时间：2014-5-29
遥视警戒技术在电力系统中的实践
叶念国
[内容提要] 具备警戒功能的遥视系统是实现电站无人值班不可或缺的技术支撑，本文通过作者自93年至今分别在浙江丽水紧水滩水电站，安徽淮南供电局及贵州贵阳500KV干田变电站实施不同方案的遥视警戒系统的实践体会，提出一些今后推广遥视警戒系统这一技术应予考虑的原则。
[关键词] 遥视 警戒 视频信号处理一体化球型摄像机
0 前言
随着电力系统的发展及电力市场的形成，人们越来越认识到要用先进的技术及科学的管理才能在不可避免的电力市场竞争中获得一席之地。以往人们认识到水电站及变电站实现无人值班的必要性，但并没有认真的实行，原因有两个：一是省下的人员如何安排？二是真正撤人确实让人放心不下。于是一个“无人值班、少人值守”的提法出台了，实际上从心底里并不敢搞真格的“无人值班”，毕竟心里不踏实。
目前电力系统自动化的四遥（遥测、遥信、遥控、遥调）不能支持电站无人值班，因为四遥不涵盖对电站环境的监控内容，例如防盗、防火、防爆、防渍、防水气泄漏等。正因为如此，即使对一个完全实现了四遥的电站，人们对“无人值班”仍是放心不下的。因为人们不仅需要在远方的监控中心能看到电站的每一个角落，还要求及时发现环境的异常现象，并在远方通过遥控进行处置。于是一个带自动警戒功能的遥视系统的构思就应运而生了。
多媒体技术给我们解决遥视警戒系统的各类要求提供了完全的技术支持。图像、声音信号的数字化及压缩、解压技术使声像信号的存贮、加工及远传变得轻而易举。我们在94年推出了第一代用于电力系统的SID-9A遥视警戒系统，96年推出了第二代SID-9B系统，98年推出了第三代SID-9D系统，99年推出了第四代SID-9E系统。应该说SID-9D及SID-9E系统已完全满足电站既做到无人值班，同时还无人值守的需要。
1 遥视警戒功能的实现
1.1 遥视功能的实现
提及遥视，可能有人马上就会想到工业电视，其实这完全是两个概念。工业电视是视觉器官的短距离延伸，而遥视则可理解为无限距离的延伸。
安装在现场的N个摄像机通过N根视频电缆将视频信号经视频切换器传送到监视器，人们通过控制器选择所关心的现场图像。由于视频电缆会使模拟量形式的视频信号产生衰耗，因此视频电缆
的长度被限制在500米左右，所以说工业电视只能在当地进行监视，它对于要实行无人值班的电站毫无实用价值。
图2是只画了一个电站的遥视系统示意图，实际的电站数可以是多个的。N个摄像机经N根视频电缆将视频信号汇接到由多媒体计算机控制的智能视频切换器，以实现从N个中选1个视频信号送到多媒体计算机，将模拟量形式的视频信号转换为相应的数字信号，进而作必要的处理，即可通过调制解调器经公共电话网将图像传往远方的监控中心。由于图像信号已经数字化，不仅便于存贮和加工，同时传送距离也不受限制，可以说只要能通电话的地方就能通图像。
1.2 自动警戒功能的实现
尽管在有人值班的监控中心，值班人员为了及时发现异常情况也不可能24小时两眼紧盯着监视器。为此,遥视系统必须具备在现场发生异常情况时自动向监控中心值班人员报警，并随即送上出事现场的图像，以便值班人员及时遥控处理。
由于图像信号已经数字化，因此为实现自动警戒功能奠定了基础。摄像机所摄取的图像均以数据形式存放在计算机的内存中。在无人的电站内没有可动物体，也就是说某个摄像机对它所瞄准的监视对象在任何时候获取的图像数据在内存中都是相同的，如果在某个时刻发现前后两帧图像数据不相同，唯一的解释就是现场被破坏了，这就为实现自动报警提供了可能。当然，导致现场图像变化的因素很多，例如出现非法闯入者；有动物窜入；现场产生烟雾、火苗、喷水、冒气等等，对这些异常情况的鉴别是很容易实现的。但有些现场图像的变化并非异常情况，例如自然采光在早晨、中午、晚上的亮度变化、摄像机自动控制光圈、聚焦引起的图像数据变化等，这是不应报警的。因此必须采用某些算法滤除这些有规律的变化，避免误报警。所以实现自动警戒主要有赖于找到对视频信号进行处理的严密算法。但是目前尚难以彻底避免误报警，例如突发性的闪电、天空突然出现乌云、照明灯具损坏等，这些情况都是无规律可循的，更谈不上能找到一种可以滤除这种突变信号的算法。然而应该指出，毕竟监控中心是有人值班的，遥视系统报警时值班人员能及时在监视器上看到现场的图像，由于最终裁决权在值班人员手上，从而可以确保不致因误报警而引起误处理。
1.3 视频信号的处理
人们在生活中有70%的信息来自于视觉。视频信息是由许多单一的画面所组成。一幅静止的图像是一个平面能量分布图，在数学上可用一个多变函数来表示，即Q（c、y、l、t）。变量X、y为图像上像点的座标位置。l为幅射能的波长，t为时间 ，这是一个连续函数。为了便于计算机处理，因此需对一幅连续图像进行离散化抽样，显然这将导致图像失真。
对连续图像离散化后，尽管损失了一些信息，但人们还是发现形成的数字视频图像的数据量是惊人的。以一帧640´480分辨率的彩色图像为例，其数据量约为920KB，如果以每秒30帧的速度传送，则波特率高达27.6Mbps。假如通过33.6K波特率的调制解调器传送的话，要花四分半钟才能传送一帧图像。因此对数字图像必须进行压缩，这样既可减少数据存贮空间和传输时间，还可大大降低费用。
常规的数字图像压缩标准有JPEG标准和MPEG标准，前者用于静态图像压缩，后者用于动态图像压缩。压缩原理主要是识别和删除三种数据冗余，即编码冗余、像素间冗馀和视觉冗余。消除编码冗余的方法是将像素样本出现概率高的赋以短码，概率低的则赋以长码。像素间冗余是基于相邻像素间、相邻行间和相邻帧间都存在较强的相关性，因此消除像素间冗余的方法就是某一像素的值可由其相邻像素的值推演出来。视觉冗馀是基于人眼分辨率较低及视觉的心理特征，不易察觉图像一定程度的失真，从而可以对图像进行相应的压缩。
视频信号处理技术发展异常迅速，不论是新的算法还是新的硬件都在不断涌现，这为遥视技术的运用提供了广阔的前景。
2 遥视警戒系统的系统结构
图2.1是贵阳500KV变电站（干田变）安装的SID-9D型遥视警戒系统的一个实例结构图。图2.1中左上角是安装在变电站中控室的系统设备，核心是一台多媒体计算机，它接受来自视频切换器的视频信号，所有摄像机的视频信号都经视频电缆或光缆汇集到视频切换器的N个输入端。视频切换器受控于多媒体计算机的RS-232串行接口，用以从N个摄像机中选出其中一个摄像机的视频信号，然后在多媒体计算机中进行数字化及相应的处理，并通过调制解调器Modem或网卡经由通道（电话网、微波、光缆等）传送到远方的调度中心。多媒体计算机的另一个RS-232串行接口经RS-232/RS-485接口转换器转换后形成RS-485现场控制总线（屏蔽双绞线），在RS-485总线上挂接一定数量（最多可达255个）的一体化快速球型数字摄像机及可编程控制器。多媒体计算机除了完成视频信号的变换和处理外，还可对一体化球型摄像机的方位（上、下、左、右）、光学参数（光圈、聚焦、焦距）进行控制。并能对每个一体化球型摄像机预置64个监视目标（最近还推出了能预置255个目标的产品）。这些监视目标可在当地和远方的多媒体计算机上进行快速调用。对于监视小范围内的单一目标则使用带自动光圈的广角固定摄像机，这样能大大降低系统造价。所有摄像机的电源都在电站现场就近取得（220V交流电源或直流电源均可），为保证在电站停电时遥视警戒系统仍能正常运行，系统所有部件均设计成交、直流两用型，建议用直流电源，以便在变电站突然停电时仍可监控现场。
在RS-485现场总线上挂接的可编程控制器PLC是用以接入为防盗、消防设施布置在现场的传感器，以及控制启动消防、警铃、扩音设备及开、关现场照明电源。在进行软件设计时把每个传感器与其相关的已预置的现场画面都进行一一对应的组态，从而实现当任一传感器启动时都自动调出对应现场画面。不难看出本系统是一个双重化系统，监控中心值班人员对突发性事件的处理依据是现场实时画面，而不是传感器的动作信号，因而彻底地杜绝了误处理的可能。
图2.2是监控中心遥视警戒系统的配置图:
监控中心只需一台配有Modom或相应软件的多媒体计算机即可。
3 遥视警戒系统必备的基本功能
作者在电力系统实施遥视警戒系统的实践始于1994年，在实施不同方案的过程中，我们从用户那里获得了很多有益的建议，从而为认识这项技术的真正内涵，及不断提高技术水平打下了基础，概括起来，遥视警戒系统应具备以下基本功能。
3.1 图像远传功能
摄像机所获取的现场景象信号经多媒体计算机进行数字化后使图像远传变得轻而易举，但必须运用有效的算法进行处理,以保图像远传的逼真。
3.2 遥视系统要能灵活地与不同信道匹配
数字信号是以串行方式在信道上传输的，因此不可避免会因信道的带宽不同导致图像信号传输速度的差异。例如在一般公用电话网（PSTN）上传送，其传输平均速度约为1帧/秒，在数据通讯网（DDN）上传送约为6-8帧/秒，而在光纤网上传送则可达30帧/秒。遥视系统在通讯软件及硬件的设计上要考虑能灵活地和不同带宽的信道匹配，以适应用户的需要。
3.3 遥视系统要同时具备当地及远方控制功能
顾名思义，遥视系统是由大量的被监控电站和一定数量的监控中心组成的图像信息系统。它应具备以下功能：
3.3.1 电站当地监视及记录(录像)功能。
3.3.2 电站当地设置参数、改变工作方式及搜索目标功能。
3.3.3 监控中心监视及记录(录像)功能。
3.3.4 监控中心设置全部被监视电站的系统参数，改变工作方式及搜索目标的功能。
3.4 具备检测现场发生突发性异常事件的自动报警和处置事件功能
仅能在监控中心看到现场情景远不是遥视系统的主要目的，人们关心的是在无人值守的现场发生突发性异常事件时，监控中心的值班人员应能马上知道，并从监视器上看到现场的图像，进行判断，在必要时通过遥控手段远方启动相应的消防或驱盗设施。
3.5 具备广阔且无死角的监视空间
这对于无人值守的现场特别重要，如果在监视区内的死角出现异常事件而不能发现，有时将导致严重后果。
3.6 快速调出现场画面的功能
常规的工业电视系统使用的摄像机虽可通过控制云台及可调镜头去搜索所需目标，但搜索速度极低，无法适应紧急情况的监控需要。同时由于信道频带宽度较窄时（例如电话线），由现场发往监控中心的图像会出现滞后，这就为在监控中心调节现场图像的清晰度带来很大的困难，甚至在监控中心无法看到清晰的图像。因此，在电站现场必须采用高速可预置目标的一体化球型摄像机，以便监控中心在大量的预置目标中快速调出所需目标图像。
3.7 具备与常规消防、防盗安全系统接口的功能
遥视警戒系统的报警功能实际上是将视频数字信号经过一定的算法处理后实现的，理论上可设置任意灵敏度的报警阈值，无需再安装其它传感器（例如温感、烟感、红外等传感器）。这些传感器发生误动的概率较大，且由于引起传感器动作时灾害已经难以扑灭了。当然也可采用视频报警及传感器报警的双重化遥视警戒系统，由于两者的结合可彻底杜绝传感器误动引起的恶果。因在软件上可方便地实现传感器与摄像机预置画面的组态，也就是在某传感器起动时同时调出相关的现场图像，作为值班人员遥控处理事件的可靠依据。
3.8 具备足够长的录像容量
录像功能是遥视警戒系统的必备功能，因人们不仅要求在需要时能记录现场的情景，更要求在发生异常事件时能作为分析事故的依据。以往用录像带录象显然是不可取的，因其不仅记录时间有限，而且检索困难。用计算机大容量硬盘是很容易做到长时间录像的。
3.9 具备对警戒现场的画面实现划定报警区的布防功能
虽然被监视的绝大部分电站是无人的，也就是说现场的被监视对象都是不可动的设备，从而可通过前后相继两帧画面的图像数据变化作为报警的依据。但也不排斥在现场某些区域会出现可动物体，因此遥视警戒系统应具备布防功能，以排除画面上那些不需警戒的区域。
3.10 遥视系统要具备足够的过电压保护措施。
3.11 遥视警戒系统应具有纳入管理信息系统（MIS）的条件
这一要求的实现将使MIS功能大幅度提升，电站现场的历史和当前图像无疑有助于提高管理水平和分析事故。当然，应予指出，由于图像资料所需存贮容量远大于一般信息，因此，如何合理的使用MIS资源是需要认真研究的。
3.12 友好的人机界面
4 程控高速一体化球型数字摄像机
常规摄像机，包括具备云台及镜头可控的摄像机都不能支持遥视警戒系统，其主要缺点是动作缓慢，监视覆盖面有死区。动作缓慢导致在远方的监控中心难以快速地捕捉目标及清晰的图像。监视面窄导致要使用大量摄像机才能实现对现场无死区及无微不至的监视。
程控高速一体化球型摄像机，将具备通讯及控制功能的微处理器、高速数控云台、数控镜头及恒温恒湿部件揉合在一齐。它不仅没有视角死区，而且还具备高速（1秒钟之内）捕捉目标的功能。一体化球型摄像机实际上是一个可由计算机经现场总线控制的智能化图像终端，在计算机的控制下它能以每秒420°的速度水平连续旋转，以每秒90°的速度垂直旋转。同时其镜头具备96倍的变焦能力（目前已有128变焦的产品），因此摄像机可以监视其安装点下方的广阔空间，以及很远的目标。
一体化球型摄像机最可贵的特点是具备监视点预置功能，可以通过计算机的RS-485控制总线对摄像预置64～255个监视点的方位及光学参数。这样不论是在当地或远方的多媒体计算机上，仅需给出预置点的编号就可在1秒钟内获得清晰的目标图像。这就为快速调用现场目标图像提供了可能，而且彻底消除了在远方控制常规摄像机因信道传输图像滞后所带来的无法获取清晰图像的弊端。摄像机预置点可以任意修改。不难看到一体化球型摄像机的监视点是64个（或255个）已知预置点和无穷个随机点。其覆盖面之广是常规摄像机完全不可比拟的。
由于一体化球型摄像机具有可预置监视点的功能，使得为实现遥视警戒系统对现场的有效监视提供了可能。例如，从64个（或255个）预置点中挑出人们最关心的N个点组成一个定时巡视序列；在64个预置点中选出M个点作为报警监视点，剩下的（64-M）个点为一般监视点，前者不断地巡回监视，后者则在需要时调用；将预置画面与传感器挂上钩，当某个传感器动作时立即调出相应的预置点画面。人们还可以设计更多实用的功能。
从图4.2中看出，在RS-485现场总线上不仅挂接有一体化摄像机，还挂有若干个可编程控制器。可编程控制器也安装在现场，接入有关传感器，并控制相应的消防及警号设备。挂接球型摄像机和可编程控制器的总数可达255个。
5 SID-9D遥视警戒系统性能描述
SID-9D遥视警戒系统使用全中文Windows95或Windows98界面,可通过电话线,64K DDN专线、扩频或光纤等传输介质传送图像和控制信号。还可在电站或监控中心完成对现场快速一体化球型摄像机的控制、监视点预置、视频报警参数设置、录像设置、录像回放、保安及消防传感器与预置监视点画面的组态等操作。还可在监控中心遥控电站的消防、驱盗、照明、电动阀门等设备。系统报警时可自动拨叫原预置的有关人员的BP机和电话，并自动存贮事件现场图像和将图像传送到监控中心。
下面将简要介绍SID-9D系统的性能，操作员主要使用鼠标在全中文视窗平台上进行工作。
5.1 发送端（电站端）说明
发送端的主要操作有本地预置、本地监控、报警设置、回放录像、双方通话、电话管理、监控注释、退出系统、修改密码。现分述如下：
5.1.1 本地预置
用以选择球型摄像机的方位及光学参数受控时的响应速度、动作方式(受控时是连续动作还是点动动作)；通过用鼠标对摄像机进行“远”、“近”、“聚”、“散”、“亮”、“暗”、“上”、“下”、“左”、“右”的控制寻找预置监视点，并定义预置点名称（12个汉字）及编号（1—64）。
5.1.2 本地监控
用以在电站的全部球型摄像机及固定摄像机中选出人们经常巡视的监视点，组合成一个巡视轮回序列。不断的循环往复给监控中心(也可同时在电站)提供这些画面，每个画面的停留时间可在1～99秒范围内设定。应该指出整个系统可选择的预先确定的监视点总数P可用下式表示：
Ｐ＝ ＫＩ＋Ｆ
Ｉ—— 一体化球型摄像机总数
Ｆ—— 固定摄像机总数
Ｋ—— 一体化球型摄像机的额定预置点数(64个或225个)
5.1.3 报警设置
用以在P个监视点中选择M个监视点作为报警点，同时选定报警灵敏度（分高、中、低三档），图像分辨率（分320*240和640*480两档）及图像质量（分一般、较好、最好三档）。还要选择在报警过程中向监控中心传送画面的幅数。应该指出，报警点的选择不宜太多，轮回巡视的时间间隔尽量短，这样才能提高报警的实时性。
5.1.4 回放录像
用以选择过去系统报警时在硬盘中保存的事故现场录像。每个文件名有4位文件序号及图像文件标识组成，并可在内存列表。调用文件时都会提示该录像文件的开始时间(年、月、日、时、分、秒)及结束时间。本操作还可选择回放速度（分高速、中速和低速三档）也可删除某些录像文件。
5.1.5 双方通话
用以结束图像传送，进行电站端与监控中心端的通话。
5.1.6 电话管理
用以设置在发生报警时电站端自动拨打监控中心端的电话及传呼机号码，以便向接收端传送图像和通知主管人员（传呼机机主）。在计算机中设置的传呼机号码（自动台）只有一个，而电话号码的数量不限。发生报警时系统在呼叫传呼机后就自动拨打第一个电话号码，如在30秒内握手不成功，将自动拨打第二个电话，依此类推。当某个电话号码握手成功后即开始传送图像。
5.1.7 监控点注释
用以列出或修改各监视点的名称。
5.1.8 退出
用以退出系统，返回Windows状态。
5.1.9 修改密码
由于多媒体计算机上电后即自动进入发送程序，但只有在操作员输入口令及密码后才能开始工作。本功能是用以删除旧密码，输入新密码。
5.2 接收端(监控中心)说明
接收端的主要操作有快球预置、远程监控、通话、回放录像、遥取文件、电话管理、监控点注释、发送注释和接收注释、退出系统、修改密码。现分述如下：
快球(一体化球型摄像机简称)预置与发送端的“本地预置”功能相同，主要考虑当发送端无人值班时，接收端还可对发送端进行监视点的预置。远程监控与发送端的“本地监控”功能相同。
通话、回放录像、电话管理、监控点注释、退出系统、修改密码都与发送端相同。遥取文件用以遥取以往在发送端保存下来的报警录像文件，也可进行文件删除。
发送注释和接收注释用以实现接收端和发送端对监视点名称注释的同一性。执行“发送注释”功能时，将使监视点名称一律以接收端的定义为准。反之，执行“接收注释”功能时则以发送端的定义为准。
6 结束语
作者以为遥视警戒系统显而易见是电力系统自动化不可或缺的手段，它不仅有助于水电站和变电站实现无人值班、无人值守，还可以解决好些生产过程中的难题，而这一系统并不会产生危及生产的不安全因素。工业电视系统是完全和“无人值班”这一目的相悖的，然而我们的电站还在按规程的要求不断地上工业电视系统。试问，一个没有人值班的电站，谁去看工业电视。
火电厂的输煤系统是少不了工业电视系统的，因为人们需要及时发现输煤皮带折断、跑偏、断煤。但是我们又如何能让监视工业电视的值班人员连续八小时目不转晴的盯着监视器呢？因此常常在发生事故很久后才被发现。然而用遥视警戒系统不仅只用少量的一体化球型摄像机就能进行大面积的监视，而且还可以把输煤系统的有关张力、重量、红外等传感器接入遥视系统。这样当发生故障时值班人员可立即收到报警信息（语音和故障点图像），从而避免事故扩大产生更为严重的后果。而值班人员平常并不需要去盯着监视器。
随着无人值班的电站日益增多，在监控中心实行对电站的遥控操作也会越来越多。然而由于电器质量的原因，例如，电动隔离开关的触头是否真实到位，常常是在执行操作前必须确认的。又如执行某项操作必须以另一个或几个电器处在规定的状态为前提。诸如此类的需要，依靠遥视系统在进行某项操作前自动调出相关电器状态的图像就轻而易举解决了，而无需派人前往现场核实。
随着计算机硬软件技术、多媒体技术、通讯技术的高速发展，以及电力系统的通讯环境不断改善，光纤的应用越来越广，遥视警戒系统的应用环境也越来越好。加之遥视警戒系统无论是造价还是性能都远远优于工业电视系统，而且随着用户需求的改变或增加，可以靠软件升级来满足，无需更换设备，这是工业电视系统不可能做到的。可以预计，遥视警戒系统将会越来越广泛的深入到更多的领域。
基于对电力系统自动化发展方向的预测，基于对电力生产过程中难以解决问题的思考，作者认为在电力系统推广使用遥视警戒系统已事不迟宜了。
作者简介：
叶念国 男 教授 长期从事电力系统自动化的教学研究工作 深圳市政府科技顾问，武汉大学电气工程学院兼职教授，深圳市国立智能电力科技有限公司董事长。