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[摘 要] 随着国民经济的发展，人民生活质量的提高，对电力的需求也日益俱增，迅速增加的输电线路给线路运行人员带来大量的巡视维护工作量，对交叉跨越、人员活动密集地、自然灾害区域等地的线路危险点的观察又是必不可少的。本文简述了输电线路危险点远程图像监控系统其构成和技术特点。系统运行结果表明：现场监控装置对电力杆塔、线路现场的图像、气象信息进行采集、压缩、分组后，通过GPRS/CDMA无线网络传输到监控中心，运行人员在监控中心就可全面了解线路危险点的情况，及时采取措施将事故消灭在萌芽状态。
[关键词] 输电线路；监控中心；巡视维护
0.引言
近年全国外破等事故逐年上升，暴露出传统的巡视方式也已不能满足现有的安全需求。因此，急需采用新的技术手段来帮助线路运行人员提高工作效率，但受通信方式、图像压缩技术以及电源技术的制约，高压线路的远程图像监控系统发展极为缓慢。国外曾开展过此方面的研究工作，在输电线路的铁塔上安装多部摄像机，分别监控不同的对象，同时测量环境的温度、湿度、降雨量。将图像及数据通过光纤传输到监控中心，监控中心根据现场图像及相关数据决定是否检修，对线路管理起了巨大的促进作用。但由于输电线路比较分散、距离长，架设光纤成本高，只能在几条实验线路上选几个点安装设备，不适合普及化应用，成本高、实施难度大。为了避免线路外力破坏事故发生，故采用输电线路危险点远程图像监控系统，对输电线路存在的危险点进行了有效的监控，确保了线路的安全稳定的运行。
该套系统集成了气象条件监测（温湿度、风速、风向、雨雪以及气压等），采用高性能摄像机，低功耗云台及特殊传感器，借助GPRS/CDMA网络平台进行现场图片拍摄。杆塔分机实行超低功耗设计，利用太阳能和蓄电池充电工作方式，可实现对高压线路及环境参数的全天候监测。给线路工区及时了解现场信息，将事故消灭在萌芽状态。有效地减少由于导线覆冰、洪水冲刷、不良地质、火灾、导线舞动、通道树木长高、线路大跨越、导线悬挂异物、线路周围建筑施工、塔材被盗等危险点因素引起的电力事故，实现可控、在控、能控。并且大大减少巡视人员的工作量，为输电线路的巡视及状态检修开辟了一条新的思路。
1.GPRS/CDMA 通信
目前，无线监控系统的数据传送模式大多采用以下4 种方式，即集群电台、GSM短消息、GPRS 和CDMA 模式。考虑视频监控需要大量无线数据传输，系统通信网络首先采用GPRS和CDMA 两种模式 。 利用现成的GPRS/CDMA 网络进行数据传输，具有运行费用低，稳定可靠，覆盖范围广等优点。国内GPRS/CDMA 网络的商业化运营为本项目的实现提供了前提条件。系统对通信模块采用休眠、定时开机的工作模式，从而大大减少系统的功耗。
目前，基于GPRS/CDMA方式通信主要为以下2 种模式：
第1 种为监控装置和中心均为固定IP 地址，由于移动服务商目前提供的固定IP 地址均为私有IP，因此中心和监控装置必需均采用GPRS/CDMA 方式进行通信，必需申请VPN（虚拟专用网络），收费较高，一般每月在1000~2000元之间。
第2种是监控装置为动态IP，中心为互联网提供的固定IP 。工作在此种方式下，由于装置的IP 地址在不断变化，因此中心和装置的联络变得比较困难，并且中心固定IP 的租赁费用很高，通常在几千到上万元不等。基于以上原因，采用了动态域名解析的原理，申请一域名，使监控装置只需向固定的域名及端口发送数据，不必关心中心的IP地址。中心在收到装置的数据的同时，即可知道每个装置的IP地址，并进行动态更新。每个域名年费用一般在200 ~400元之间，日常费用较低。各装置按包月一般费用为30~50 元。中心不需任何硬件设备，只要能够以任何方式接入互联网即可。
2.系统结构
整个系统主要由省公司监控中心主机、地市局监控中心主机、线路监测分机、专家软件组成，系统组网拓扑图如图1 所示。在线路杆塔安装一台监测分机，可定时、实时完成现场图片（压缩为标准JPEG格式）、环境温度、湿度、风速、风向等信息的采集，并可对分机进行远程参数设置。及时了解现场信息有效地减少了由于导线覆冰、洪水冲刷、不良地质、火灾、导线舞动、通道树木长高、线路大跨越、导线悬挂异物、线路周围建筑施工、塔材被盗等因素引起的电力事故。
图1 系统拓扑图
3.监控装置软硬件
3.1 硬件结构
监控装置包含高速一体化CD摄像机、云台、解码器、中央控制板、DSP 压缩模块 、GPRS/CDMA 通信模块、蓄电池、太阳能电池、温湿度测量模块、风速测量模块。中央控制板可定时或受中心请求启动摄像机工作，将摄像机采集到的视频信号经DSP 压缩模块压缩为标准的JPEG 文件，同时采集环境的温度、湿度。装置采用太阳能对蓄电池进行浮充的供电方式，中央控制板定期检测蓄电池电压以保证系统正常运行。装置主芯片采用MSP430系列芯片，使系统平均功耗低于0.05 W，从而使系统可在无阳光情况下连续工作30天，适合全国绝大多数地区使用。具体结构设计如图2 所示。
图2 监控装置原理
视频压缩模块、通讯模块、中央控制板等均由精密电子元器件组成，运行在高压输电线路铁塔上，属于典型的弱电系统在强电环境下的应用。设计时严格按照电磁兼容性原理进行设计，并加上软件及硬件看门狗，实时监控MCU的运行状态，并在壳体上采用多层多材质屏蔽措施。
3.2 摄像机组合
介于监测目标不同，有的监测导线覆冰、有的监测通道树木长高、线路大跨越、线路周围建筑施工、塔材被盗等，结合以上情况可进行多种组合方式。
（1）单个一体式摄像机（固定一个目标，可调焦）；
（2）一体式摄像机+ 红外摄像机（固定2 个目标，一个可调焦，一个晚上拍照）；
（3）单个全方位式摄像机（可拍照9 个预置位）；
（4）单个全方位式摄像机+红外摄像机（可拍照9 个预置位和固定一个目标）。 3.3 图像压缩技术的分析
基于GPRS/CDMA 网络的远程监控系统的数据处理及数据通信有其自身的特点，系统设计应考虑拍摄照片的清晰度以及较高的实时性。通过对JPEG 标准文件格式的分析可知，压缩图像的Huffman 码表和量化表附加在文件头中。就704×576 大小、256 级灰度图像而言，一张标准JPEG算法压缩的普通图片约占数十K字节到上百K 字节以上，要完成在窄带无线信道内的无误传输比较困难。考虑到摄像头监测的静态图像是铁塔塔身构件、绝缘子串、输电导线等视觉状况，基本属于“凝固态”，是缓变信号，间隔时间较短的前后两幅图像具有很强的相似性，如果直接对单幅图像进行JPEG 压缩就无法利用前面已经获知的信息，压缩效率低，故系统采用对差值图像进行压缩的处理方法。DSP接收由图像传感器拍摄的实时图，首先将其与存储器中的基准图进行配准，然后以像素对应的方式相减。针对差值图像的特性，将其分为16×16的子块，依次经过离散余弦变换（DCT）。对DCT 系数采用基于期望压缩比的量化模型量化，量化结果经过熵编码（包括行程编码和Huffman编码）压缩，压缩后的数据流按最大256个字节数拆分，并将各帧通过并行或串行接口发向主控板，主控板进行存储，然后通过GPRS/CDMA 网络依次发送到基站。将组合数据依次经过熵解码、反量化、IDCT 变换后恢复差值图像，并与基准图库中的相应基准图进行矩阵相加，以恢复实时图像。此后，监控中心和线路上的监控装置分别以恢复图取代基准图，进行同步更新。一般变化幅度不大的图像，运用差值图像压缩技术后可提高60% ~90% 的传输效率。
3.4 ARQ误码重传及多通道并行传输技术
针对GPRS/CDMA 网络传输速率低、误码率相对较高的状况，采用了数据分组、选择ARQ 误码重传的方法，使图像传输效率和成功率大幅度提高。
4.专家软件功能
系统软件带有查询、比较、分析、打印功能，可及时了解设备及环境变化信息，为事故预防及事后分析提供事实依据。系统为开放式机构，采用B/S 方式，在任意地点均可上网浏览。监控中心接收各装置的数据，并将图像、温湿度等数据存入数据库中。通过中心软件系统可随时查阅任意地点的图像资料，结合环境信息，决定是否派人巡视。也可将多幅图像进行对比，以观察线路危险点的发展趋势。
5.结语
输电线路是电力系统的重要组成部分，但因自然环境复杂、人为影响严重，一直以来是电力事故多发部分。由于线路所占幅域辽阔，线路运行人员不可能全时段和全气候监视。通过输电线路危险点远程图像监控系统的使用实现了对输电线路周边状况及环境参数进行全天候监测，运行人员在家就可全面了解线路危险点的情况，将事故消灭在萌芽状态。减少巡视次数，为输电线路的巡视及状态检修开辟了一条新的道路。
[关键词] 输电线路；监控中心；巡视维护
0.引言
近年全国外破等事故逐年上升，暴露出传统的巡视方式也已不能满足现有的安全需求。因此，急需采用新的技术手段来帮助线路运行人员提高工作效率，但受通信方式、图像压缩技术以及电源技术的制约，高压线路的远程图像监控系统发展极为缓慢。国外曾开展过此方面的研究工作，在输电线路的铁塔上安装多部摄像机，分别监控不同的对象，同时测量环境的温度、湿度、降雨量。将图像及数据通过光纤传输到监控中心，监控中心根据现场图像及相关数据决定是否检修，对线路管理起了巨大的促进作用。但由于输电线路比较分散、距离长，架设光纤成本高，只能在几条实验线路上选几个点安装设备，不适合普及化应用，成本高、实施难度大。为了避免线路外力破坏事故发生，故采用输电线路危险点远程图像监控系统，对输电线路存在的危险点进行了有效的监控，确保了线路的安全稳定的运行。
该套系统集成了气象条件监测（温湿度、风速、风向、雨雪以及气压等），采用高性能摄像机，低功耗云台及特殊传感器，借助GPRS/CDMA网络平台进行现场图片拍摄。杆塔分机实行超低功耗设计，利用太阳能和蓄电池充电工作方式，可实现对高压线路及环境参数的全天候监测。给线路工区及时了解现场信息，将事故消灭在萌芽状态。有效地减少由于导线覆冰、洪水冲刷、不良地质、火灾、导线舞动、通道树木长高、线路大跨越、导线悬挂异物、线路周围建筑施工、塔材被盗等危险点因素引起的电力事故，实现可控、在控、能控。并且大大减少巡视人员的工作量，为输电线路的巡视及状态检修开辟了一条新的思路。
1.GPRS/CDMA 通信
目前，无线监控系统的数据传送模式大多采用以下4 种方式，即集群电台、GSM短消息、GPRS 和CDMA 模式。考虑视频监控需要大量无线数据传输，系统通信网络首先采用GPRS和CDMA 两种模式 。 利用现成的GPRS/CDMA 网络进行数据传输，具有运行费用低，稳定可靠，覆盖范围广等优点。国内GPRS/CDMA 网络的商业化运营为本项目的实现提供了前提条件。系统对通信模块采用休眠、定时开机的工作模式，从而大大减少系统的功耗。
目前，基于GPRS/CDMA方式通信主要为以下2 种模式：
第1 种为监控装置和中心均为固定IP 地址，由于移动服务商目前提供的固定IP 地址均为私有IP，因此中心和监控装置必需均采用GPRS/CDMA 方式进行通信，必需申请VPN（虚拟专用网络），收费较高，一般每月在1000~2000元之间。
第2种是监控装置为动态IP，中心为互联网提供的固定IP 。工作在此种方式下，由于装置的IP 地址在不断变化，因此中心和装置的联络变得比较困难，并且中心固定IP 的租赁费用很高，通常在几千到上万元不等。基于以上原因，采用了动态域名解析的原理，申请一域名，使监控装置只需向固定的域名及端口发送数据，不必关心中心的IP地址。中心在收到装置的数据的同时，即可知道每个装置的IP地址，并进行动态更新。每个域名年费用一般在200 ~400元之间，日常费用较低。各装置按包月一般费用为30~50 元。中心不需任何硬件设备，只要能够以任何方式接入互联网即可。
2.系统结构
整个系统主要由省公司监控中心主机、地市局监控中心主机、线路监测分机、专家软件组成，系统组网拓扑图如图1 所示。在线路杆塔安装一台监测分机，可定时、实时完成现场图片（压缩为标准JPEG格式）、环境温度、湿度、风速、风向等信息的采集，并可对分机进行远程参数设置。及时了解现场信息有效地减少了由于导线覆冰、洪水冲刷、不良地质、火灾、导线舞动、通道树木长高、线路大跨越、导线悬挂异物、线路周围建筑施工、塔材被盗等因素引起的电力事故。
图1 系统拓扑图
3.监控装置软硬件
3.1 硬件结构
监控装置包含高速一体化CD摄像机、云台、解码器、中央控制板、DSP 压缩模块 、GPRS/CDMA 通信模块、蓄电池、太阳能电池、温湿度测量模块、风速测量模块。中央控制板可定时或受中心请求启动摄像机工作，将摄像机采集到的视频信号经DSP 压缩模块压缩为标准的JPEG 文件，同时采集环境的温度、湿度。装置采用太阳能对蓄电池进行浮充的供电方式，中央控制板定期检测蓄电池电压以保证系统正常运行。装置主芯片采用MSP430系列芯片，使系统平均功耗低于0.05 W，从而使系统可在无阳光情况下连续工作30天，适合全国绝大多数地区使用。具体结构设计如图2 所示。
图2 监控装置原理
视频压缩模块、通讯模块、中央控制板等均由精密电子元器件组成，运行在高压输电线路铁塔上，属于典型的弱电系统在强电环境下的应用。设计时严格按照电磁兼容性原理进行设计，并加上软件及硬件看门狗，实时监控MCU的运行状态，并在壳体上采用多层多材质屏蔽措施。
3.2 摄像机组合
介于监测目标不同，有的监测导线覆冰、有的监测通道树木长高、线路大跨越、线路周围建筑施工、塔材被盗等，结合以上情况可进行多种组合方式。
（1）单个一体式摄像机（固定一个目标，可调焦）；
（2）一体式摄像机+ 红外摄像机（固定2 个目标，一个可调焦，一个晚上拍照）；
（3）单个全方位式摄像机（可拍照9 个预置位）；
（4）单个全方位式摄像机+红外摄像机（可拍照9 个预置位和固定一个目标）。 3.3 图像压缩技术的分析
基于GPRS/CDMA 网络的远程监控系统的数据处理及数据通信有其自身的特点，系统设计应考虑拍摄照片的清晰度以及较高的实时性。通过对JPEG 标准文件格式的分析可知，压缩图像的Huffman 码表和量化表附加在文件头中。就704×576 大小、256 级灰度图像而言，一张标准JPEG算法压缩的普通图片约占数十K字节到上百K 字节以上，要完成在窄带无线信道内的无误传输比较困难。考虑到摄像头监测的静态图像是铁塔塔身构件、绝缘子串、输电导线等视觉状况，基本属于“凝固态”，是缓变信号，间隔时间较短的前后两幅图像具有很强的相似性，如果直接对单幅图像进行JPEG 压缩就无法利用前面已经获知的信息，压缩效率低，故系统采用对差值图像进行压缩的处理方法。DSP接收由图像传感器拍摄的实时图，首先将其与存储器中的基准图进行配准，然后以像素对应的方式相减。针对差值图像的特性，将其分为16×16的子块，依次经过离散余弦变换（DCT）。对DCT 系数采用基于期望压缩比的量化模型量化，量化结果经过熵编码（包括行程编码和Huffman编码）压缩，压缩后的数据流按最大256个字节数拆分，并将各帧通过并行或串行接口发向主控板，主控板进行存储，然后通过GPRS/CDMA 网络依次发送到基站。将组合数据依次经过熵解码、反量化、IDCT 变换后恢复差值图像，并与基准图库中的相应基准图进行矩阵相加，以恢复实时图像。此后，监控中心和线路上的监控装置分别以恢复图取代基准图，进行同步更新。一般变化幅度不大的图像，运用差值图像压缩技术后可提高60% ~90% 的传输效率。
3.4 ARQ误码重传及多通道并行传输技术
针对GPRS/CDMA 网络传输速率低、误码率相对较高的状况，采用了数据分组、选择ARQ 误码重传的方法，使图像传输效率和成功率大幅度提高。
4.专家软件功能
系统软件带有查询、比较、分析、打印功能，可及时了解设备及环境变化信息，为事故预防及事后分析提供事实依据。系统为开放式机构，采用B/S 方式，在任意地点均可上网浏览。监控中心接收各装置的数据，并将图像、温湿度等数据存入数据库中。通过中心软件系统可随时查阅任意地点的图像资料，结合环境信息，决定是否派人巡视。也可将多幅图像进行对比，以观察线路危险点的发展趋势。
5.结语
输电线路是电力系统的重要组成部分，但因自然环境复杂、人为影响严重，一直以来是电力事故多发部分。由于线路所占幅域辽阔，线路运行人员不可能全时段和全气候监视。通过输电线路危险点远程图像监控系统的使用实现了对输电线路周边状况及环境参数进行全天候监测，运行人员在家就可全面了解线路危险点的情况，将事故消灭在萌芽状态。减少巡视次数，为输电线路的巡视及状态检修开辟了一条新的道路。