无人变电站智能识别监控系统及方法

摘要

本发明公开了无人变电站智能识别监控系统及方法，该监控系统基于完全IP视频监控系统(IPVS)，包括：前端视频采集层采用具有智能识别功能的网络摄像机对变电站进行视频实时监控，并将监控数据通过网络传输层传送至监控中心；视频存储层，包括变电站信息就地分散存储和监控中心集中存储；周围警戒层，通过红外/微波传感器、震动探测装置、温度及湿度采集设备实时采集环境信息，监控中心接收前端视频采集层送来的异常信息，对信息进一步判断，对正常操作引起的当地报警进行筛除，确有异常则远程告警。智能识别模块对于不同的监控对象采用不同的识别算法，能够迅速分析目标设备的运行状态和变电站运行环境真正实现变电站无人值守。

权利要求

1.无人变电站智能识别监控系统，其特征是，无人变电站智能识别监控系统，包括前端视频采集层、网络传输层、视频存储层、周围警戒层及监控中心；

所述前端视频采集层采用具有智能识别功能的智能网络摄像机对变电站进行视频实时监控，如有异常，就地预警，并将监控数据通过网络传输层传送至监控中心；

所述网络传输层，采用以太网接口通过TCP/IP协议交换视频和数据信息；

所述视频存储层，包括变电站信息就地分散存储和监控中心集中存储；

所述周围警戒层，通过红外/微波传感器、震动探测装置、温度及湿度采集设备实时采集环境信息，所述周围警戒层与智能网络摄像机通过外部报警接口实现联动；

所述监控中心接收前端视频采集层送来的异常信息，对信息进一步判断，对正常操作引起的当地报警进行筛除，确有异常则远程告警；监控中心包括中心管理服务器、录像存储服务器、网络交换机以及客户端软件；

所述前端视频采集层的智能网络摄像机设置在重要监控对象附近，用于实现对断路器与刀闸的功能位置、表计位置是否正常、环境异常变化进行视频实时监控；

所述前端视频采集层的智能网络摄像机采用嵌入式实时操作系统，包括镜头、图像声音传感器、A/D转换器、图像编码器、Web服务器、网络接口、外部报警接口和嵌入式智能识别模块；摄像机通过图像声音传感器采集到的模拟视频信号经A/D转换器数字化后送至智能识别模块进行实时就地分析，如有异常则启动报警；视频信息经图像编码器编码压缩后通过网络总线传送到Web服务器并就地存储，网络上的用户可以直接用浏览器观看Web服务器上的摄像机图像，授权用户还可以控制摄像机云台镜头的动作或对系统配置进行操作；经智能识别模块识别后有异常的信息编码压缩并加密，通过网络接口送至后台服务器进行全面的监视和集中存储，大大降低了网络负担和对后端设备的性能要求。

2.如权利要求1所述的无人变电站智能识别监控系统，其特征是，所述前端视频采集层的智能网络摄像机的外部报警接口接入烟火感应器、红外探头传感器及湿度传感器，当感应器及传感器出现异常时，网络摄像机接收来自传感器的报警信号，自动调整镜头方向并实时录像；另一方面，当网络摄像机侦测异常画面时，亦可向外发出报警信号。

3.如权利要求1所述的无人变电站智能识别监控系统，其特征是，实时监控的监控信息主要分为三类：①变电站中断路器与刀闸的功能位置，②表计位置是否正常，③周围环境情况。

4.如权利要求3所述的无人变电站智能识别监控系统，其特征是，对变电站①、③类监控画面采用两步帧差法提取运动目标信息，对于第②类计数类型的监控，需要进行预定运行范围以及变化数字的变化速度两步判断，利用背景差分法判断是否运行在设定的范围内，利用帧差法判断数字的变化速度，二者作“与”运算，只有两个条件均满足，才判断为正常运行，否则判断为异常情况，立即提示报警；报警信号触发现场报警装置就地告警，并启动摄像机录像，记录违规操作过程及其他变电站中的异常情况。

5.如权利要求1所述的无人变电站智能识别监控系统的工作方法，其特征是，包括：

步骤一：采集数据：网络摄像机对无人变电站进行视频实时监控，A/D转换器将实时图像信息转换为数字信号；

步骤二：就地数据处理、分析与存储：采集的图像的数字信号送到智能识别模块进行智能识别，如有异常，网络摄像机进行就地快速预警，同时启动录像功能记录报警前后的信息，信息经压缩编码加密后送至网络接口；

步骤三：数据上传：异常实时图像信息以IP包的形式通过网络传至后台监控中心；

步骤四：集中分析与处理：监控中心对变电站视频信息进行全面的监视，监控中心与终端就地预警相配合，实现远程监控。

说明书

无人变电站智能识别监控系统及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及变电站自动化监控领域，尤其涉及一种无人变电站智能识别监控系统方法。

背景技术

[0002] 随着智能电网的推进，变电站作为输配电系统的信息源和执行终端，其要求提供的信息量和实现的集成控制越来越多。因此，目前的变电站迫切需要一个简约的、智能的监控系统，以实现信息共享，减少投资，提高运行、维护效率，从而真正实现变电站无人值守运行。

[0003] 变电站视频监控系统一般由视频采集系统、视频传输系统、视频存储系统、视频显示系统、周界防范系统、监控指挥调度系统六大部分组成。变电站运行中需要监控的主要内容包括:断路器与刀闸的功能位置、表计位置是否正常、设备有无异常发热、避雷器计数器的变化以及变电站环境异常变化等等。

[0004] 专利102929222A公布的变电站视频监控系统中，前端视频监控设备仍采用了若干模拟摄像机,借助DVR、NVR对模拟视频信息进行处理，因此该系统从本质上来说仍属于第二代视频监控系统。目前这种视频监控系统在电力系统中被广泛使用，但该类系统具有大量的局限性:

[0005] 1.传统模拟摄像机需要专门铺设视频线、音频线、控制线，布线施工费时、费力、费钱，且传统模拟摄像机易受环境影响，清晰度往往不能满足变电站对设备遥视的高要求；

[0006] 2.传统系统为集中式架构，增加摄像机需再布线，扩充受限，系统监控点位和存储容量的扩充都较为复杂；

[0007] 3.视频监控过程中大量无关紧要的视频数据被录制、存储，而重要事件容易被淹没，监控难度大，同时浪费存储资源；

[0008] 4.系统不能实现自动冗余，当系统中嵌入式网络视频服务器故障后，集控站不能正常监控变电站设备运行情况，无人值守后，存在安全运行隐患；

[0009] 5.有限的可管理性，需要外部服务器和管理软件来控制多个DVR或监控点，且监控点PC机配置要求较高；有限远程监视能力，不能从任意客户机访问任意摄像机，只能通过DVR间接访问摄像机；

[0010] 6.存储硬盘故障后，录像文件不能自动修复，需要中断系统才能更换，视频数据存在安全隐患；围墙入侵报警系统误报率高，可靠性差；不易维护、且维护费用较大。

[0011] 另外在变电站视频分析技术方面，传统方法是摄像头拍下图片后，由运行值班人员对比原始图片，人工分析变电站的运行情况以及是否被盗或受灾。

[0012] 现有的“视频监控系统+人工分析”的方法在一定程度上保证了无人变电站的安全运行，但耗费了大量的人力、物力，并且不能迅速分析目标设备的运行状态，无法及时捕捉和预防变电站设备人为破坏的危险，这就为无人变电站的安全运行留下隐患。

发明内容

[0013] 为解决现有技术存在的不足，本发明公开了无人变电站智能识别监控系统方法，本发明所提出的无人变电站视频监控系统基于第三代视频监控系统——完全IP视频监控系统(IPVS)，在此基础之上，融合了智能识别技术，使原系统升级为无人变电站智能识别监控系统。该系统通过安装在变电站内的便携式视频采集与控制设备，能够对对断路器与刀闸的功能位置、表计位置是否正常、环境异常变化进行视频实时监控，并通过内嵌的图像处理和智能识别系统，实现对危害变电站安全运行的操作进行快速智能辨识与预警，以便运行人员及时掌握现场情况并采取有效措施，同时具备现场广播告警功能。

[0014] 为实现上述目的，本发明的具体方案如下：

[0015] 无人变电站智能识别监控系统，包括前端视频采集层、网络传输层、视频存储层、周围警戒层及监控中心；

[0016] 所述前端视频采集层采用具有智能识别功能的智能网络摄像机对变电站进行视频实时监控，如有异常，就地预警，并将监控数据通过网络传输层传送至监控中心；

[0017] 所述网络传输层，采用以太网接口通过TCP/IP协议交换视频和数据信息；

[0018] 所述视频存储层，包括变电站信息就地分散存储和监控中心集中存储；

[0019] 所述周围警戒层，通过红外/微波传感器、震动探测装置、温度及湿度采集设备实时采集环境信息，所述周围警戒层与智能网络摄像机通过外部报警接口实现联动；

[0020] 所述监控中心接收前端视频采集层送来的异常信息，对信息进一步判断，对正常操作引起的当地报警进行筛除，确有异常则远程告警。

[0021] 所述前端视频采集层的智能网络摄像机设置在重要监控对象附近，如变电站内的断路器、刀闸、指示表盘、变电站出入口等，用于实现对断路器与刀闸的功能位置、表计位置是否正常、环境异常变化进行视频实时监控。

[0022] 所述前端视频采集层的智能网络摄像机采用嵌入式实时操作系统，包括镜头、图像声音传感器、A/D转换器、图像编码器、Web服务器、网络接口、外部报警接口和嵌入式智能识别模块；摄像机通过图像声音传感器采集到的模拟视频信号经A/D转换器数字化后送至智能识别模块进行实时就地分析，如有异常则启动报警；视频信息经图像编码器编码压缩后通过网络总线传送到Web服务器并就地存储，网络上的用户可以直接用浏览器观看Web服务器上的摄像机图像，授权用户还可以控制摄像机云台镜头的动作或对系统配置进行操作；

[0023] 另一方面，经智能识别模块识别后有异常的信息编码压缩并加密，通过网络接口送至后台服务器进行全面的监视和集中存储，大大降低了网络负担和对后端设备的性能要求。

[0024] 所述前端视频采集层的智能网络摄像机的外部报警接口接入烟火感应器、红外探头传感器及湿度传感器，当感应器及传感器出现异常时，网络摄像机接收来自传感器的报警信号，自动调整镜头方向并实时录像；另一方面，当网络摄像机侦测异常画面时，亦可向外发出报警信号。

[0025] 所述前端视频采集层的智能网络摄像机的智能识别模块，采用智能识别算法，能够实现对设备状态、位置图像信息就地快速智能辨识与预警。

[0026] 实时监控的监控信息主要分为三类：①变电站中断路器与刀闸的功能位置，②表计位置是否正常，③周围环境情况；

[0027] 对变电站①、③类监控画面采用两步帧差法提取运动目标信息，对于第②类计数类型的监控，需要进行预定运行范围以及变化数字的变化速度两步判断，利用背景差分法(包括整体式背景差分法和分割式背景差分法)判断是否运行在设定的范围内，利用帧差法判断数字的变化速度，二者作“与”运算，只有两个条件均满足，才判断为正常运行，否则判断为异常情况，立即提示报警；报警信号触发现场报警装置就地告警，并启动摄像机录像，记录违规操作过程及其他变电站中的异常情况，智能识别模块提供远程参数设置功能，可以根据应用场合对检测参数(如检测范围、检测区域、识别灵敏度等)进行远程设置。

[0028] 无人变电站智能识别监控系统的方法，包括：

[0029] 步骤一：采集数据：智能网络摄像机对无人变电站进行视频实时监控，A/D转换器将实时图像信息转换为数字信号；

[0030] 步骤二：就地数据处理、分析与存储：采集的图像的数字信号送到智能识别模块进行智能识别，如有异常，网络摄像机进行就地快速预警，同时启动录像功能记录报警前后的信息，信息经压缩编码加密后送至网络接口；

[0031] 步骤三：数据上传：异常实时图像信息以IP包的形式通过网络传至后台监控中心；

[0032] 步骤四：集中分析与处理：监控中心对变电站视频信息进行全面的监视，监控中心与终端就地预警相配合，实现远程监控。

[0033] 本发明的有益效果：

[0034] 1.本发明采用完全IP视频监控系统(IPVS)，智能网络摄像机使视频从图像采集设备输出时即为数字信号，从而避免了第二代视频监控系统中模拟小信号传输的弊端；提供Web服务，客户端可通过IP地址直接访问或控制智能网络摄像机；分布式架构省去布线麻烦，易安装，易扩展，可以实现全网范围内即插即用。

[0035] 2.嵌入式智能识别模块对于不同的监控对象采用不同的智能识别算法，能够迅速分析目标设备的运行状态和变电站运行环境，双层报警机制更准确，保证变电站安全运行，真正实现变电站无人值守。

[0036] 3.本发明通过抓拍及视频功能，对变电站电气设备本体、附属设备及线路通道环境远程实时观察，通过中心站的图像对比功能，实现对设备健康状态的诊断，及时发现设备缺陷，预测设备寿命，如有需要提出检修建议计划。

[0037] 4.本发明利用红外/微波、震动探测器对变电站环境进行警戒，并与视频监控告警联动，对危机变电站安全运行的行为予以警示和威慑。

附图说明

[0038] 图1系统总体结构图；

[0039] 图2智能网络摄像机的工作原理图；

[0040] 图3本发明工作流程图；

[0041] 图4(a)背景图像与当前帧图像差分图像；

[0042] 图4(b)填充后的图像。具体实施方式：

[0043] 下面结合附图对本发明进行详细说明：

[0044] 如图1所示，一种无人变电站智能识别监控系统，采用完全IP视频监控系统(IPVS)，整个系统采用分层分布式结构，分为五层：

[0045] 第一层为前端视频采集层，本发明在视频采集层全部采用具有智能识别功能的网络摄像机(IPC)；

[0046] 第二层为网络传输层，系统提供以太网接口，全部设备通过TCP/IP协议交换视频和数据信息，偏远地区，只要有GPRS、CDMA通讯网络的地方也可使用、不用自建、维护通讯网络。

[0047] 第三层为视频存储层，该层包括变电站信息就地分散存储和监控中心集中存储。摄像机将拍摄的视频信息转换成数字信号就地存储，同时将异常信息压缩加密后通过网络输送到监控中心，存入数据库，实现集中统计分析数据等功能。

[0048] 第四层为周围警戒层，系统布有红外/微波传感器、震动探测装置，同时安装温度、湿度采集设备，实时采集环境信息。所述周围警戒层通过与智能网络摄像机通过外部报警接口实现联动。

[0049] 第五层为监控中心，接收前端送来的异常信息，对信息进一步判断，对正常操作引起的报警进行筛除，确有异常则远程告警。另外监控中心负责管理系统的正常运转，协调各个部分之间的有效协作。用户可以在终端进行用户管理、实时的视频浏览、录像的检索和回放、接收并处理报警、实现报警联动、对前端设备进行PTZ控制以及对视频进行解码上电视墙。该部分包含：中心管理服务器、录像存储服务器(可扩展)、网络交换机以及客户端软件。

[0050] 智能网络摄像机设置在重要监控对象附近，用于实现对断路器与刀闸的功能位置、表计位置是否正常、环境异常变化进行视频实时监控。智能网络摄像机采用嵌入式实时操作系统，包括镜头、图像声音传感器、A/D转换器、图像编码器、前置控制器、Web服务器、网络接口和外部报警接口；另外，为了实现监控智能化，本发明中网络摄像机嵌入了智能识别模块。其工作原理如图2所示，具体描述为：摄像机采集到的模拟视频信号经A/D转换器数字化后送至智能识别模块进行实时就地分析，如有异常则启动报警；视频信息经图像编码器编码压缩后通过网络总线传送到Web服务器并就地存储，网络上的用户可以直接用浏览器观看Web服务器上的摄像机图像，授权用户还可以控制摄像机云台镜头的动作或对系统配置进行操作；另一方面，经智能识别模块识别后有异常的信息编码压缩并加密，通过网络接口送至后台服务器进行全面的监视、分析和存储，大大降低了网络负担和对后端设备的性能要求。

[0051] 图像编码器的图像压缩编码标准主要有MPEG4、H.264、M-JPEG。Web服务器采用TCP/IP协议。网络接口为以太网端口，另外支持WIFI无线接入、3G接入、POE供电(网络供电)和光纤接入。

[0052] 外部报警接口可根据需要接入烟火感应器、红外探头、湿度等各种传感器，当出现异常时，智能网络摄像机接收来自传感器的报警信号，自动调整镜头方向并实时录像；另一方面，当智能网络摄像机侦测异常画面时，亦可向外发出报警信号。

[0053] 智能摄像机其监控信息主要分为三类：①变电站中断路器与刀闸的功能位置，②表计位置是否正常，③周围环境情况。对变电站①、③类监控画面采用两步帧差法提取运动目标信息，对于第②类计数类型的监控，需要进行预定运行范围以及变化数字的变化速度两步判断，利用背景差分法(包括整体式背景差分法和分割式背景差分法)判断是否运行在合理的范围内，利用帧差法判断数字的变化速度，二者作“与”运算，只有两个条件均满足，才判断为正常运行，否则判断为异常情况，立即提示报警；报警信号触发现场报警装置就地告警，并启动摄像机录像，记录违规操作过程及其他变电站中的异常情况。智能识别模块提供远程参数设置功能，可以根据应用场合对检测参数(如检测范围、检测区域、识别灵敏度等)进行远程设置。

[0054] 智能识别模块能够实现对设备状态、位置图像信息就地快速智能辨识与预警。智能识别模块是网络摄像机智能化最重要的部分，该模块是智能网络摄像机的嵌入式软件，采用智能识别算法。算法具体内容如下：

[0055] 对①、③类监控画面，具体识别过程是：假设t时刻图像为fk(x,y)，t时刻前n帧图像为fk-n(x,y)，定义参数ηk用于存储第k帧图像的状态信息，当画面判断异常时ηk＝0,当前画面判断正常时ηk＝1，设定某一固定值n0，n0的选取决定了识别缓慢运动物体实时性的优劣，算法具体操作如下：

[0056] 13-1.)将当前第k帧与前一帧图像差分，得到Dk/k-1(x,y)＝|fk(x,y)-fk-1(x,y)|；

[0057] 13-2.)将第k帧与前k-n0帧图像差分，得到

[0058] 13-3.)将Dk/k-1(x,y)和 分别二值化处理，阈值为T

[0059]

[0060] 统计Rk/k-1(x,y)和 中值为1的像素点的个数，分别计为Nk/k-1和

[0061] 13-4.)排除扰动，设定像素值变化的点数阈值为NB，若Nk/k-1＞NB说明有快速运动目标出现，立即触发本地报警；若Nk/k-1＜NB，说明没有快速移动的目标，进一步判断与NB的关系；

[0062] 13-5.)若 且数列 至值均为1，即中间没有异常发生，此时说明有慢速移动的目标出现，触发报警，否则判断无异常。

[0063] 对第②类计数类型的监控

[0064] 2-1)背景模型初始化：

[0065] 对于数字表盘，背景图像为额定运行数值图像；对于指针表盘，背景图像为额定运行指针位置图像；

[0066] 2-2)模型更新：

[0067] 当运行方式发生变化时，运行参数也会变化，此时应对计数类监控的背景图像进行更新。

[0068] 2-3)实时状况监测：包括数字表盘实时状况监测及指针表盘实时状况监测；

[0069] 所述数字表盘实时状况监测具体包括：

[0070] 2-3-1)分割式背景差分判范围

[0071] 整体匹配误差较大，因为只根据像素信息无法判断变化数字所处的位置，十位上数字变化比十分位上数字的变化要严重得多，因此实行分割匹配。将数字表盘图像分割，且考虑小数点的位置(形如1.234)。若直接采用文字识别算法的话，每个数字需要进行10次匹配，匹配时间较长，若数字序列较长则时间更长，因此采用分割式背景差分算法,当匹配到满足精度要求的数字位时，参数p置1，否则置0；

[0072] 2-3-2)帧差法判断数值变化速度

[0073] 考虑到前后两帧数字变化范围较小，因此只需利用帧差法提取出变化量所在的数字位，以此估计出参数变化可能的最大速度vmax，并与设定阈值v0比较，若vmax＜v0，则参数q置1，否则置0。

[0074] 2-3-3)将参数p和q进行“与”运算，若p∧q＝1，则判断为正常运行，否则判断为异常状态且报警。

[0075] 所述指针表盘实时状况监测，包括：

[0076] 2-3-4)整体式背景差分判范围：将背景帧与当前帧图像进行差分运算，差分图像为Dbk(x,y)＝|fk(x,y)-fbk(x,y)|，二值化后得到图4(a)，对该二值化图像进行形态学处理，将锐角对应区域进行填充，得到图4(b)，统计图像中像素大于阈值的点的个数，实际对应锐角区域的面积大小S，与阈值面积SB比较，如果S＜SB，则判断为在正常运行范围内，参数p置1，否则置0；

[0077] 2-3-5)帧差法判断数值变化速度：fk(x,y)与fk-1(x,y)进行差分，二值化处理后，可根据前后时刻两个指针的端点计算指针的旋转线速度的绝对值度v，进而求得角速度ω，将其余阈值角速度ωB比较，如果满足ω＜ωB，则判断正常运行，参数q置1，否则置0；

[0078] 2-3-6)将参数p和q进行“与”运算，若p∧q＝1，则判断为正常运行，否则判断为异常状态且报警。

[0079] 所述数字表盘的分割式背景差分算法具体步骤如下(假设有效数字位数为5)：

[0080] 2-3-11)按像素集中度将当前帧分割成a、b、c、d、e五部分，将背景图像分割为A、B、C、D、E五部分；

[0081] 2-3-12)按从左到右顺序对应匹配：a与A、b与B…e与E；

[0082] 2-3-13)如果a与A不匹配，则立即报警，无需进行后面的运算；如果a与A匹配，则重复步骤2-3-12)，直至匹配到已经满足精度要求的数字位，参数p置1，停止。

[0083] 如图3，一种无人变电站智能识别监控系统的监控方法，具体运行流程为：

[0084] 采集数据：智能网络摄像机对无人变电站进行视频实时监控，A/D转换器将实时图像信息转换为数字信号；

[0085] 就地数据处理、分析与存储：图像数字信号送到智能识别模块进行智能识别，如有异常，监控终端进行就地快速预警，同时启动录像功能记录报警前后的信息，信息经压缩编码加密后送至网络接口；

[0086] 数据上传：异常实时图像信息以IP包的形式通过网络传至后台监控中心；

[0087] 集中分析与处理：监控中心对变电站视频信息进行全面的监视和分析，与终端就地预警相配合，实现远程监控，并可设置程序对违规操作或非法操作进行报警、远程警示喊话等。

[0088] 上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。