变电站视频监控系统多级联网研究

练笔战，王文彬

（河南省电力通信自动化公司，河南 郑州450052）

1 引言

随着无人值守变电站的建立，图像监控技术在电力系统中的应用越来普遍。图像监控可以使相关部门通过现有的电力通信网或公网对所属变电站、杆塔、抢修现场实现远程实时图像监控、指挥处理，提高电网运行的安全性和可靠性，逐步实现电网的可视化监控和调度以及应急现场的可视化指挥。

从实际应用现状看，不同地域应用的电力远程视频监控系统应用水平参差不齐，电力系统尚未形成统一的相关技术标准。现在的变电站视频监控系统建设主要以各地市公司为主，各地市公司中在各个集控站设置分监控中心对所辖的无人值守站进行监控。一般一个地市有几个集中控站，设置几个分中心。由于建设时间不同，设备选型也不完全一致，厂家应用的技术也存在较大差异，各部门间统一协调、统一管理的需求越来越明显,多级监控、全局监控的建设逐渐成为电力行业构建新一代监控网络的必然要求[1-3]。要实现多级联网需要解决“两多”的问题，一个是解决多品牌设备的接入问题，另一个是多级结构的框架设计问题。

2 基于服务器级联技术和中间件技术的解决方案

省级电力图像监控系统具有分布广、待接入的设备种类多的特点，系统包括变电站、地区监控中心和省监控中心，在变电站安装子站，在站内的关键部位安装摄像机和报警探头，并接入子站的图像控制设备和报警控制设备，实现图像的切换、记录和报警联动。同时把子站的图像、报警信息传送到主站，供运行值班人员集中监控。子站主要设备为视频控制设备和报警控制设备。视频控制设备可以是嵌入式硬盘录像机或者是安装了视频压缩卡的工控机，主要负责视频信号的采集、编码传输和本地录像。子站报警控制设备主要是可编程的单板机或运行了相关程序的工控机，主要完成主控室温、湿度信息、告警信号采集以及空调、灯光的控制。

在地区监控中心，多个变电站的图像信号和报警信号都传送过来,可以实现显示、控制、存储、输出、检索等功能。地区监控中心包括管理服务器、动力环境服务器和流媒体服务器。省监控中心的功能和设备与地区监控中心基本相同，在省级监控中心可以调看所有地区监控中心能监控的变电站信息，因此省级监控中心的视频流负载可能会比较大，需要考虑视频流的负载均衡问题，因此需要多台高性能的流媒体服务器。

2.1 多级联网的实现

视频多级联网技术研究实现可灵活扩展的多级互联远程视频监控体系和技术，河南省电力图像监控系统为三级结构，即省监控中心—地区监控中心—变电站。要实现真正多级结构，主要技术涉及流媒体服务器和管理服务器的级联访问，即实现控制指令的级联转发和视频流的级联转发。

省级服务器和地区级服务器应处于不同级别，省级终端对地市公司管理的变电站的图像信息调用是通过地市服务器完成的，而不是直接访问变电站的视频监控主机。这样可最大程度地复用资源，尤其是网络带宽资源，同时也不会给视频监控主机带来额外负担。各个地市公司服务器有自己的数据库，省级服务器也有自己的数据，但它们之间没有重复数据，通过网络通信进行实时的数据共享。这样可以提高可靠性，数据一致性好。

每级监控中心都设置流媒体服务器，省级流媒体服务器通过地区流媒体服务器代理访问变电站前端视频监控主机实现多级转发。流媒体服务器级联对于构建稳定可靠的多级互联监控系统发挥了重要作用，由于一台流媒体服务器的代理转发能力受到网卡实际能力的限制，随着接入变电站数量的增加，省或地区监控中心接入的视频路数越来越多，就需要采用多台流媒体服务器组成集群进行视频流转发。

假设省公司的用户需要查看某地市公司一变电站的视频，请求与应答过程如图1所示，依次为：①省公司客户端请求图像；②省级管理服务器转达图像请求给省级流媒体服务器；③省级流媒体服务器判断图像源不在本地，下发图像请求给地方管理服务器；④地区级管理服务器转达图像请求给地区级流媒体服务器；⑤地区级流媒体服务器下达图像请求给变电站视频主机；⑥视频监控主机发送相应的视频给地区级流媒体服务器；⑦地区级流媒体服务器再发送视频流给省级流媒体服务器；⑧省级流媒体服务器将视频流发送客户端。

2.2 多品牌设备的接入实现

变电站目前采用的视频编码设备的品牌种类繁多，不同的视频编码设备的通信接口、码流格式都存在很大差异，给接入主站带来很大困难。中间件是处于底层的视频编码设备和应用程序之间的软件，其作用是为处于上层的应用软件提供运行与开发的环境，便于灵活、高效地开发和集成复杂的应用软件，屏蔽底层视频编码设备的异构性。中间件具有标准的程序接口和协议，是不同硬件设备和系统平台共享监控资源的一种独立的系统软件或服务程序，能有效解决子站视频编码设备的异构性问题。

系统软件结构上是基于中间件的分层结构，如图2所示，在应用层之下设置设备抽象层，通过插件方式将不同视频编码设备的SDK嵌入到软件平台。应用层不直接与设备进行通信，而是通过调用设备抽象层的插件接口函数完成。这样就实现了不同类别不同技术的视频编码设备的任意扩展和动态接入，满足了大型视频监控系统的开放性要求。插件由两部分组成：1）设备通信插件，负责与设备进行网络通信和数据交换；2）音视频解码插件，负责对通过设备通信插件获得的音视频数据流进行解码，得到还原后的图像和声音。

3 基于SIP协议和协议转换服务器的解决方案

SIP（Session Initiation Protocol）协议由 Internet工程任务组提出，与IP网络结合较紧，信令简单，呼叫建立时间短，易于扩展。SIP协议顺应了NGN的需求，具有较好的发展前景。SIP用来生成、修改和终结一个或多个参与者之间的会话。这些会话包括因特网多媒体会议，因特网或局域网电话呼叫和多媒体发布。会话中的成员能够通过多播或单播联系的网络来通信。SIP支持会话描述，它允许参与者在一组兼容媒体类型上达成一致，同时通过代理和重定向请求到用户当前位置来支持用户移动性，SIP不与任何特定的会议控制协议捆绑。

将SIP协议应用于远程视频联网具有一定的技术先进性，基于SIP的视频监控联网系统主要由交换服务器、流媒体服务器、管理服务器、动力环境服务器等组成[4-7]。采用SIP协议的视频联网系统与采用服务器级联技术的视频联网系统最大的区别在于前者增加了交换服务器。交换服务器是统一平台的核心，采用SIP作为主要信令控制协议，负责全网的呼叫控制，它包含了SIP代理、重定向、注册等功能。交换服务器完成的主要功能包括呼叫控制、媒体控制、资源分配、协议处理、消息路由、用户认证等，并提供编程接口。交换服务器控制着本域内所有设备和服务单元，为完成多级级联并控制下属的交换服务平台，交换服务器可与指定域的交换服务器进行交互。

3.1 SIP协议下级联的实现

采用SIP协议的子站在信号采集、视频编码传输和控制摄像机等功能的基础上增加了认证和注册功能和视频转换功能。子站包括SIP用户代理、视频协议转换网关、视频控制设备和报警控制设备。视频协议转换网关实现不同视频格式的转换，视频控制设备主要负责视频信号的采集、编码传输和本地录像，报警控制设备完成主控室温、湿度信息采集、告警信号采集以及空调、灯光的控制。

省公司客户端主要实现认证和注册、接收和播放视音频流、控制子站等功能。交换服务器负责提供注册、路由选择服务，具有一定的逻辑控制功能。流媒体服务器提供媒体转发服务，将来自监控前端的媒体流复制、转发到一个或者多个监控终端，这样既减少了监控前端的并发接入服务压力，又节省了监控前端占用的接入带宽。假设省公司的用户需要查看某地市公司一变电站的视频，请求与应答过程如图3所示，依次为：①省公司客户端向SIP交换服务器请求目标服务器信息；②如果没有路由信息则发给地市级SIP交换服务器进行路由；③地市级SIP交换服务器把相应的请求信息发送给地区级流媒体服务器；④流媒体服务器向变电站视频监控主机请求图像。完成定位后客户端可以通过地区流媒体服务器接收变电站视频监控主机发送的视频流。

客户端和子站完成注册后，在客户端建立与子站会话之前。客户端需要从本级的SIP服务器获取设备目录信息，在跨级访问的时候，就需要逐级发送路由查询信息。如果在各级SIP服务器之间共享设备目录信息可以提高路由速度。

3.2 采用视频转换网关实现多品牌设备接入

对于多品牌设备的接入，可以采用视频协议转换网关。视频协议转换网关设置在子站，实现对原有视频监控系统的前端设备接入，通过协议转换完成对不同厂家、不同型号的编码设备的接入，把信令控制协议统一为SIP协议，把媒体传输协议统一为RTP协议，实现系统内的统一SIP协议传输和控制。

4 小结

变电站视频监控系统联网是大势所趋，目前联网技术主要分为基于服务器级联技术和中间件技术的解决方案和基于SIP协议和协议转换服务器的解决方案，这两种方案各有优缺点，基于服务器级联技术的联网采用的协议缺乏通用性，但采用中间件技术解决多品牌接入的方法可以大大节省成本，保护了现有的资源。采用SIP协议联网可以规范联网协议，有利于建设更大的视频监控网络，应该是今后的发展方向，但采用视频网关实现多品牌设备接入成本较高，如何将这两种方案的优势结合起来值得进一步研究。另外，尽快制定相应的变电站视频监控系统建设规范也是当务之急，这样可使实现各个新建变电站的图像监控系统在规范指导下建设，实现平滑接入，大大节省投资，提高接入效率，实现资源共享。

[1]陈超.电力系统图像监控技术的研究[J].硅谷，2008（22）：15-16.

[2]丁正胜.无人值班变电站远程图像监控系统应用[J].大众用电，2009（3）：24-25.

[3]侯思祖，田新成，陆旭，等.变电站视频监控系统设计研究[J].继电器，2007，35（9）：60-64.

[4]邓挺，李小兵.SIP协议在视频监控系统中的应用[J].安防科技研究与探索，2007（8）：16-18.

[5]陈莹.SIP协议在视频监控系统中的应用[J].计算机系统应用，2009（1）：99-103.

[6]刘勇，陈延雄.SIP协议的研究及呼叫控制实现[J].微处理机，2008（3）：54-56.

[7]耿健.流媒体在网络视频监控中的应用[J].科技资讯，2009（26）：13-15.