高海拔输电线路高清可视化管理系统的设计

第第页高海拔输电线路高清可视化管理系统的设计摘要本论文以目前行业中高海拔地区输电线路视频可视化管理出现的各类问题展开讨论，总结出每项难题背后的关键点，并提出有针对性的解决方案和集成思路，本文作者已通过多次技术创新和实验，确保本文中提到的各项技术细节具有实操性。研究通过采用双电源智能切换、OPGW光纤与WIFI混合组网数据传输技术、H.264视频压缩处理技术等方面的技术，研制具有一体化、低功耗的可视化监控装置，重点实现对重冰区、无信号覆盖区、无人烟及巡视难度大高海拔区域线路的覆冰状况、线路走廊环境状况、气象状况进行实时视频监控。因此研究示范点计划选在海拔4000米、年覆冰厚度为30CM、冬季巡线难度极大的重冰区域线路上，切实解决线路维护人员对这些重冰区、高海拔区、冬季无法正常巡线等恶劣区域线路的覆冰状况，对现场实时全方位掌控。通过本次研究的探索与试点应用，可为我国高海拔地区的重度覆冰恶劣环境下，电力设备的可视化监控给出参考思路，为该类系统的应用推广提供非常实用的设计蓝本。

【关键词】高海拔覆冰在线监测可视化高清视频无线组网技术

1高海拔地区可视化背景

2008年初的冰灾导致电网大面积损毁事件使人们了解到，冰灾情发生前的防范、维护，灾情发生时预警、快速反应以及灾后的应急抢修、重建都非常的必要。在覆冰发生时，如何对重冰区、人烟稀少偏远山区、积雪时无法人工巡视、无GPRS/3G/3G信号等重点区域现场线路的覆冰状况进行及时准确掌握，为提前抗冰融冰提供科技支撑，将是提高电网整体抗冰水平、防止冰灾倒塔大面积断电事故发生的关键。本研究将采用先进可靠的OPGW光纤和WIFI混合通信技术、双备份智能切换冗余电源技术和完善的远程维护机制技术，对重冰区、无信号偏远山区的输电线路覆冰状况进行实时监控，及早发现覆冰事故隐患并及时予以排除，使输电网始终以良好的状态运行具有十分重要的意义。

目前投运的输电线路覆冰监测装置，普遍存在运行不稳定、现场维护工作量大等现象，主要表现在冬季覆冰期设备电源供电不足而无法正常运行、严重覆冰时GPRS/3G无线通信基站终端而造成现场设备无法正常进行数据传输、线路维护人员频繁到现场对故障设备进行维修而造成维护工作量大等问题。通过对本研究的研究，研究建立输电线路智能监测系统，着重对重冰区、无信号覆盖区、人烟稀少偏远山区、巡视难度大的崇山峻岭高海拔山区等区域线路的覆冰状况、线路走廊周围环境状况进行实时监测，为重冰期高海拔输电线路抗冰等日常维护技术支撑。

通过本次研究，将改变现有覆冰监测装置“覆冰关键期设备供电不足而冬眠”、“只能看图像，无法看清晰视频”的状况，省局等各部门通过省网公司办公网络均可以随时随地登陆系统，实时浏览高海拔、重冰区输电线路现场覆冰程度、线路走廊周围环境状况等，犹如亲临现场，为日常线路运行维护提供技术支持。

2高海拔可视化管理现状

我国部分区域高压输电线路运行在3500米以上的高海拔、无人区、无信号覆盖区域，这些区域气候环境极为恶劣，严重雨雪冰冻的天气对输电线路安全运行构成极大威胁。在冬季覆冰期，由于这些高海拔区域山高坡陡、气温低，山上积雪覆冰不宜融化，使得在这段覆冰关键期内无法对这些重覆冰区线路进行正常巡视，无法及时准确掌握山上高海拔区域线路的覆冰状况、线路走廊环境，迫切需要借助科技手段对这些高海拔、无人区、重覆冰区输电线路覆冰状况实现远程可视化管理。在2008年我国大面积冰灾之后，我国输电网安装投运了一批输电线路覆冰在线监测装置，它能够对覆冰期输电线路导线、地线荷载变化状况进行监测，能够在一定程度上帮助线路维护人员了解现场的覆冰状况。目前在实际使用过程中，存在明显不足，主要表现在“覆冰关键期设备供电不足而冬眠”、“只能看风景，无法看覆冰”的状况，装置供电不可靠、覆冰图像传输不清晰、只能看图像而无法看视频和进行录像的不足，无法满足高海拔重覆冰区、无信号区输电线路可视化管理的应用需求，主要体现在：

2.1供电系统不可靠

目前投运的输电线路覆冰监测装置，夏季运行良好，但是到冬季覆冰关键时期，普遍存在设备供电不足，设备无法运行，严重影响其实用性，难以发挥“覆冰监测”的作用。据国家电网公司生计部初步统计，目前投运的输电线路正常上线运行率为30%左右，其余70%的输电线路在线监测设备不能正常运行，其中50%设备不运行是由于供电中断引起的。

2.2通信手段主要依赖于GPRS/3G无线网络

无法对无移动信号偏远山区的线路杆塔进行监测，而这些区域恰恰多是人烟稀少的偏远山区，或者巡线难度大的高海拔山区，在严重覆冰期间，人员无法进行正常巡线的区域。

设备依靠GPRS/3G网络进行通信的通信链路薄弱，尤其是出现大面积覆冰时，移动GPRS/3G基站往往无法正常运行而造成现场覆冰监测装置通信链路中断，造成线路维护人员在严重覆冰关键期无法及时掌握现场线路的覆冰状况及发展趋势。

由于依赖GPRS/3G无线网络，该网络的数据传输速率有限，传输带宽受到限制，图像压缩比大，需要将传输信息打包并切割成小块，分批发送，造成覆冰图像清晰度不高且无法对现场覆冰状况进行视频监控及录像，是线路维护人员无法准确掌握现场的覆冰程度。

2.3GPRS/3G网络带宽的限制

由于GPRS/3G网络带宽的限制，只能看图像无法看视频，且清晰度不高，图像分辨率最大只能640*480，图像清晰度非常有限，无法为线路维护人员提供准确的现场线路状况。

2.4结构设计存在缺陷

在覆冰关键期，摄像机镜头被覆冰遮挡造成关键期无法准确掌握现场覆冰程度等不足之处，使得无法充分满足线路维护人员对较长覆冰期、重冰区、无信号覆盖区输电线路覆冰状况及时准确掌握。

2.5远程维护机制不完善

目前投运的覆冰设备普遍存在无法远程升级，设备自我诊断功能不完善、自愈性差的缺陷，设备在运行过程中发现缺陷时必须到现场进行维护，这样不仅没有减轻反而增加了线路维护人员的工作量。

鉴于目前覆冰监测装置的不足，本研究拟利用双备份电源冗余供电技术进行供电，监测装置与监测中心网络通信上采用OPGW光纤和WIFI无线网络相结合的混合数据传输技术、高清视频等技术，研制具有一体化、低功耗、双电源智能切换、OPGW与WIFI混合通信、冗余设计、高清视频的覆冰视频监控装置。利用本研究的成果，线路管理人员无需到现场，在后台电脑上就可以看到清晰的现场线路覆冰视频，切实实现对重冰区、无信号覆盖区、无人区及巡视难度大高海拔区域线路的可视化管理，切实实现线路维护人员对重点线路、覆冰期重点区域线路的覆冰状况、线路走廊环境和现场气象状况实时准确掌握。

3可视化管理设计

3.1双电源智能切换技术介绍

开展双备份及智能切换稳定供电技术应用，实现供电模块能够以智能判别自动切换和远程后台手动切换两种方式切换到备用电源上，确保系统能够在严重覆冰期、太阳能被冰雪覆盖无法充电等情况下，系统电源充足，运行稳定，能够稳定将现场的视频数据传输到后台：

具有唤醒与休眠功能的智能切换供电部分具有专属CPU控制模块，该CPU控制模块通过一MOS管分别与主电源以及辅助电源相连；提供CPU监测模块，用于监测电源的状态；提供多个唤醒源电路，其分别与CPU控制模块以及MOS管相连，所述的CPU控制模块可以随时进行待机唤醒功能；CPU控制模块根据CPU监测模块监测到电源的状态，对主电源，辅助电源的无缝切换是通过硬件自动切换的；在备用电源供电的情况下，CPU控制模块可以随时切断该备用电源供电，使双电源切换系统进入完全待机状态。

3.1.1驱动控制部分

由逻辑控制电路和齿轮电机组成。电路控制核心采用CPU控制，电源部分采用开关电源稳压系统，供电可靠，电路具有良好的电磁兼容性，齿轮电机具有很强的耐湿热性和耐高温性，安全保护功能良好。

3.1.2机械联锁部分

多重的机械联锁，确保两路电源在任何情况下不能并列运行。

3.2OPGW光纤与无线WIFI的混合组网

按照《输电线路状态监测系统通信技术方案》，根据监测系统的特点，以及监测信息点分布的情况，一般将通信系统分成四种部署方式和两个网络段。四种部署方式包括基于公网的后端汇集方案、基于公网的前端汇集方案、基于专网的后端汇集方案、基于专网的前端汇集方案。

针对重冰区、无信号覆盖区线路监测装置布点之间的距离较大，同时考虑到线路现场GPRS/3G/CDMA/3G的信号条件普遍偏弱，本研究在线监测系统的通讯方式采用“OPGW光纤通信为主，无线WIFI接入为辅”的基于专网的后端汇集方案。两个网络段为现场网络段和远程传输段：

（1）现场网络段负责将一定范围内的输电线路和杆塔上的传感器通过短距离无线网络汇集接入；

（2）远程传输段则负责将现场汇集的数据远程传输送到数据网接入点，如图1。

3.3H.264视频压缩与传输

H.264视频编码压缩处理技术，与其它H.26x、MPEG-X视频编码技术相比，具有图像质量优异、编码效率高的优点。但是其编码过程的计算复杂性很高，如何降低编码过程的计算复杂性，提高编码速度是H.264视频处理技术实现的重点和难点。本研究将三个方面研究实现H.264网络视频编码技术：H.264视频编码算法优化；DSP系统中视频编码应用的硬件加速；H.264视频报文的网络实时传输。

H.264视频编码算法优化提出了启发式预测模式确定算法，对帧间预测、帧内预测和最佳预测模式的确定过程进行综合优化。该算法利用视频序列在空间和时间上的相关性，以及相邻的图像单位在预测失真上的相似性，推测当前宏块中接近最佳性能的预测块划分方法和预测模式。算法提供了推测错误处理机制，能够保证预测块与原始图像之间实现最佳匹配。实验证明经过优化之后，以微小的编码图像失真为代价，较大幅度地提高了编码速度，编码器的性能得到显著改善，如图2。

本研究采用网络开发工具包实现了RTP/RTCP实时网络传输协议，主要包括TCP/IP网络协议栈的配置与使用，以及实现基于RTP/RTCP协议的应用服务。在网络应用的基础上，对视频编码器进行性能进行测试，检验视频编码器的实时效果；完成了进行数据完整性测试，验证了视频编码器的正确性。测试结果表明本课题研究和实现的视频编码器具有良好的实时性和稳定性。

3.4装置技术实现

针对目前覆冰监测装置普遍存在供电系统不可靠、GPRS/3G无线通信局限性大、现场设备维护工作量大等特点，本研究将研制具有一体化、低功耗、双电源智能切换、OPGW与WIFI混合通信、冗余设计、清晰视频监控、完善远程维护机制的视频监控装置。

3.4.1一体化设计

监控装置的主处理单元、数据采集单元、供电管理单元、控制单元、通信单元采用一体化的设计原则，杜绝部件间的简单联结而形成的离散性内部结构；

3.4.2中央数据处理系统（ARMCORTEX）

ARMCORTEX嵌入式技术能够满足汽车、工业控制及医疗监测等应用领域对装置功耗与效能的严苛要求，它以高稳定性、超低功耗、低成本三个技术特色在诸多电力、汽车等诸多工业控制领域获得广泛应用。我司的气象监测及预警系统终端的中央数据处理系统采用Cortex处理器开发与设计，不仅具有ARM嵌入式技术稳定性好、功能强大、抗干扰性能好、后期扩展性能好、远程维护方便等优点，同时也具备了MSP430单片机低功耗、低成本的优点。

3.4.3主备工作模式

监测装置的核心部分即中央处理器，是监测装置的大脑，如果发生故障将直接导致设备无法工作。从计算机服务器双机备份的角度出发，将设备主处理单元等设计为主备智能的工作模式，当核心主处理器发生故障时，智能切换到从处理单元，并且无缝切换，保障设备的正常运行。核心模块的配置信息存储在公共存储器，当后备模块启动时，自动装载工作模块的工作配置，无需重新配置工作参数。

3.4.4完善的现场覆冰视频监控功能

采用H.264视频处理技术实现现场清晰覆冰连续视频和图像的采集、录像功能。

采用全方位无盲点工业摄像机，对导线、杆塔、线路走廊及周围环境进行全方位监控，能够在后台看到清晰、流畅线路视频。

线路管理人员在后台人员可远程控制摄像机视觉方位，能够对现场覆冰状况进行远程录像和危险关键点图像抓拍。

3.4.5采用OPGW光纤通信为主、WIFI无线通信为辅的混合通信技术

针对重冰区、无信号覆盖区线路覆冰监测装置布点之间的距离较大，同时考虑到线路现场GPRS/3G/CDMA/3G的信号条件普遍偏弱，本研究在线监测系统的通讯方式采用“OPGW光纤通信为主，无线WIFI接入为辅”的基于专网的后端汇集方案。

3.4.6双电源供电系统

状态监测装置的电源系统均采用太阳能双路充电、充电管理模组双路管理、蓄电池双路供电；全部供电系统完全隔离，互不影响；当一路供电装置出现问题时，不会影响另一路供电装置的可靠运行。

3.4.7摄像机镜头防覆冰设计

对以前装置中出现摄像机在雨、雪、冰、污中拍到的照片无法识别的现象，在摄像机结构及镜头材料进行了改进。

3.4.8低功耗设计

在全部采用工业级低功耗部件的同时，还设计有低功耗工作模式。

正常模式：所有的电源启动设备处在正常工作状态。

节能模式：关闭所有的通讯系统（本装置的功耗主要产生在无线通讯设备中），采集数据保存到装置，数据不上传。

自动切换：在正常状态下，装置白天处于正常模式，晚上处于节能式。

3.4.9远程维护机制

远程维护机制（增加远程自动升级功能）、设备故障自我诊断及自我处理等方面的技术，提高重冰区、无信号偏远山区等恶劣环境下设备运行稳定可靠性。

3.5可视化管理软件平台设计

平台系统的建设应遵循先进、实用、经济、高效的原则。

（1）采用开放式、一体化、可扩展的应用平台，在满足当前应用需求的基础上，能够根据未来发展的需要扩展其他应用功能。

（2）平台系统应采用先进的信息表现方式，为运行维护人员提供可视化运行界面。

（3）采用统一的接口标准和编码体系。

（4）平台系统应预留和第三方应用的标准接口。

3.5.1平台基本功能模块

具有终端基本信息建档、终端安装位置信息建档、终端功能信息建档、现场视频浏览及远程控制摄像机功能、终端运维记录。

3.5.2WEB浏览

系统采用WEB浏览方式，满足线路维护工作人员对输电线路运行状况、覆冰灾情严重程度等现场状况掌握的应用需求。省局等各部门通过省网公司办公网络均可以随时随地登陆系统，实时浏览高海拔、重冰区输电线路现场覆冰程度、线路走廊周围环境状况等，犹如亲临现场，为日常线路运行维护提供技术支撑。

3.5.3平台数据库系统设计

在开放性和标准性的前题下，为提高数据及图形访问速度，数据处理的实时响应性，在商用数据库之上构建实时数据库，支持CLIENT