27第8章 水电站计算机监控综合自动化系统

第8章水电站计算机监控综合自动化系统前面章节所论述的水电站计算机监控系统主要针对水电站计算机状态监控系统，事实上，水电站计算机监控系统除了状态监控系统之外，还包括水电站视频监控系统、水电站厂内经济运行系统、水电站微机调速系统以及微机励磁系统等。本章就对水电站视频监控系统、水电站厂内经济运行系统、水电站微机调速系统以及发电机微机励磁系统等综合自动化系统进行着重介绍。8.1水电站视频监控系统随着社会不断进步，经济快速发展和技术突飞猛进，公共秩序安全、生产安全、财产安全等越来越受到人们的重视，从而使以视频信息为特征的视频监控更为广泛地被应用在各行业领域，早期视频监控只在金融银行、道路交通和大型连锁超市的安全监控中应用，后来发展到在管理和生产经营部门以及无人值守特定场合的应用。市场的强劲需求不断激励和催化视频监控技术的向前发展。从技术上，视频监控经历了从模拟到数字、从分散定点到网络监控、从简单录像显示到智能化预警、从有线到无线、从近距离操作到远程控制等具有深远意义的变化，相信未来，随着标准化工作进程加快，视频监控应用将不断普及，视频监控行业将迎来新的发展机遇。8.1.1视频监控系统的发展阶段视频监控发展至今经历了模拟视频监控、半数字监控和数字监控三个阶段。第一阶段是模拟视频监控阶段。该阶段主要特点是视频信号来自模拟摄像机，传输采用同轴电缆，存储用模拟录像机，处理采用模拟控制主机(如模拟切换、矩阵主机等)。该阶段的视频监控系统称为闭路电视系统。第二阶段是半数字阶段。上世纪90年代视频监控进入半数字阶段，其特点是视频信源和视频传输仍以模拟方式为主，信号到达监控中心后由数字控制主机或硬盘录像主机(DVR)进行数字处理与存储。该阶段的视频监控系统常称为数字硬盘录像系统。第三阶段是全数字阶段。全数字技术的支持、高度集成一体化的网络摄像机、数字摄像机的广泛使用，标志着视频信源采集、压缩编码、信号处理进入数字化。通过Internet对网络摄像机中的IP地址进行访问，实现了传输、控制、存储、显示等全数字化。对于视频监控，数字化存储带来的是一场革命性的变化。数字化是21世纪的时代特征，视频监控的数字化也是监控技术发展的必然趋势。全数字视频监控系统通过基于TCP/IP协议的以太网络，真正实现了图像的远距离监控，故称该阶段的视频监控系统为网络视频监控系统或远程视频监控系统。由于目前新建的水电站视频监控系统大多采用全数字的网络视频监控系统，故在下面的论述中如未作特别说明，视频监控系统即为网络视频监控系统。8.1.2网络视频监控系统的组成视频监控系统由前端视频采集部分、网络通信部分和监控中心部分组成。前端视频采集部分包括摄像装置、视频编码器、报警输入/输出设备等。所有监控点信息都由前端视频采集设备进行图像采集。摄像装置是前端视频采集部分的核心，包括镜头、摄像机、防护罩及支撑设备等。根据被摄物体及摄像地点的不同，摄像装置的具体配置也各不相同。摄像装置可以固定，也可以采用云台控制，如水电站视频监控系统需要清晰的视频来观测水位及闸门等情况，则需要使用云台控制，当操作人员需要开启闸门时，可以通过云台控制调整观测角度，使用控制系统来控制闸门，并观测闸门的开合情况。为适合夜间监控的要求，可在监控点附近安装大功率的探照灯，系统可远程控制灯光电源开关，保证人员清楚的监控到夜间的情况。网络通信部分由路由器、交换机、无线网桥、防火墙、通信线路等设备组成。通信线路可以采用多种方式：双绞线、光纤、有线电缆、专线、帧中继、XDSL、无线局域网、卫星、微波、GPRS、CDMA等。网络通信可采用标准的TCP/IP协议，可直接应用在局域网或者广域网上。具体的通道方式可根据现场的实际情况进行选择。监控中心部分一般采用Brower/Server（简称B/S）结构，即由管理服务器（Server）和监视终端（Brower）组成。管理服务器由监控管理软件、服务器硬件、资源数据库等组成。监控管理软件能够实现完整的监控管理功能，是网络视频监控系统的核心。管理服务器主要完成现场图像接收，用户登录管理，优先权的分配，控制信号的协调，图像的实时监控，录像的存储、检索、回放、备份、恢复等功能。监视终端由监控工作站和电视墙等终端显示设备组成。监视终端可采用普通的PC机，通过客户端软件或标准浏览器访问监控管理服务器。一般采用用户登录的方式登录监控系统，根据管理的权限使用系统功能。对于中心监控室，通常会配置高性能的PC机作为监控工作站，并建立电视墙系统。在监视终端上还可实现多画面实时监控，远程控制摄像机云台、灯光控制、制订录像计划等操作。8.1.3网络视频监控系统的特点网络视频监控系统同其他视频监控系统如闭路电视系统和数字硬盘录像系统相比较而言，它具有以下一些特点：（1）网络视频监控系统不需要PC来处理模拟视频信号，而是把摄像机输出的模拟视频信号通过独立的嵌入式视频服务器直接转换成IP数字信号通过网络进行传输。（2）网络视频服务器采用专用操作系统，工作稳定、安全可靠，并且外形小巧，非常便于在有限空间安装。（3）网络视频服务器具备视频处理、网络通信、自动控制等强大功能，不仅完全替代数字硬盘录像系统采用PC机加多媒体卡的方式，而且减少了故障点，大大提高了系统整体可靠性。（4）网络视频监控系统是一种完全基于IP网络，采用Browser/Server结构设计的新一代综合视频监控系统，可方便地通过以太网接入水电站已存在信息网络系统中，除了可以满足现场实时监控的要求外，还能通过光纤、无线等通讯方式实现远程集中监控。（5）网络视频监控系统具有模块化结构的特点，所有扩容监控点和监控设备均可在原有系统不作任何改动的前提下直接接入系统，大大降低了扩容成本和保护了已有投资。8.1.4视频监控系统的应用视频监控系统在水电站中的应用主要包括以下几个方面：1．水库大坝管理（1）通过视频监控系统可监测水库蓄水水位情况。（2）操作人员在使用控制系统操作闸门时，可通过视频监控系统监视闸门和水流情况。（3）在某些环境下，如水库的溢洪道等地方，大部分时间属于无人值守状态，需要设置监控摄像机实时监控。（4）监测水库、坝区的周边环境。2．设备监控对站区重要室内设备：水轮机室、水车室、GIS室、母线廊道、发电机层、蝶阀层、技术供水室、电气层、开关室、尾水廊道等进行监控；对站区重要室外设备如主变压器、副厂房、避雷器群、断路器、接地刀闸等进行监控；监控应达到以下效果：清楚地监视场地内的人员活动情况、设备的具体运行状况和仪表盘上的读数。3．安全防范保障水电站空间范围内的建筑和设备的安全，起到防盗、防火的作用。在围墙、大门等处通过摄像、微波、红外探头以防止非法闯入；在建筑物门窗安装报警探头如门磁、红外、玻璃破碎探测器等，并在重点部位安装摄像机进行24小时不间断视频监控，实现报警联动录像的作用。由于各个水电站对视频监控系统要求的不同，以上只是简单地对视频监控系统所能应用的范围作一个简单的介绍。在实际应用中应根据水电站的实际情况，在满足运行管理要求的基础上进行监控应用范围的确定。8.1.5网络视频监控系统的设计与实现视频监控系统的设计方案多种多样，以下举例说明视频监控系统的设计与实现。在介绍该例之前，首先需要了解一些关键技术。（1）MPEG-4标准。MPEG系列标准包括MPEG-1、MPEG-2、MPEG-4等，MPEG-4标淮利用很窄的带宽，通过帧重建技术压缩和传输数据，以求用最少的数据获得最佳的图像质量。与MPEG-1和MPEG-2标准相比，MPEG-4除了传统的编码功能之外，还加入了更多引人注目的功能，包括基于对象的压缩编码方法、空域和时域的存取性和可扩展性以及很好的纠错能力等。MPEG-4标准不仅可以提供一个具有更高压缩效率的新多媒体信息传输标准，同时也可以达到更好的多媒体互动性以及全方位的存取性。MPEG-4编码系统是开放的，可随时加入新的编码算法模块，它能支持多种多媒体应用，可根据不同的应用需求，现场配置解码器。由于MPEG-4采用了基于对象的压缩编码方法，它把图像和视频分割成不同的对象分别处理，除了能提高数据压缩，还能实现基于内容的交互功能。MPEG-4能有效地处理基于对象的多媒体压缩、存取与交互，因此被广泛地应用到发电厂及电力系统的远程监控、可视电话和远程教学等领域。（2）IP组播技术。在了解组播技术之前，需要首先了解IP通信中另外两个技术，即IP单播和IP广播。采用IP单播方式进行通信，发送信息的源主机必须向每个希望接收此数据包的IP主机发送一份单独的数据包拷贝，这种巨大的冗余会给发送数据的源主机带来沉重的负担，因为它必须对每个IP主机的要求都做出响应，这使得主机的负担过于沉重，响应时间会大大延长。而采用IP广播方式进行通信，则源主机向一个网段中的所有IP主机发送IP信息包，该网段中的所有IP主机都接收该信息包。IP广播的主要缺点就是每个广播都要发送数据至一个网段中的所有机器，消耗了该网段中所有IP主机的资源，而且数据要被该网段中大多数IP主机所丢弃，由于大多数IP主机不希望接收此数据包。在实时的监控系统中，由于视频数据量很大，采用IP单播方式和IP广播方式都是不可取的，前者会耗尽源主机的资源，而后者会耗费多数IP主机的资源。为解决这个问题，IP组播技术应运而生。IP组播通信介于IP单播和IP广播通信之间，它能使源主机发送IP信息包到IP网络中任何一组特定的主机上。IP组播是指一个IP报文向一个“主机组”的传送，这个包含零个或多个主机的主机组由一个单独的D类IP地址标识，在IP地址的“小数点”表示法中，组播地址范围是从224.0.0.0到239.255.255.255，除了目的地址部分，组播报文与普通报文没有区别，网络尽力传送组播报文但是并不保证一定送达。主机组的成员可以动态变化，主机有权选择加入或者退出某个主机组，主机可以加入多个主机组，也可以向自己没有加入的主机组发送数据。采用IP组播方式进行通信，源主机只需发送数据的一个拷贝，多个接收者则都可以接收到，网络在每个接收者的最后一个路由器或主机复制它，在一个给定的网络上每一个包只传送一次。这样就大大节约了数据传送所需要耗费的资源。（3）多线程通信与同步技术。众所周知，Windows是多任务处理系统，线程的应用大大减少了程序运行的开销，线程间存在一定逻辑关系，要访问相同资源就需要实现多线程间的通信与同步，如果两个以上线程同时访问同一缓冲区，就可能产生读写数据错误的问题，所以必须通过一定的机制来达到线程处理中的读写同步。Windows提供了灵活的线程通信与同步方案，包括利用全局变量、用户自定义消息、事件对象和临界区等。为了提高系统运行效率，使得各个功能模块之间能够并行工作，在视频监控系统的软件设计中大多采用了多线程编程方式，其中服务器端软件主要包含主线程、数据采集、压缩、传输、报警及云台控制等多个线程，客户端软件主要包括主线程、接收、解压缩以及控制命令发送等多个线程。了解了以上几个关键技术后，我们就可以看一个基于B/S构架模型的网络视频监控系统的例子。该例是某水电站采用的网络视频监控系统，它同样由前端视频采集部分、网络通信部分和监控中心部分组成，前端视频采集部分由摄像装置、音频装置、报警装置、控制信号输出装置以及XviD编解码器等组成，完成图像采集、音频采集和播放、出错报警和控制等功能。网络通信部分由交换机（SwitchHub）、IP网络以及数字矩阵等组成，完成数据传输、交换和模数信号衔接等功能。监控中心部分由监控中心服务器（由多台视频服务器和磁盘阵列组成）、视频工作站以及电视墙等组成，其中监控中心服务器为服务器（Server）端，视频工作站为客户（Brower）端，形成B/S构架模型，服务器端对前端视频采集部分提供的数据进行处理，如数据压缩、数据传输、图像报警检测、视频存储等。同时，客户端有选择性地加入IP组播主机组，并经过身份验证，可以访问中央监控服务器，查询监控视频资源，系统中的客户端可以随时加人或退出网络，整个系统的规模可以动态改变，具有很强的适应性。为了能够加强客户端的图像显示功能