长治市容海智成电力勘测设计有限公司
山西省长治市 046011
摘要：在变电站建设过程中5G视频监控系统，通过5G无线网络进行视频传输，采用电脑或手机作为视频监控端对施工现场进行远程监控管理，系统部署简单，监控灵活方便，比传统视频监控系统优势大，对电力系统进行需求分析，全面诠释了广域保护以及相关技术应用，并从功能配置、系统结构、内部数据的交互方式以及与外部系统的协同模式、通信组网方案等多个角度进行研究、设计与实现。
关键词：5G技术；变电站；保护应用
电工程视频监控系统网络的建设主要采用电力系统内部网络或宽带网络，其特点是各设备连接方式技术复杂，铺设线缆较多，工程量大，在偏僻地区变电站的建设工程中，宽带网络很难接入，施工阶段电力系统内部网络通信条件较差，不具备变电站投运时的通信条件，因此视频监控系统受多种外部条件的限制，不能很好地进行远距离传输视频信号。采用3G视频监控技术，建设变电站工程视频监控系统，通过无线方式传输，具有无需有线网络接入，传输距离远，安装简单灵活，避免了铺设线缆麻烦等特点，有效地实现了工程无线远程监控，可使管理人员在远离施工现场的地域通过电脑或手机随时掌握施工现场情况，及时有效地解决施工管理中存在的问题，为指导工程管理节省了时间、费用，提高了施工管理水平。广域保护系统在获取电网广域测量信息基础上，以全新的方式解决了大电网继电保护和安全自动装置之间的协调问题，是今后继电保护的发展方向。
一、5G视频监控系统技术特点
随着计算机软硬件技术、通信技术、网络技术、接口技术及其在变电所中应用的发展和成熟，计算机监控系统已成为变电所的主要监控手段⋯，在传统有线网络视频监控中，视频采集及视频观看的远程接入和传输的成本限制了其发展与应用，如在偏远地区进行监控时，由于地域广、监控点少而稀疏不均，加上有线线路户外架设及维护成本高等因素，整体有线接入和传输的高成本直接影响了相当一部分区域和场景的监控。而利用无线网络特别是运营商铺设的无所不在的5G移动通信网络进行接人和传输，其安装方便、灵活性强、性价比高。采用无线监控方式，建立被监控点和监控中心之间的连接，衍生出更多的应用场景，成为网络视频监控技术发展的又一制高点。视频监控系统中的数据传输为上行传输，5G无线通信技术为视频监控的无线传输提供了可能。在实际视频监控系统的使用过程中，5G技术以其方便、快捷等优势得到了越来越多的应用。5G上行传输速率的提高，为视频监控领域中的高速率、高质量的图像传输提供了技术支持。电网公司已经在全国范围内的变电站建立了视频监控系统，依靠完备的电力信息网络，高带宽的信息系统，完成电力生产设备的监控和调度。对于电力基建项目，施工阶段网络通信条件较差，不具备变电站投运时的通信条件。5G技术的引入使得视频采集终端的安装不再受到地理条件及有线网络的限制，后端监控台也不再受有线网络的束缚，只要在有手机信号的地方，就可以通过安装在生产现场“无线图像监控系统终端”将现场的实时图像通过手机无线通信网络传输到管理人员的办公电脑或手机上，这样，无论管理人员身处何地，都可随时通过手机或电脑上网查看生产现场的实时图像和声音，为安全生产实现“可控、在控、能控”提供了有力保障。
二、5G网络视频监控系统构成
网络监控系统可由现场监控前端、流媒体转发服务器、监控客户端组成。现场监控前端由高速智能球型摄像机及5G网络视频服务器组成，该摄像机可获得360。旋转图像，适用于大面积活动区域监控。5G网络视频服务器获取摄像机的图像视频，将视频压缩成H．264编码，通过双编码技术同时提供两套编码，主码流的图像质量采用CIF分辨率，主要用于电脑客户终端的实时监控；子码流的图像分辨率为QCIF，采用3GPP封装，主要用于手机客户端的实时监控，手机客户可以获得更高的图像质量。通过5G网络传输将视频信号传输给流媒体转发服务器。5G网络视频服务器中3G数据卡接人5G网络后，借助无线网络的数据业务功能，获得IP地址，查找设定好的固定服务器的IP，通过无线网络和代理程序建立连接，与固定IP的服务器建立数据传输通道，传输视频采集数据。流媒体转发服务器支持视频流和控制指令数据的转发，当有网络客户端需要同时访问同一远程画面时，势必会造成在一条广域网线路上的同时点播，从而会占用多个相同带宽，严重浪费网络资源。通过流媒体转发服务器对授权用户进行转发，在流媒体转发服务器与监控前端之间只占用一个通道带宽的网络资源，再由流媒体转发服务器将数据分发给多个监控客户端。监控客户端经过授权后通过Intemet公网接收流媒体转发服务器分发的数据，以达到随时监控现场的目的。监控客户端分为电脑客户监控终端和手机客户监控终端。电脑客户监控终端获取主码流进行解码显示，基于互联网的Web远程监控软件可以把传统的计算机监控画面发布到Web上，这样监控人员就可以使用标准的浏览器进行监视”，
通过浏览器登陆客户端管理界面，可对授权设备进行实时现场图像浏览和控制。可实现摄像机焦距变化、旋转、巡逻等操作等功能。手机客户监控终端获取子码流进行解码显示，通过专用的手机客户端软件，实现对前端监控点远程监控的功能，与电脑客户监控终端一样，手机客户监控终端同样拥有视频预览、云台控制、预置点调用等功能，真正地做到了让用户随时随地的接人监控平台，访问自己设备的功能。
三、5G网络视频监控系统在工程中的应用
500 kV变电站工程状况站址位于某县直线距离约12 km，场区占地面积5．524 km2，其中围墙内占地4.931km2，站区总建筑面积1395 m2，主控楼建筑面积525 m2。该工程电网公司组织的安全质量管理流动红旗评比活动。在该工程的施工过程中，尝试结合先进的5G视频图像技术实施现场的本地及异地的远程工程管理。
1、视频监控技术实施方案。根据现场建筑物的设计位置及实际情况，采用监控前端设备，布置在站区即可实现全站无死角监控，每组监控前端设备由1台高速球型摄像机及1台3G网络视频服务器连接组成，如图所示。
现场为每组监控前端设备提供1条供电电源线，为设备供电，无需铺设其它线缆。通信网络的速度直接影响远程视频监控的质量。经过现场的考察，该变电站地区被联通5G网络所覆盖，经测试上行速率足以传送l路实时视频图像。流媒体转发服务器部署在沈阳公司总部机房，使用固定IP接入Intemet，接收监控前端的数据，并通过服务平台实现用户登录认证、鉴权、视频连接、转发等功能。该流媒体转发服务器中主要安装功能服务软件如下。
a． 管理服务器软件。管理服务器软件实现统一身份认证和权限控制、组织与角色管理维护、设备集中配置与维护管理和日志管理等功能。主要针对该系统直接管辖的用户的权限管理，其中由于不同级别的用户具备不同的权限，可以方便的实现多级管理。
b． 通信服务器软件。通信服务器软件主要负责数据的接收和信令控制。
c． 流媒体转发服务器软件。流媒体转发服务器软件用于缓解网络带宽紧张，对前终端的视频访问全部通过流媒体转发服务器软件来进行转发，使得该前终端的视频服务只占一个通道。流媒体转发服务器软件的多级设置可提高响应访问的效率，可以合理规划流媒体管理软件模块的设置，以求更少的时间代价换取更高的带宽利用率。公网中任意电脑客户监控终端经过授权后，通过浏览器登陆客户端管理界面，可对施工现场图像进行实时监控、云台控制等操作。手机客户监控终端通过授权后，安装3G视频监控软件，即可对施工现场进行监控及相关设备的操作。监控终端操作软件界面友好，操作简单方便。
2．3监控效果。系统在实际使用过程中效果十分明显，系统安装简单方便，使用设备数量少，监控前端使用无线5G网络跨省市传输，每组设备只需要为其提供1条供电线路即可，避免了多余的网络布线和架设天线。5G网络覆盖范围广，租用成本费用低，更适用于偏僻地区使用。采用H．264视频压缩技术，使得数据传输流畅，图像质量高。监控系统操作简单方便，图形化界面，既可以安装手机客户端软件，也可以使用电脑通过浏览器进行远程监控和远程管理。管理平台功能强大，用户可以通过电脑和手机不受时间、空间限制对监控管理目标进行实时监控、实时管理、实时查看、实时指挥。
四、广域后备保护介绍
1、广域后备保护定义。广域后备保护是一套完整的保护方案，它获取电网多点信息，利用这些信息判断故障元件并隔离，同时考虑故障切除之后对系统稳定性带来的影响，以防止保护动作导致系统崩溃。在广域保护中，继电保护和自动控制装置融为一体，相互配合，协调动作，保证系统安全稳定运行。
2、广域后备保护和传统继电保护的区别。传统的继电保护主要集中于元件保护，以线路、母线、变压器、发电机和电动机等为保护对象。传统保护以切除被保护元件内部故障为己任，主要通过开关动作来实现故障隔离。广域保护更注重保护整个系统的安全稳定运行，可识别系统的各种运行状态，通过调节系统的P-δ、Q-v和各种保护措施，同时实现继电保护和自动控制的功能，其中可能会有本地、远程开关的动作，以避免局部或整个系统大面积停电或崩溃等严重事故的发生，保证电网在故障后仍能保持所需的安全稳定工况。
3、广域后备保护系统组成。广域后备保护采用分散采集、集中处理模式，系统中主要设备有：光合并服务器、光交换服务器、GPS时钟服务器、数据采集终端、集成保护测控装置。
4、阳煤电网保护存在的问题。某电网由于在综自改造过程中选择和使用保护系统时采用的厂家较多，部分线路无法配合，各站微机保护装置厂家不同的问题集中体现为电网的保护配合困难，这在很大程度上影响了电网的安全稳定运行。广域保护系统是常规保护和电力数据采集系统/能量管理系统（SCADA-EMS）之间的系统保护和控制方法。在阳煤35 kV电网实现广域保护系统，首先可以统一有效地管理阳煤电网现有的线路保护装置，通过广域后备保护在技术上的先进性，在设备发生故障时准确隔离故障点，缩小事故的停电范围并对故障设备进行整体录波，有助于事故的深层次分析；其次，能够实时掌握并充分利用电网的输电能力，实时监控所有设备的实际运行状况，确保阳煤电网经济效益最大化。
五、电网总系统广域后备保护的实现
1、电网广域系统设置的情况，电网总系统集中光纤差动保护方案改造所涉及的变电站高压开关。保护屏和综合屏安装在矿区110 kV站，分别在每个变电站放置光合并服务器，各个合并单元的光纤通过跳线引入至本站安装的光合并服务器，每个变电站的光合并服务器以级联的形式通过站上原有光纤将数据接入到110 kV站光交换服务器。安装110 kV站的集成保护测控装置将针对系统所需功能配置相应的保护测控单元，本系统将配置三台集成保护测控装置，其中两台集成保护测控装置主要用于系统中集中差动保护及线路后备保护功能，另外一台集成保护测控装置主要用于系统高级应用，另外再配置一台专用型故障录波仪。
2、改造的实施步骤
（1）建立主系统。电力调度110 kV站作为广域系统的中心，广域后备保护主机系统先行就位，敷设好站内光缆与广域后备保护屏柜之间的光缆；广域后备保护屏柜首先布置到位，并上电达到运行状态，且能够进入110 kV站的广域后备保护系统中。
（2）建立区域系统。在站建立广域后备保护区域系统，敷设好站内光缆与广域后备保护屏柜之间的光缆，将主站所有线路合并单元接入光合并服务器，光合并服务器再由集团公司原备用2芯光纤上传数据至矿区110 kV站，确保一级站至矿区110 kV站的通信畅通。
（3）末级子站加装广域系统。区域系统平台建立完工后，在站进行线路合并单元的安装调试工作，装配过程中需要对相应的线路进行停电，每个开关需要三根电缆（电流回路、电压回路、控制回路），所有线路合并单元接入到本站的光合并服务器，再由2芯光缆上传至区域中心站，在完成开关的广域后备保护改造的同时，对广域后备保护系统进行系统联调，检验相关开关的动作信息是否能够完整地上传至区域中心平台及广域系统中心。站的装配工作结束后，再按照本区域末级子站到一级子站的顺序逐步完成调试工作。
（4）开关量接入。在变电站敷设两条线路的电流回路8×2.5 mm2铠装电缆接入保护电流和测量电流，敷设电压回路8×1.5 mm2铠装电缆接入母线电压。光纤通道回路采用自上而下的顺序，首先调通110 kV站至站的光纤通道，再完成二级站与一级站之间的光纤通道连接。在站内敷设一根光缆从广域保护屏至35 kV开关柜内，将熔接的光缆与柜内备用光缆对接，逐步完成本区域末级站的工作，最后进行一级站的工作。
（5）广域保护试验及故障录波功能验证。广域保护试验工作包括全网所有装置保护及故障录波功能的验证，所有保护定值在站保护屏图形终端中进行配置，配置好后下传给各站相应保护装置。当110 kV站光纤通道完好时，所有保护定值根据图形终端中的定值来动作或告警，光纤纵差作为线路的主保护，限时速断与过流作为线路后备保护，同时闭锁速断保护；当光纤通道故障时，光纤纵差保护自动退出，速断保护投入。通过广域保护系统的试验与验证，实现了广域系统的故障录波功能，包括某条线路波形显示、差分分析、谐波分析、向量分析以及阻抗分析等功能。
广域系统是全站数据共享的系统，因此系统能够提供基于全站模拟量、开关量的故障录波功能，可以对故障时刻全站的数据进行分析以及横向和纵向比较，更快更准地确定故障点和故障情况。并且广域保护的故障录波图不仅可以直观地看到某条线路的故障波形，而且能通过故障波形的相位、阻抗、动作区域等分析图深入分析事故发生时的各种参数变化，还有专业故障录波分析软件，能实现全站故障分析功能，为故障分析提供尽可能详尽的数据，为快速清除故障、恢复送电提供强有力的保障。管理服务器软件，管理服务器软件实现统一身份认证和权限控制、组织与角色管理维护、设备集中配置与维护管理和日志管理等功能。主要针对该系统直接管辖的用户的权限管理，其中由于不同级别的用户具备不同的权限，可以方便的实现多级管理。流媒体转发服务器软件，流媒体转发服务器软件用于缓解网络带宽紧张，对前终端的视频访问全部通过流媒体转发服务器软件来进行转发，使得该前终端的视频服务只占一个通道。流媒体转发服务器软件的多级设置可提高响应访问的效率，可以合理规划流媒体管理软件模块的设置，以求更少的时间代价换取更高的带宽利用率。公网中任意电脑客户监控终端经过授权后，通过浏览器登陆客户端管理界面，可对施工现场图像进行实时监控、云台控制等操作。手机客户监控终端通过授权后，安装5G视频监控软件，即可对施工现场进行监控及相关设备的操作。监控终端操作软件界面友好，操作简单方便。
5G视频监控系统在变电站工程管理中的成功应用。实现了无线远程现场视频的监控。该技术的实施为施工生产管理提供了有效的技术手段，为工程管理提出了一种新的管理模式。
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论文作者:左江涛
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第11期
论文发表时间:2019/10/16
标签：终端论文; 系统论文; 服务器论文; 流媒体论文; 变电站论文; 监控系统论文; 电网论文; 《当代电力文化》2019年第11期论文;