关于百万千瓦级核电站可视化电厂系统的应用研究

李大伟

【摘 要】当前高清数字化视频监控系统以及智能化科技的快速发展，对电厂视频监控系统的设计与应用的要求明显提升。论文通过分析国内首个百万千瓦级核电站对高清视频监控系统的应用经验，对可视化系统在电厂智能化应用方面的价值意义进行了分析。

【Abstract】With the rapid development of high-definition digital video monitoring system and intelligent technology， the requirements for the design and application of video monitoring system in power plants have been significantly improved. This paper analyzes the application experience of high-definition video monitoring system in the first domestic nuclear power plant with a million kilowatts， and analyzes the value and significance of the visualization system in the intelligent application of the power plants.

【关键词】视频监控;可视化;网络化架构;数字化高清;多电厂互联

【Keywords】video monitoring; visualization; networked architecture; digital high-definition; multi-power plant interconnection

【中图分类号】TM621                                          【文献标志码】A                                【文章编号】1673-1069（2019）10-0139-03

1 引言

随着科技水平的快速发展，数字化智能技术产品成为当今社会主流，软硬件成本也不斷在下降。在视频监控领域，网络高清产品于几年前已体现出超越传统模拟技术设备的条件。出于对未来智能化智慧应用的考虑，核电行业提出了可视化电厂的概念，期望建设网络架构下的智能化前端信息采集系统平台。初步实现实时监测现场作业区域的安全状态与作业人员的安全行为，感知现场作业;实时监视重要设备与厂房的状态，感知现场数据与条件;实时辅助监视火情，对火警执行复核，感知现场异常;实时监控辐射防护边界，控制边界完整;配合其他电子化工作优化内容的实现，从而实现电厂对集中管控、降本增效、群堆管理、运行安全等方面运营水平提升的需求。大亚湾核电基地是首个启动可视化电厂系统设计与实施的百万千瓦级核电站群。

核电站对视频监控系统的使用，在目的与需求上较其他行业存在比较明显的差异，导致其软件功能开发需求较为特殊，需要与核电站日常与大修生产运行、辐射监管、核安全法规管控、系统设备设计等级与安装规范等挂接，大部分功能均为定制研发。本文以视频监控系统在大亚湾核电基地可视化电厂系统建设当中的应用研究为题，在分析电厂对视频监控实际需求与国内外视频监控系统的发展现状的基础上，提出对电厂视频监控的总体设计方案，阐述管理与技术相互承接的思路方案，最终实现对生产过程进行监控管理，发现生产过程中的问题，进而改善管理规则，提高企业生产效能，保障安全。

2 研究背景

视频监控技术经历了四个主要发展阶段：第一阶段是模拟视频监控系统，其核心是矩阵计算，但传输范围比较小，距离短，没有远程访问的能力;第二阶段是半数字化监控系统，它是以硬盘录像为基础，使用计算机的多媒体监控技术，音视频采集的质量较高，存储形式也以数字形式存储，处理信息的能力大大提高;第三阶段是全数字视频监控系统，它是基于网络和 Web 服务器的远程视频监控系统，在远距离就可对设备进行控制与访问，与传统监控系统比较，全数字视频监控系统具有监控画面清晰、存储时间长、可以远程预览以及在网络上实现音视频的传输、压缩、解码、存储、播放和录播等功能等优势，大大改变了视频监控的新模式;第四阶段是智能视频监控系统，调用各种算法，可以对目标进行定位、锁定、跟踪，并具有人脸识别、入侵检测、智能分析、火灾检测等功能。视频监控发展如图1所示。

在2014年前后，核电站视频监控系统还主要应用于安防场景，设备基于模拟摄像技术，处于第2代产品向第3代过渡时期，高清数字化产品虽已出现，但尚未实现成熟的大批量工业应用，整体成本过高，难以实现大范围应用。但很快的，高清数字化视频监控的全产业链技术均开始成熟，具备了多场景应用的条件，第3代视频技术已全面到来，同时受到大数据、物联网等新技术火热发展的影响，第4代技术已出现雏形，各个子系统的互联互通成为了可能。在此时技术、经济及社会快速发展的大环境下，电力、交通运输、公安、银行等行业作为主要用户群体，都开始了视频监控系统在各自领域的开发与应用。

除了安防，核电站的生产区是其核心区域和重点监控区域，关系着电厂的安全稳定和经济运行，对其运营业绩有着直接的影响，故需要布置全面的视频监控设备，实现可视化电厂的需求。同时，国内核电基地建设全面开展，群堆模式下的运营管理需要充分考虑，因此，网络化架构的视频监控系统才能满足高级人员远程技术支持的视频使用要求。

3 国内外视频监控产品现状

目前，有两种监控方式是智能视频系统所采用的，一种是基于硬件的，一种是基于软件的。硬件形式以国外产品为主，软件形式则以国内产品为主。硬件形式的优点主要是分担了后台软件处理的负担，但可执行的功能受限明显，二次开发升级难度大，而软件形式则是集中承担了全部的分析任务，后台服务器压力大，容易造成卡顿等问题，但功能升级更为简易，无需不断升级前端硬件。依据现有经验，国内目前处于创新领先的阶段，功能开发定制需求较强，基于软件技术形式的智能视频系统更加符合国内使用需要。

欧美严格完善的质保控制体系，使得其软硬件视频监控设备主要在稳定性上占有绝对優势，使用时成熟可靠。国外知名硬件厂商有：Bosch、安讯士Axis、威智伦Avigilon等，软件管理平台有：Genetec、Bosch等。

国内知名硬件厂商为：海康威视、大华等，软件管理平台为：东方网力、宇视科技、商汤科技等。依据使用经验，国内硬件产品如海康威视，其设备型号制定对用户不够友好，采购过程可能存在潜在影响，而软件平台方面，则受到国内大量开发应用的利好，整体开发设计水平较为理想。

4 视频监控系统总体设计

4.1 视频监控系统结构

以核电基地为单位，每个基地均通过独立内网组建生产大区内的可视化电厂平台。各内网通过上级管理大区网络（如办公局域网），在满足信息安全管理要求的条件下形成互通，为授权用户提供实时的图像信息。

对于大亚湾可视化系统，采用基于PoE供电的网络高清摄像设备，各区域分布交换机进行联网，形成现场接入层。系统中心通过万兆交换机将全部视频信息汇总管理、分配及存储。

4.1.1 视频采集终端

主要采用1080P的球型一体化摄像机，以及720P/1080P的枪式固定摄像机，配合使用水下摄像机、红外摄像机等设备。根据大亚湾核电基地内3个百万千瓦核电站的可视化系统应用经验，每个电站（含2个独立机组以及公用系统）安装布置400台左右的视频终端，可基本覆盖生产监控需求。

此外，基于无线网络技术的个人便携式视频设备、车载视频设备、机器人动态视频等，也可根据使用场景补充使用。同时结合会议室系统的接入，可以实现专家远程支持与诊断功能。目前5G网络技术已经基本成熟，其传输带宽上的提升更加符合高清视频数据传输的需求，有效避免系统瓶颈。

4.1.2 视频主控中心

视频监控主控中心布置了各类服务器与存储阵列，是可视化系统的核心。

此中心需要较为专业化的房间环境，如通风散热、防静电与干扰、振动等。其中根据实际使用情况，存储环节较为容易出现故障，其主要原因为磁盘阵列内硬盘较多，振动增强引起。目前，存储技术已升级至“云端”，存储安全性得到了进一步提升，但随着设备应用数量越来越大，需要提前在设计阶段规划好机房空间与设备分布，提升主控中心设备的运行稳定性。

可视化系统的视频数据，涉及电站重要生产信息，数据控制应从严管理。

4.1.3 视频管理软件

由于视频监控软件功能需要大量定制开发，推荐采用在其他行业视频应用领域已积累足够经验的国内软件平台。大亚湾可视化系统由于起步较早，使用了当时业界排名第一的Genetec，其功能成熟稳定，但均为涉及收费的授权管理，进行功能扩展时需要不断采购权限，对项目开展与管理影响较为严重，且在涉及创新性功能开发时，由于其软件升版开发成本较高，国外厂家响应较慢，甚至出现因中美贸易摩擦，厂家拒绝提供进一步授权服务的情况，越来越难以满足项目应用需要。

同时，考虑到群堆管理需求，应关注视频监控软件具备物联网应用能力，更加适合在外网部分的应用，方便将各子系统在上游网络进行整合。例如，在无纸化作业模式下，将流程与现场设备信息电子化后，集中在物联网平台进行管理与利用。

4.2 系统网络架构

三个电站分别组建了一套全数字网络化的视频监控系统，同时，为了能通过该系统统一监视三个电站的状态，项目采用星型连接和分层的结构，通过光缆将三电站互连，从而实现统一监控、统一管理，并且该系统可连接到上级网络，实现视频信息的全网应用。

每厂的核心交换区域由1台万兆交换机组成，负责汇聚PoE交换机上传的数据。交换机的端口工作模式为TRUNK模式。每台交换机上将1080P、720P和存储服务器的管理划分不同的VLAN，网关都指向核心交换机，以便后期的维护和管理。

4.3 存储模式

为了避免一个月高清录像要求导致的超高存储容量，需采取合理的录像策略，既能保障不会“漏录”重要画面，又能最大程度地降低存储容量是构建一个高效，完善的存储系统所必须要考虑的。

4.3.1 保证图像清晰度的“抽帧”存储

对于录像而言，清晰度的重要性是远远高于连续性的。所以降低录像存储容量最直接的一个办法就是降低图像存储的“帧率”。正常情况下，连续视频是 25 帧/秒，但录像服务支持“抽帧”存储，帧率多级可选，且可以针对某个摄像机或者编码器独立设置存储帧率。

4.3.2 按时间段存储

录像服务支持指定时间段内进行存储。时间段的起始点和终止点可精确到秒。

4.3.3 “事件”触发存储

可设定特定触发条件来触发存储。

4.4 终端设备信号长距离传输

PoE形式下网络信号传输，理论上未使用网络延长器时传输距离为100m，使用延长器时增长至300m。保障信号质量的前提下，实测无延长器安全传输距离为80m，使用延长器时安全传输距离为200m。超过200m距离的，需使用网络光端机，中间通过光纤传送信号。

4.5 工作站显示授权管理

由于可视化系统供不同用户使用，工作站需显示内容各不相同，故采用不同等级的账号/密码进行分类管理授权，为各个用户提供不同的工作站显示范围。

5 结语

可视化电厂系统，是电站智能化的前端基础应用，其犹如电站智能化系统的一双眼睛，用于获取电站的各类基础数据，为其分析提供依据。电站运营管理人员，也需要可视化系统提供的实时信息，提高对设备问题的响应与处理速度，进而提升电站管理质量。

本文以大亚湾核电基地内三电站可视化电厂系统建设经验为例，分析了互联视频监控系统设计建设的关注要点，为今后可视化系统建设提供借鉴。且通过对现有可视化系统功能的分析，可以看到视频监控系统在未来还会有较大的扩展应用的空间，智能化管理具有非常强大的可塑性。随着科技的进步与经济的发展，无线网络技术也会广泛应用，有线与无线结合的数据传输速度也会加快，那么以往不便于安装监控的位置，采用无线技术会加速电站监控的全覆盖、无死角，进一步在电厂数字化建设中发挥强有力的作用。