变电站监控系统设计方案

张晓光

(华北电力大学电气与电子工程学院，河北保定 071000)

国家电力调度通讯中心要求现有的变电站在条件成熟时，逐步实现无人值班，以提高生产效益，因此新建变电站要按照无人值班方式设计.目前的技术路径是将变电站的视频数据和监控数据由变电站的前端设备采集编码，并将编码后的数据通过网络传输到监控中心，然后由监控中心对接收到的视频数据进行监控、存储和管理.对于无人值守的变电站，电力监控部门需要实时地更新变电站设备状态数据，也需要对现场图像、声音及相关设备的远程监视图像进行监控.特别是要实时地看到各变电站的变压器、闸、控制柜，以及变电站场景，同时要监视无人值守变电站的安防情况.

无人值守的变电站的有关信息需要通过有线网络传送到监控中心，在网络建设过程中考虑到成本等因素，一个中型无人值守的变电站需要100 Mb/s以上的带宽，所以无法为每路信号提供足够的高清信号带宽.当系统需要传送大量的高清图像时，会引起网络时延增加，造成数据包丢失，形成网络阻塞.因此，研究在有限带宽的情况下，保证重要数据的发送，以解决网络阻塞现象是十分必要的.

1 网络视频流的拥塞

安徽省南部山区较多，受条件限制，无人值守的变电站采用的监控技术方案是一个中心监控多个无人值班的变电站.这一方案中的网络需要多个节点，所以网络带宽无法满足全部高清图像的要求.安徽省的无人值班变电站采用的是设备与安防的联合监控模式.变电站在普通监控条件下，仅仅需要普通标清模式的图像.当发生以下情况时，对应的视频需切换到高清模式进行图像传送.

(1)变电站控制闸刀状态发生变化，尤其是从断开到合上的过程.

(2)变压器等设备发生火灾.

(3)发生非法闯入的情况时，需将多个设备切换成高清模式，网络压力最大.因为受物理距离特别是投资成本的限制，视频传输网络无法为每一路视频保证足够的高清带宽，当传送模式从标清变化到高清模式，而带宽不够时，会造成网络的拥塞现象.对于网络视频流传输来说，最重要的信道特性是发送端到接收端之间的时延、网络可用带宽和网络丢包率.

针对以上网络拥塞问题，目前主要采用基于终端和基于网络的视频流传输的拥塞解决方案［1-4］.在终端系统中，通常依靠缓冲调整的方式来解决时延抖动问题［5］.对于网络可用带宽和数据包丢失问题，目前最常用的两种解决方案是速率控制和差错控制.速率控制算法可以事先估算出网络的当前可用带宽，通过调整发送端的编码速率和发送速率来适应网络.对于网络的拥塞问题，其解决方案主要是进行带宽管理，一般采用资源预留管理和优先级管理方案［6］.

2 野外变电站视频监控拓扑

野外变电站的视频传送距离远，而且会经过多级路由设备，为了保证对其进行有效监控，必须建立一个有效的网络拥塞控制策略.建立策略前，必须要掌握准确的网络状况信息和网络拥塞信息的反馈.这两部分信息可以在路由器、交换机，以及视频服务器上进行数据采集.图1和图2分别是变电站内部视频网络结构和整体系统网络示意.

图1 变电站的内部视频网络结构

图2 整体系统网络示意

3 视频监控策略

考虑到安徽省的经济条件和地理环境，以及其网络端点都配有服务器的特点，对变电站采用了改进的自适应网络拥塞解决策略.本系统的特点是:在正常情况下，变电站设备工作正常，网络流量比直接传送图像的流量增加约13%;在突发情况下，可以调节信号对应的流量，保证重要信号的清晰度.自适应网络拥塞控制流程见图3.

图3 自适应网络拥塞控制流程

由图3可以看出，自适应网络拥塞工作流程为4个步骤.

(1)建立网络连接后，发送端开始向接收端发送视频数据包，这些数据包中含有时间戳、发送序号等一系列相关信息.

(2)接收端收到视频数据包后，提取数据进行视频解码操作，同时根据数据包中的时间戳、发送序号等信息，计算出数据包丢失率、瓶颈带宽等参数，并传送给发送端.

(3)发送端的自适应拥塞控制模块根据接收端反馈回来的网络状况信息，估算出当前网络的可用带宽，调整数据发送速率和视频编码操作.

(4)发送端根据调整后的编码器参数进行视频编码、数据发送等工作.

调整发送机制的关键是获取有关网络和视频流的丢包情况，有关数据可以通过以下计算得到.本视频监控系统的自适应网络拥塞控制的设计采用了TFRC模型，通过反馈参数来推算出合适的视频发送速率.

TFRC的稳态速率计算公式为:

式中:s——TCP报文大小，db;

p——丢失事件率;

t0——数据报文的超过时间;

tR——数据报文的环路时间，其中R为数据报文的环路;

b——一个应答所接收到的报文数，b=1.

丢失事件是根据接收端网络拥塞检测模块监测丢包的情况来判断的，如果本次监测到的丢包和上一次发生丢包的时间间隔超过tR，那么这个新监测到的丢包就不属于上一次丢失事件的发送窗口，而是有新的丢失事件发生，要进行丢失间隔计算.

本系统取最近的8个丢包事件，计算其加权平均值:

式中:W(i)——丢失间隔的加权系数;

LI(i)——丢失间隔，在相邻两个丢失事件之间接收到的包数量.

计算丢失事件率为:

根据丢失事件率的算法，在出现个别、非连续的丢包情况时，丢失事件率不会发生太大的变化，在丢失率上升时，速率值的下降也比较缓慢，可以比较准确地反应网络当前的拥塞情况.

为了计算报文的往返时间tR和超过时间t0，接收方发送的反馈信息内需加上最近接收到的一个报文的序号以及收到这个报文的时间.若取超过时间t0为4tR，发送端在时间点为tt时向接收端发送了一个数据包，随后在收到N个含有时间戳tt的数据包后，可以进行客户端瓶颈带宽的计算，即:

式中:B——网络瓶颈带宽值;

C(i ——第i个数据包的大小，Byte.

tt——数据包发送时间戳;

tN——接收到第N个数据包的时间;

t1——接收到第一个数据包的时间.

视频监控系统网络拥塞控制策略见图4.

图4 视频监控系统网络拥塞控制策略

采用以上自适应策略后，当控制中心发现需要将某些信号从标清视频切换成高清视频时，就可以利用后端控制系统修改其余标清视频对应的时间戳，通知其对应的发送端降低流量，腾出带宽给重要的高清视频，从而保证重要信号的带宽，避免网络阻塞的出现.

4 结语

本系统已于2009年投入运行，经过多次严格的测试和实际运行，整体情况良好.在某次重要路由节点设备故障的情况下，通过调整时间戳的方式，降低了所有标清图像的流量，避免了网络阻塞，保证了监控的实时性.

［1］朱孟忠，胡春来，和思铭.基于网络拓扑结构的变电站监控系统的设计［J］.电脑知识与技术，2010，6(15):4 168-4 169.

［2］罗毅，涂光瑜，张锦辉，等.变电站综合信息化数字传输方案［J］.电力系统自动化，2001(8):42-44.

［3］庾晋，白木，周洁.多媒体通信技术的重要应用［J］.电力系统通信，2001(12):17-25.

［4］杨刚，杨仁刚，郭喜庆.嵌入式以太网在变电站自动化系统智能化电气设备上的实现［J］.电力系统自动化，2004，28(3):74-76.

［5］杨鹏，赵琦，孔鑫，等.工业以太网的发展及其技术特点［J］.微计算机信息，2006，22(1-2):32-33.

［6］陶蒙华.IP视频通信的服务质量及其关键技术的研究［D］.北京:北京邮电大学，2002.