电力线路无线远程监控系统的研究.pdf

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1、电力线路无线远程监控系统的研究张健(湖南湘西电业局,湖南 吉首416000)摘要:提出一种利用基于5.8 GHz频段无线宽带网络来实现电力线路远程图像、数据采集和远程控制的可行性方案,为解决供电企业对骨干电网的运行状况可视性远程观测提供了具体的实现方法和过程。关键词:5.8 GHz;无线宽带;电力线路远程监控中图分类号:TP393文献标识码:A文章编号:100820198(2006)S120024206Study on wireless remote mon itoring system on electric linesZHANG Jian(Information Center of Xia

2、ngxi Electric Pow er Bureau,Jishou 416000,China)Abstract:This paper presents a feasible solution that uses 5.8 GHzw irelessw ide bandnetwork to i mplement remote i mages,data collection and remote control on electriclines.The solution presents a practicalmeans and process for pow er supply enterpris

3、esto remote monitor operation status of framework electric network.Keywords:5.8 GHz;w irelessw ide band;remote monitoring;electric lines收稿日期:20052092220引言随着社会和科技水平的日益提高,作为国家经济发展动脉的供电企业对自身运行管理的要求也在日益提高,而新技术新手段的产生也为这种需求提供了实现的可能性。顾名思义,监控即监视与控制。从简单常见的自动投币公交车上司机对后门的监控装置,普通住宅楼道的可视门控系统,小区保安监控,超市监视,以及更大一些的城

4、市道路交通指挥监管,银行保安监控,甚至美国的火星探测系统,都属于监控系统的范畴。监控系统的类型和用处各不相同,技术难度差距很大,但基本的系统组成是相同的,都必须包括4个基本功能部分,即:摄像?拾音、信号传输与通讯、图像?声音再现、遥控,按照它们各自安装位置的差异,可以分为监控终端、传输网络和监控中心。文中将针对实现过程中这3个部分逐一分析。1系统整体设计实现无线远程监控系统是系统而全面的工作,每个环节都必须采用最合理最合适的技术手段,每个细节都应该考虑周全,这样才能在稳定、安全、可靠的前提下实现最经济适用的系统。图1所构建的就是完整的监控系统网络拓扑图,它是一个基于IP网络架构构建起来的图像传

5、输控制网络,是一个真正意义上的数字化视频监控系统。首先,在整个系统的监控终端(即监控对象端),监控图像的编码、压缩和传输都要做到无人化和自动化,这需要对整个过程进行有效的控制,同时对所采集图像的高清晰度和低失真率有所保证。采用高清晰摄像机单元(Camera unit)和视频编码湖南电力第26卷?2006年信息增刊压缩单元相结合可以将采集、编码、压缩和控制过程实现完全的远程自动化。在电力线路远程监控实现的过程中,它们被整合安装在电力线路杆塔所在位置的合适地点,同时被安装的还有传输单元和动力单元。根据现场情况的差异,安装的方式各有不同,不一一详述。通过采集单元和编码压缩单元的图像数据,可以通过接下

6、来的传输单元进入监控系统的IP网络中,这就是传输网络部分。通过传输网络部分的处理后,图像数据被系统服务器(V ideo Server)分配存储至存储服务器(A rchive Server),供给有需求的用户利用本地网络资源访问。对于电力线路远程监控系统这样的大型系统来说,仅仅建立一个监控中心会因为地理位置的限制而带来监控能力的降低,如图1建立监控分图1电力线路监控系统网络拓扑图中心是解决这个问题的最好手段。同时对于多个监控分中心和大量高清晰摄像机单元的数据存储,建立多台存储服务器(Romote A rchive Server)也是必要的,它起到平衡负载、保障数据安全的作用,系统服务器需进行目录

7、服务(D irectory Server)和In2ternet视频传输服务(I V S),用于管理用户登陆和视频流转发,对于小型监控分中心,系统服务和存储服务可以在同一台服务器上。大型的监控中心中为实时监控,需要利用电视墙来重点监控和轮巡观察现场状况,有条件建立电视墙进行监控的地点还需配置视频解码单元来进行数字信号转模拟信号的过程。整个远程监控系统基本已经实现,物理连接图如图2所示(以SmartSight系列产品为例)。图2电力线路远程监控系统物理连接图2传输网络在目前远程监控系统的建设中,图像、声音和控 制信号的传输方式都是通过电话线,ISDN,DDN,A SDL等有线通信网络来传输的,无线

8、传输方式采用得非常少,由于电力线路呈导线状分布,各监控点的布置是非常分散的,且需要监控的电力线路杆塔均处于露天状态,近距离的监控及有线监控易受到人为破坏,无论是位于人口密集区域还是位于偏僻地区的监控点均存在不同方面的布线施工难度。无线宽带接入可以有效地解决有线网络的以上问题,它利用电磁波在空气中发送和接受数据,而无需线缆介质。普通无线网络连接的数据传输速率可以达到11M bps,传输距离可远至20 km,5.8 GHz无线网络传输因设备而异,数据传输速率可以达到20M bps以上,传输距离可以达到60 km。无线联网方式能快速、方便的解决施工难度问题。在电力线路远程监控系统中,无线宽带联网的方

9、式无疑是快速、便捷、最安全高效的数据传输方式。在系统实现中,以试用的MOTO Canopy设备52第26卷?2006年信息增刊湖南电力为例,所有监控终端侧需安装1台无线宽带接入设备Canopy SM,该设备于视频编码单元共同接入监控终端侧的小型二层交换机,同时安装在监控终端测的还有传输天线的配件,如浪涌抑制器(SS)等,需要增加传输距离时,还可加装反射天线。在各监控点共同能够到达,通视情况良好的地理高点建设接入基站,用于接入附近16 km内所有可通视的监控点。在野外可以人工建设高杆,市区可以选择高层建筑物,按需求在这里架设一个3606扇区Canopy A P或者低于6个的扇区接入覆盖面,然后利

10、用回传模块Canopy BH来连接监控中心和基站,其传输距离可以达到32 km,在监控基站6扇区覆盖的时候,需要部署集群管理模块(CMM)来集中管理6个A P和1个BH,CMM还会通过外接GPS天线和内置的GPS模块为系统提供精确的时钟脉冲,保证系统各部件步调一致。基站与监控中心之间利用Canopy BH进行数据通信,将接收的数据直接送入本地网络,由视频管理和存储服务器来完成其它工作。图3图像信号无线传输连接示意图图3所示为视频数据无线传输的通道示意图。A点即监控中心,B点即基站,而C点即为监控点,在实际的实现中,C点的数量分布都将按实际需要决定。参照前述的3个示意图,一个无线监控系统的简单模

11、型已经建立。3实施中的问题3.1动力电源正常的情况下,动力电源不会是系统建设实现的问题。市区内的监控点和监控基站可以通过接入市电来实现,基站部分可以通过U PS不间断电源来实现短时间的动力供给,偏僻区域可以就近寻找照明电源和U PS来保障设备的运行。但不排除一种特殊的情况,即在野外高压线路不途经生产生活区域的情况下,如何来供给设备电源。针对这种情况,可以考虑采用太阳能电池来解决动力电源供给的可能。如节2所述,监控点测试安装的设备有高清晰摄像机1台,编码压缩单元1台,无线传输设备1台及小型交换机1台,其正常工作的重要指标电压需求与功率消耗如表1所示。同时列出常用太阳能电池在这方面的供给能力。表1

12、监控点设备正常工作指标摄像机编码压缩器无线传输设备交换机太阳能电池电压指标12VDC10%12VDC10%3A 24VDC5.5VAC1217VDC功率指标?W 5 6 2 100.1120根据表1可知,通过选用低功耗设备、改变太阳能电池的类型、容量和电池板的标准,完全可以供给监控点设备运行的动力需要,而小型交换机工作所需的低压交流电源可以通过直流到交流逆变的手段实现,选用高储能高性能电池避开阴雨天气影响,保障设备供电的稳定运行。3.2自然现象破坏自然破坏包括暴雨、雷击、冰雹等破坏性天气现象,同时也包含日积月累的高低温度、灰尘、污染气体等侵蚀性破坏,这些因素对安装在室外的设备均存在不同程度的破

13、坏,因此在设计安装中必须谨慎周全考虑其可能带来的影响,采取相应的保护措施和经破坏性测试合格的设备。譬如对摄像机采用保护性球型护罩,对解码单元和交换设备采用箱体统一安装,对室外传输设备和太阳能电池板选用高低温度变化、水浸、冰雹冲击等试验合格的设备。这样从很大程度上可以保障系统的安全稳定运行。3.3信号衰减与无线电波干扰5.8 GHz频段微波大气衰耗为每10 km仅0.1 dB,在无线传输领域是最低的,信号的衰减对数据传输的影响可以忽略不计。在电波干扰方面,目前主要采用的无线解决方案的载干比均在8 dB以上,测试中采用的MOTO622006No.S1HUNAN EL ECTR IC POW ERV

14、ol.26Canopy系列设备的载干比则低于3 dB,一般额定C?I值根据不同参数测试均在2 dB左右,可以说这样的无线传输通道是“健壮”的,因为它利用较低的载扰比门限提供给系统以稳定运行的可能。3.4数据传输安全性无线宽带数据传输的安全性定义包括3个方面,所有的保护?加密技术都围绕这3方面来进行。首先是“数据的安全性定义”(Confidentiality),意指无线局域网传输的信息不会被未经授权的用户获取,主要通过各种数据加密的方式来实现;其次是“数据的完整性定义”(Integrity),指的是数据在传输的过程中不会被修改、删除等,主要通过数据校验技术来实现;最后是“数据来源的真实性定义”(

15、A uthenticity),它代表了数据来源的可靠性,也就是说合法用户的身份不会被非法用户所冒充。目前,无线局域网的加密技术已不再限于“MAC地址过滤”、“W EP”等传统方式。各种基于802.11 g标准的无线网络产品在安全性上均有很大的提高。其中就有W i-Fi原本应用在802.11 i上的W PA(WLAN Protected A ccess)加密,W PA中通过TK IP将密钥的初始向量增加到48位,而且可以使用动态产生的多组密钥,因此能大大减少非法用户窃取数据包的机会。同时,W PA也增强了加密数据的完整性,不再采用线性算法对数据帧进行校验。除此之外,一些品牌无线设备厂商在安全性方

16、面也相继开发出各种“非标准”加密技术来完善自己的产品。这些加密措施不仅技术先进,而且使用方便。5.8 GHz无线宽带工作在非许可的U-N II频段中标,窃听和解码的几率大大降低,同时在系统中利用如C ISCO ACS一类的安全审计工具来建立严格的用户接入审计系统也可以加强传输数据的安全。3.5系统同步系统同步可以消除系统内各组件相互之间的干扰,尤其是无线传输基站设备各模块之间的自干扰。在系统中可以利用添加GPS天线和模块来保持系统同步,提高系统扩大覆盖和增加容量时的快速、灵活和稳定性,保持系统内所有基站处于同一个工作频点。3.6监控视频流数据共享这个问题主要用于除监控中心以外其它用户对监控视频

17、有查阅需求的情况。可以利用服务器多播(A rchiveM ulticast)的方式来实现这种需求,即监控点摄像机以单播(Singlecast)方式将视频流通过传输网络送到监控中心服务器端,服务器再将视频流以多播(M ulticast)方式传输至需求用户。3.7视频流数据传输质量保证数据质量的关键技术在于音视频压缩、网络传输和二级转发等。通常视频软件直接采用M PEG4视频压缩技术和G7x系列音频压缩技术;硬件采用H263视频压缩和G7x音频压缩技术,其通信协议采用H.323标准,再通过基于IP网络技术的视频压缩编码设备转换为可以在IP网络上传输的数据流,要得到较好的视频质量,基本带宽要求在64

18、 K1.2M之间,VCD画面质量的数据流传输推荐带宽在384 Kbps以上,5.8 G无线传输设备的数据传输带宽在1054M bps之间,通过多路复用技术可在理论上无限扩展,完全满足视频数据传输的需要。4系统建设投资分析系统建设投资需要具体问题具体考虑,不同的环境带来的投资费用会有一定差异,在这里假设对1条高压输电线路进行10个点的远程监控,10点数据共享1个传输基站,基站数据回传至监控中心,不采用电视墙而仅仅使用监控终端计算机进行远程监控,仅仅采集图像数据,各监控点分布于基站附近 10 km的半径内,地形为 级山地。在主要设备选型上,以远程摄像机采用Sam2Sung Techw in系列产品

19、,视频编码压缩解码设备采用SmartSight系列产品,传输设备、基站设备采用M oto Canopy系列产品为例。本节仅列出所采用的设备市场参考价格,不计算列举施工费、材料费和其它工程建设附加费用。4.1远程监控点安装于预先选定的监控点位置,即需远程监控的杆塔位置上或附近合适位置(见表2)。根据现场实际情况的差异,建设1个监控点的设备费用大约在37 00070 000元人民币之间,按20%计算施工、材料费用后,估算每个监控点的建设投资在50 00090 000元人民币,可以就近接入动力电源的监控点将节约20%左右的费用。4.2数据传输基站安装于预先选定全部监控点通视条件良好的地72第26卷?

20、2006年信息增刊湖南电力表2远程监控系统建设设备投资情况设备名称品牌型号数量用途参考单价?元主要设备摄像机SAM SUNG1台数据采集3 0006 000编码压缩器SmartSight1台视频编码压缩1 5006 000交换机1台IP网络连接100(可用HUB代替)无线传输设备Motorola SM1套数据传输11 00015 000主要配件云台SAM SUNG1个控制监控方向5001 000支架Motorola1副天线支架500800浪涌抑制器Motorola1个防雷接地8001 200可选配件太阳能电池1套20 00040 000合计37 40070 100理位置高点,利用杆状设备支架安

21、装6扇面全向接收设备。该基础所需设备费用见表3。表3数据传输基础设备投资情况设备名称品牌型号数量用途参考单价?元主要设备无线传输设备Motorola AP 6台数据接收21 00025 000群集管理模块1008CK1套集中控制42 00045 000中继设备Motorola BH 1台网络连接24 00026 000主要配件支架Motorola1副天线支架2 5003 000浪涌抑制器Motorola1套防雷接地2 0004 000可选配件合计91 500103 000按20%计算施工、材料费用后,估算每个传输基站的建设投资费用在100 000120 000元人民币之间,但是考虑到基站对动力

22、电源功率需求,就近接入电源是必要的,电源费用需要单独计算。4.3监控中心(监控分中心)安装于专职负责电力线路远程监控部门的工作场地,利用现有的有线网络传输由回传设备接收的基站数据。所需设备费用见表4。表4监控中心设备投资情况设备名称品牌数量用途参考单价?元主要设备中继设备Motorola BH 1台网络连接24 00026 000主要配件支架Motorola1副天线支架2 5003 000浪涌抑制器Motorola1套防雷接地2 0004 000合计28 50033 000按20%计算施工、材料费用后,估算每个监控中心的建设投资费用在30 00040 000元人民币之间。上述造价仅为参照市场价

23、格的估算数目,实际建设费用依照现场情况的差异存在波动。按10个监控点的情况考虑,建设1套电力线路远程监控系统的造价为600 0001 000 000元人民币左右,平均每个监控点投资在60 000100 000元之间,覆盖的输电线路长度2030 km。4.4总体分析在相同外部环境和地理情况下,对比其它接入方式,无线传输方式在接入的便捷快速和设备利用率上超越了光缆架设(敷设)方式,在接入点地理位置选择的灵活多变、受限程度上排除了公用信道租用方式;在带宽提供方面优于租用卫星2 M通道;最重要的是在覆盖区域的单位造价上要低于光缆架设(敷设)方式。以10个监控点,覆盖20 km线路计算估价,年检修维护费

24、用按建设成本10%计算,总体成本见表5。表5总体成本分析可行性带宽?M bps建设成本?元km-1使用成本?元建设光缆可1001 00040 0004 000(检修)租用通道可230 00050 000(租金+检修)VPN方式否无线宽带可105430 0003 000(检修)同时,利用5.8 GHz无线宽带技术建立的视频数据网络还可以在完善二级广域网方面发挥特殊作用,最重要的一点是可以作为二级广域信息网络的备用通道连接网络节点,一旦广域网光缆物理断开或设备故障,作为骨干传输网络载体的1 000M通道和备用传输通道的光纤2M或8M链路均无法进行传输的情况下,无线宽带可以以54M的带宽提供给信息网

25、络作为临时链路,实际上1 000M光缆、光纤2M和5.8 GHz无线形成了一个双重冗余的静态环网,在通道冗余上为信息网络运行提供了更高的稳定性保障。进而可以将无线传输网络的用途扩展至偏远工作场所(变电站、供电所)等地区的信息、监控、安防的系统接入,做到统一管理,统一监控的一体化。(下转第65页)82湖南电力第26卷?2006年信息增刊a.主?备核心交换机切换b.吉首城区信息环网单点切断畅通性测试4.3.2应用系统a.营销系统运行测试b.调度系统运行测试c.财务系统运行测试d.OA系统运行测试e.95598系统运行测试f.其他应用系统运行测试4.4演习时间4.4.1200年月日150017301

26、430,领导小组成员及演习人员分别进入信息机房和各自岗位,并向演习指挥中心报告,联络电话如下:系统:933972145,2649,2970公网:0743-8792145,2649,2970传真:9339726494.4.2演习步骤按下列时间顺序进行a.1500,关闭主核心交换机。b.15051600,进行反事故演习各项测试、数据收集。c.1600,恢复主核心交换机正常工作。d.16051630,断开城区局方向光纤,测试营销业务运行情况。e.16351700,恢复城区局方向光纤,测试设备、网络、系统运行情况。f.17001730,各专责向信息网络及系统反事故演习领导小组汇报演习情况。g.1730

27、,演习结束。4.5安全保证措施4.5.1严格执行规程制度,确保信息网络安全运行。4.5.2各二级机构应做好各项准备工作,参加演习的人员及安全措施要落实。4.5.3演习时,出现异常情况应及时处理,并向演习指挥中心汇报。4.5.4演习结束后,有关人员必须在确认设备、网络、系统运行正常并认真检查交、直流电源设备和空调设备运行正常后,方可离开。4.5.5演习结束后,各专责要在月日前将演习情况以书面形式报信息中心系统管理员,整理之后将反事故演习分析报告汇报领导小组。4.5.6演习结束后,有关部门、专责应认真学习、讨论反事故演习分析报告。5结论在各级领导的正确领导下,在各级部门的大力支持之下,以成熟的技术

28、、齐备的人员、完善的制度为保证,不断改进信息网络及系统应急预案,深入进行反事故演习工作,对于电力系统建立安全、可靠、高效的信息网络系统,具有深远的意义。参考文献1Hucaby David.CCNP BCM SN认证考试(642-811)指南M.人民邮电出版社.CC IE NO.4594,2004年7月.2Cisco Connection Documentation.思科官方在线文档 OL.(上接第28页)5政策分析依照中华人民共和国无线电频率划分规定,5.7255.830 GHz频段被划分为固定电台、移动电台和业余电台使用;按中华人民共和国无线电管理条例规定由频段使用者提出申请,相关管理部门做

29、备案、批复即可使用。6结语以假设案例为对象,针对解决电力线路远程监控提出了方案,由于所选用无线宽带方式是一种新的手段,所以实施过程中存在一定程度上考虑不足,但随着新技术的发展和实践工作的开展,相信大部分的问题可以迎刃而解,最终成为成熟稳定的远程监控解决方案。参考文献1Motorola.Motorola Canopy中继设备用户手册Z.Rev.03 01,2003.2 钟小良,等.远程图象监控系统及其图象文件传输的实现M.微型机与应用,2004.7.3 许向红.降低网络成本、保护长期投资M.美国康普,2005,5.4中华人民共和国无线电频率划分规定 S.1993,3.5湖南省无线电管理办法 Z.1998,12.作者简介:张健(1977-),男,土家族,湖南泸溪人,助理工程师,工学学士,主要从事信息网络设计、运行和建设工作,主要研究方向为信息网络新技术在实际工作中的应用。56第26卷?2006年信息增刊湖南电力