基于3G網(wǎng)絡(luò)的電力鐵塔無(wú)線視頻監(jiān)控實(shí)現(xiàn)方法

劉 濤

（太原供電分公司，山西 太原 030012）

1 概述

電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行至關(guān)重要，目前已成為電網(wǎng)必要輔助系統(tǒng)之一。電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)包含室內(nèi)監(jiān)控與室外監(jiān)控，廣泛用于生產(chǎn)運(yùn)行、檢測(cè)檢修、應(yīng)急指揮等方面。室內(nèi)監(jiān)控主要是指監(jiān)控場(chǎng)所位于變電站、調(diào)度中心等室內(nèi)；室外監(jiān)控是指監(jiān)控場(chǎng)所位于高壓鐵塔、輸電線路等電網(wǎng)的線路部分。電力鐵塔無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有顯著的實(shí)際意義，可應(yīng)用于電網(wǎng)（包括高壓、超高壓、特高壓）中絕大部分線路，有效的提高電網(wǎng)特別是無(wú)人區(qū)域電網(wǎng)工作狀況的自動(dòng)化遙視監(jiān)控程度，增強(qiáng)工作人員對(duì)電網(wǎng)的維護(hù)效率及其故障的分析、診斷能力。同時(shí)，該系統(tǒng)的采用也可使工作人員能及時(shí)應(yīng)對(duì)鐵塔的人為破壞等問(wèn)題。

室內(nèi)監(jiān)控由于具備穩(wěn)定的電源供應(yīng)以及專用的通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)較為容易，目前也已具備成熟的方案；室外由于不具備電源和通信網(wǎng)絡(luò)兩個(gè)基礎(chǔ)條件，因此實(shí)現(xiàn)較復(fù)雜尚處于實(shí)驗(yàn)探索階段。

隨著無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和太陽(yáng)能電池技術(shù)的進(jìn)步和普及，針對(duì)電力鐵塔的視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐步成熟，逐步從實(shí)驗(yàn)室走向大規(guī)模部署的階段。文章首先分析了電力鐵塔無(wú)線視頻監(jiān)控中的現(xiàn)狀和特殊性；其次提出了針對(duì)室外視頻監(jiān)控特殊性的完整解決方案；最后也對(duì)電力鐵塔視頻監(jiān)控的發(fā)展趨勢(shì)作出了展望。

2 鐵塔視頻監(jiān)控的特點(diǎn)

電力鐵塔視頻監(jiān)控屬于室外視頻監(jiān)控范疇，主要具備兩個(gè)特點(diǎn)：無(wú)源性和無(wú)線性。

2.1 無(wú)源性

無(wú)源性，即電源需要自給室外監(jiān)控面臨的首要技術(shù)難題是電源的提供。目前常見(jiàn)的解決方案包括外接電源供電、高壓感應(yīng)電源供電和太陽(yáng)能供電3種方式。其中外接電源有較強(qiáng)的地域限制，基本不符合室外監(jiān)控的實(shí)際情況。高壓感應(yīng)電源供電所需設(shè)備體積較大，安裝復(fù)雜，最大的局限性在于需要接觸原有高壓導(dǎo)線，有可能對(duì)電網(wǎng)正常運(yùn)行造成潛在影響。太陽(yáng)能供電的優(yōu)點(diǎn)在于運(yùn)行獨(dú)立，安裝簡(jiǎn)便，不用鋪設(shè)任何額外的電纜，不影響線路本身的正常工作和運(yùn)轉(zhuǎn)，裝配簡(jiǎn)單，易維護(hù)，但是其局限在于受天氣情況影響較大，并且功率較低，無(wú)法支持較大設(shè)備長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

2.2 無(wú)線性

無(wú)線性，即通信采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。室外視頻監(jiān)控由于成本原因通常無(wú)法單獨(dú)鋪設(shè)光纖進(jìn)行通信，因此通常采用無(wú)線通訊的方式。常見(jiàn)方式包括采用民用通信網(wǎng)絡(luò)或采用微波通訊。前者使用三大運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)架設(shè)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，優(yōu)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)成，通信功耗低，缺點(diǎn)是帶寬小。自己架設(shè)微波通訊，優(yōu)點(diǎn)是帶寬大，缺點(diǎn)是需要自己組網(wǎng)并且功耗高。

3 無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的原理與組成

針對(duì)無(wú)源性和無(wú)線性兩個(gè)特點(diǎn)，文章采用太陽(yáng)能供電模式和第三代移動(dòng)通信（以下簡(jiǎn)稱3G）網(wǎng)絡(luò)作為數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)，H.264技術(shù)作為視頻編解碼算法，提供一種室外電力鐵塔視頻監(jiān)控的解決方案。

整個(gè)鐵塔無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括3部分，分別是監(jiān)控終端、服務(wù)器端和客戶端。監(jiān)控終端部署在鐵塔上，用于視頻信息的采集編碼，并通過(guò)3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)將視頻信號(hào)傳至服務(wù)器端。服務(wù)器端接收各個(gè)監(jiān)控終端傳回的視頻信號(hào)，并進(jìn)行終端設(shè)置管理與視頻錄像儲(chǔ)存的功能?？蛻舳颂峁┙o工作人員用于實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。服務(wù)器端和客戶端與室內(nèi)視頻監(jiān)控系統(tǒng)相同，因此不作詳細(xì)說(shuō)明。文章重點(diǎn)解釋電力鐵塔監(jiān)控終端的原理與組成。

圖1 鐵塔無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)組成

電力鐵塔監(jiān)控終端由3個(gè)模塊組成：視頻模塊、3G無(wú)線傳輸模塊和太陽(yáng)能供電系統(tǒng)。監(jiān)控終端的基本工作原理是視頻模塊負(fù)責(zé)對(duì)視頻信息進(jìn)行采集、編碼，然后接入3G網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)TCP/IP協(xié)議將壓縮編碼后的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸?shù)椒?wù)器端。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)監(jiān)控終端的電源供應(yīng)。

視頻模塊包括攝像機(jī)，視頻編碼模塊。視頻編解碼采用H.264編碼技術(shù)。較之于MPEG-4，H.26x等編碼技術(shù)而言，H.264在低帶寬環(huán)境下有著更出色的表現(xiàn)。此外視頻編碼和傳輸還采用動(dòng)態(tài)服務(wù)質(zhì)量（Qos）控制功能，可依據(jù)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶寬的時(shí)變情況自適應(yīng)調(diào)整視頻編碼及網(wǎng)絡(luò)傳輸參數(shù)。

3G無(wú)線傳輸模塊采用網(wǎng)絡(luò)通信廠商的3G網(wǎng)絡(luò)傳輸板卡。自從2009年3G牌照發(fā)放以來(lái)，3G網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)建設(shè)已經(jīng)歷時(shí)兩年。按照工信部指導(dǎo)意見(jiàn)預(yù)計(jì)到2011年底，3G網(wǎng)絡(luò)將覆蓋全國(guó)所有地級(jí)以上城市，以及大部分的縣、鄉(xiāng)、主要高速公路和景區(qū)。3G網(wǎng)絡(luò)的建成不僅能夠滿足個(gè)人無(wú)線通訊日益增長(zhǎng)的需求，也可部分用于電力系統(tǒng)監(jiān)控信號(hào)傳輸需要，尤其是用于室外高壓鐵塔的視頻監(jiān)控需求。以WCDMA網(wǎng)絡(luò)為例，傳統(tǒng)WCDMA網(wǎng)絡(luò)理論上數(shù)據(jù)傳輸速率最高是2Mbit/s，中國(guó)聯(lián)通采用HSPA+增強(qiáng)技術(shù)后，理論下行速率為7.2Mbps，其理論上行速率為5.76 Mbps。根據(jù)實(shí)際測(cè)試，靜止條件下，上行速率在0.7～1.5 Mbps。為了適應(yīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶寬窄傳輸不穩(wěn)定的特點(diǎn)，視頻壓縮采用H264編碼技術(shù)，CIF（355*288）格式圖像，20 幀 /s，碼率可以壓縮到 256 kbps。利用WCDMA網(wǎng)絡(luò)，基本可以實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控需求。

太陽(yáng)能供電系統(tǒng)主要由太陽(yáng)能電池板、控制器、定時(shí)器和蓄電池構(gòu)成。控制器用于存放電控制，定時(shí)器可以控制系統(tǒng)運(yùn)行的時(shí)間。由于太陽(yáng)能供電功率較低，因此通常用于指定時(shí)間段的監(jiān)控需求，需要定時(shí)器來(lái)進(jìn)行時(shí)間開(kāi)關(guān)控制。太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的成熟應(yīng)用也為室外的穩(wěn)定供電提供了可行性。通過(guò)多晶硅太陽(yáng)能電池板搭配蓄電池的供電模式可以提供每天工作8 h的所需電力。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于3G網(wǎng)絡(luò)和太陽(yáng)能供電系統(tǒng)的電力鐵塔無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)也存在一定的局限性。比如受限于3G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)速度，以及與民用共享網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)的對(duì)網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的干擾，太陽(yáng)能供電導(dǎo)致的易受天氣影響等問(wèn)題。這些問(wèn)題一方面隨著網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和太陽(yáng)能組件的進(jìn)步獲得解決；另一方面也可以通過(guò)視頻編解碼技術(shù)的不斷進(jìn)步以及采用更低功耗的元器件來(lái)彌補(bǔ)。

電力鐵塔無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)由于具備了獨(dú)立的供電系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，因此可以進(jìn)行靈活的擴(kuò)展，可以方便的將鐵塔傾斜角度、高壓線路溫度等數(shù)據(jù)的監(jiān)控集成進(jìn)系統(tǒng)內(nèi)，使得單獨(dú)的一個(gè)電力鐵塔監(jiān)控終端可以完成綜合全面的監(jiān)控需求，從而施展更大的作用。

[1]孫鳳杰等，2005：《遠(yuǎn)程數(shù)字視頻監(jiān)控與圖像識(shí)別技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用》，《電網(wǎng)技術(shù)》，第29卷第5期.

[2]崔燕明等，2010：《電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及接口技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》，《電力系統(tǒng)自動(dòng)化》，第34卷第20期.

[3]朱秀：《數(shù)字圖像處理與圖像通信》，北京，北京郵電大學(xué)出版社，2002.