风力发电综合监控系统解决方案.docx

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风力发电综合监控系统解决方案

风力发电综合监控系统解决方案

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2013-3-22  点击：

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太华伟业风力发电

综合监控系统解决方案

北京太华伟业科技有限公司

目 录

第1章、 

第一章 项目概况

一.1 项目背景

风能作为一种清洁的可再生能源，越来越受到世界各国的重视。

其蕴藏量巨大，全球风能资源总量约为2.74×109兆瓦，其中可利用的风能为2×107兆瓦。

中国风能储量很大、分布面广，开发利用潜力巨大。

随着世界经济的发展，风能市场也迅速发展起来。

全球风电产业2011年新增风电装机容量达41,000MW。

这一新增容量使全球累计风电装机达到238,000MW。

截至2011年全球75个国家有商业运营的风电装机，其中22个国家的装机容量超过1GW。

“十一五”期间，中国的并网风电得到迅速发展。

2007年以来，中国风电产业规模延续暴发式增长态势。

内蒙古、新疆、辽宁、山东、广东等地风能资源丰富，风电产业发展较快。

2010年10000兆瓦的发展目标在2008年就已达到，《可再生能源中长期规划》中2020年30000兆瓦的风电装机目标也在2010年提前实现。

2011年中国风电上网电量达715亿kWh，占全国总发电量的1.5%。

全年新增风电机组11409台，新增装机容量17.63GW，与2010年的18.94GW相比，下降了6.9%。

截至2011年底，全国累计安装风电机组45894台，累计装机容量62.23GW，中国风电市场在经历多年的迅猛增长后进入稳健发展期。

迅速增长的风力发电机组给机组运行人员带来越来越多的巡视维护工作，因此急需采用新的技术手段来辅助线路运行人员提高工作效率。

风力发电综合监控系统就是为解决以上问题而设计。

实现发电机组、升压站状况的远距离监控，工作人员在监控中心就能观察到线路监控点的图像，为预先处理可能故障提供依据，确保线路安全运行。

一.2 现状分析

随着国家大力推进智能电网建设，电力部门对风电场辅助系统的建设也趋于智能化。

根据我们对电力系统现状的调研及对智能风电场的理解，需求分析如下：

1） 目前国家电网公司正在大力建设坚强的智能电网，华能等发电集团也在推进发电运行可视化管理，对视频监控系统提出了新的要求，因此实现统一监控、统一存储、分级控制、分域管理，使不同的视频监视系统能够互联互通，满足视频监控系统全局化、整体化的发展需求已成为亟待解决的问题。

2） 一般风电场的选址比较偏僻，地理环境比较恶劣，工作人员居住地离现场较远，并且各风电场相距较远，每个风场内风机数量也很多，所以每个风场都需要配置一定的工作人员进行日常的巡检维护，从而造成了人员的浪费。

3） 风电机组置于野外经常因环境等因素导致风电机组倒塌、起火等事故时有发生。

4） 传统的视频监控以“被动监控”为主，需要值班人员时刻监控，但显然不现实，大多数时间只适用于案件追溯的视频查阅；随着视频移动侦测技术的应用，实现了局部智能化，但无法避免误报的现象，给值班人员“狼来了”的错觉。

5） 风电场升压站除了视频监控系统外，还部署有环境监测、入侵报警、火灾报警、SF6泄漏报警、照明、采暖通风、给排水等辅助系统，之前这些子系统大多独立运行，很难做到多系统的智能关联、应用集成，随着技术规范出台，系统的整合已成必然。

6） 部分风电场升压站的入侵报警系统、火灾报警系统通过开关量方式与视频监控系统进行关联，而报警主机输出的开关量有限，当系统发生报警时，只能显示防区信息，而无法精确到具体点位（比如某个烟感），通过协议方式接入第三方辅助系统。

一.3 设计目标

我们将采用iVMS-8800电力平台视频及环境监控软件，建立一套适应风电场安全生产的现代化综合监控系统，对前端的运行、业务、设备等进行管理，并满足上级平台集中管理、分层查看、分级监督的需求，主要实现以下目标：

1） 前端各辅助系统间可实现智能联动，当某区域发生报警时启动相应预案。

2） 前端客户端可以集中监控管理所辖风电场的视频监控系统。

3） 前端采用智能视频设备，变“被动监控”为“主动监控”。

4） 前端客户端可以集中监控所辖升压站的环境监测、入侵报警、火灾报警、照明、空调通风、给排水、SF6泄漏报警等辅助子系统。

一.4 设计依据

●∙《MPEG4视音频编解码标准—视听对象的编码》  ISO/IEC14496-2

●∙《视音频编解码标准》                          ITU-T  H.264

●∙《音频编解码标准》                            ITU-T  G.711

●∙《循环式远动规约》                            DL 451-91

●∙《电线电缆识别标志方法》                      GB/T6995

●∙《全介质自承式光缆》                          YD/T 980-1998

●∙《民用建筑电气设计规范》                      JGJ/T16-92 

●∙《安全防范工程程序与要求》                    GA/T75-94 

●∙《民用闭路电视系统工程技术规范》              GB50198-94 

●∙《中华人民共和国公共安全行业标准》            GA38-94 

●∙《安全防范系统验收规则》                      GA308-2001 

一.5 设计原则

随着信息技术的飞速发展，新技术不断涌现。

输电线无线视频监控系统，必须是高性能、可扩展的计算机网络体系结构，以便支持今后不断更新和升级的需要，从而保护投资。

同时本方案以满足实际应用为出发点，设计时主要遵循以下原则：

●∙可靠性

系统可靠性是系统长期稳定运行的基石，只有可靠的系统，才能发挥有效的作用。

本方案从系统设计理念到系统架构的设计，再到产品选型，都将持续秉承系统可靠性原则，均采用成熟的技术，具备较高的可靠性、较强的容错能力、良好的恢复能力、防雷抗强电干扰能力、主要设备存在结构与功能的冗余、系统设备具有自诊断功能。

同时系统的使用不能影响被监控设备的正常运行，系统的局部故障不能影响整个监控系统的正常工作，系统具备处理同时发生多事件的能力。

●∙先进性

系统设备应具有先进性，避免短期内因技术陈旧造成整个系统性能不高和过早淘汰。

系统硬件选用国际产品时应有国际认证和国内检验机构的合格证书，选用国内产品时应有国家相关权威机构的检验检测报告及证书，并充分考虑产品的先进性和可升级性。

●∙扩展性

系统应充分考虑扩展性，采用标准化设计，严格遵循相关技术的国际、国内和行业标准，确保系统之间的透明性和互通互联，并充分考虑与其它系统的连接；在设计和设备选型时，科学预测未来扩容需求，进行余量设计，设备采用模块化结构，便于系统扩容、升级。

系统加入新输电线时，只需配置初步采集设备在管理平台做相应配置即可，软硬件无须做大的改动。

●∙易管理性、易维护性

系统采用全中文、图形化软件实现整个监控系统管理与维护，人机对话界面清晰、简洁、友好，操控简便、灵活，便于监控和配置；采用稳定易用的硬件和软件，完全不需借助任何专用维护工具，既降低了对管理人员进行专业知识的培训费用，又节省了日常频繁地维护费用。

●∙安全性

在站端系统与监控中心之间必须保障通信安全，采取可靠手段杜绝对前端设备的非法访问、入侵或攻击行为。

数据采取前端分布存储、监控中心集中存储管理相结合的方式，对数据的访问采用严格的用户权限控制，并做好异常快速应急响应和日志记录。

第二章 系统总体设计

二.1 系统总体架构

风力发电综合监控系统由前端监控系统和中心平台控制系统相互衔接缺一不可的两部分组成。

前端监控系统包括了风电机组监控子系统和升压站监控子系统。

系统总体架构图如下：

二.2 设计思路

风电场综合监控系统是集硬件、软件、网络于一体的大型联网监控系统，以电力行业平台软件iVMS-8800为核心，实现前端系统的管理。

简单的视频监控已无法及时有效为风电机组运行状态是否正常提供参考，因此风电机组监控采用红外热成像摄像机，不仅可以查看实时视频而且可以实时监测风电机组表面温度，为判断风电机组是否正常运行提供可靠参考。

随着视频监控进入高清时代，模拟摄像机已无法满足智能风电场监控的需求，高清摄像机的应用不但满足了细节监控（设备状态、表盘刻度）的需求，还为设备的智能状态分析提供了精确的视频源。

采用智能分析设备对各种行为进行分析并执行各种预案，变“被动监控”为“主动监控”。

风电场的升压站内部分精密设备对运行环境有较高的要求，为确保环境量恒定在一定范围内，需要部署环境监测系统进行实时监测。

对于设备运行环境，主要有温湿度、渗漏水情况的监测。

传统环境监测设备通常采用有线方式接入，随着物联网技术的发展，无线传感器技术的应用引领智能升压站进入了物联网时代。

在计算机技术和网络通信技术不断发展的今天，系统的整合是发展的必然。

综合监控系统作为一种重要的现代化监测、控制、管理手段，以视频监控系统为核心，同时把环境监测、入侵报警、消防报警等系统整合进来，并把各系统有限关联起来配置成预案，增加系统的高效性，实现大集控的目的。

综合监控系统不能仅满足于辅助管理，还需为生产调度提供支持，视频监控系统可与升压站SCADA系统实现智能联动，实现升压站运行调度可视化管理，充分体现资源的共享性，而无需额外建设投资。

二.3 功能设计

风电场综合监控系统除满足原有基本功能外，被赋予了许多新的要求，应具备如下功能：

1） 实时视频监控

通过客户端和浏览器可以实时掌握升压站现场的一切情况，对所辖区域的任一摄像机进行控制，实现遥控云台的上/下/左/右和镜头的变倍/聚焦，并对摄像机的预置位和巡航进行设置控制应具有唯一性和权限性，同一时间只允许一个高权限用户操作。

2） 智能视频分析

通过智能视频设备，支持穿越警戒面检测、进入离开入侵区域检测、物体快速移动检测、物品拿取放置检测、停车检测、徘徊检测、人物聚集检测等应用。

针对监视目标进行实时检测并按照用户设置的预案触发报警，发生入侵行为后，系统能对非法目标实现移动跟踪。

3） 环境数据监测

风电场的稳定运行离不开场内一次、二次设备的安全运行，自然条件等因素影响着设备的安全运行，高温、雷雨、冰雪、台风天气设备的事故发生率特别高，同时设备周边的环境状况也能反映设备的运行状况。

监控人员为全面地掌握升压站的运行状况，需实时对温度、湿度、风速、水浸等环境信息进行采集、处理和上传，生成曲线和报表，方便实时监控、历史查询、统计分析。

4） 预案系统

通过现场设备和平台软件对各子系统进行关联，制定联动预案：

当周界防御或消防报警设备被触发时，有预置功能的摄像机还能自动转到预置点，按需设置联动录像功能；预设的报警能弹出窗口，并配合电子地图显示；当温湿度超标时，应能自动报警并开启采暖通风系统。

除了系统联动预案外，还支持风电场可视化巡检预案。

传统巡检采用人工巡检、手工纸质记录的方式，部分可能会采用打卡记录的方式，但巡检质量及到位率无法保证。

可视化巡检功能，按人工巡检的路线，把沿途多个监控点的多个预置位添加进预案，可保证巡检质量及到位率，一旦发现问题可截图并标注问题，发送给相关检修部门。

5） 资源共享

条件允许的话，可以与SCADA系统进行互联。

信息一体化平台可以调用升压站智能辅助系统的数据，为可视化、智能化运行调度提供保障。

6） 语音功能

客户端主要有语音对讲和语音广播功能：

通过语音对讲，上级管理部门和升压站工作人员可以进行沟通；通过语音广播，工作人员可对现场工作进行指导，对非法闯入人员进行警告。

7） 电子地图

支持JPEG、BMP格式位图的导入和显示，可导入风电场的平面图，在平面图上添加关联设备，并在电子地图上实现远程设备控制，报警图标闪烁等功能； 

8） 录像回放

对监控视频进行实时存储，记录告警前后的现场情况，记录事故检修过程；通过网络调用回放录像，提供事故发生时的资料，为事故分析和事故处理提供帮助，并为事故处理和标准化作业教学提供宝贵的资料。

9） 远程配置维护

系统提供远程访问功能，管理员不必到达设备现场，就可修改设备的各项参数，实现校时、重新启动、修改参数、软件升级、远程维护等功能，提高的设备维护效率。

10） B/S方式访问

MIS用户通过B/S（Brower/Server）方式访问系统，B/S方式采用标准的HTTP协议，具有很强的开放性和兼容性，完全能融合在电力系统现有网络中。

通过标准的IE浏览器，相关负责人和管理人员可根据不同的权限对系统进行配置及监控，操作界面全部为中文可视化界面，使用非常方便。

二.4 系统特点

二.4.1 采用应用整合技术

本方案采用了太华伟业NVR+动环监控报警主机的方式。

动环监控报警主机集成了各种报警、控制协议，可采集模拟量信号、串口信号、开关量信号，支持其他子系统的可靠接入，可以对环境监测、入侵报警、门禁、消防等子系统进行集成。

系统集成改变了各系统独立运行的局面，满足了电力系统用户“减员增效”的需求。

该技术不单是对各独立系统功能的简单叠加，而是对各功能进行了整合优化，并进行了智能关联。

用户可以根据需要对各功能进行关联，满足规则后可以触发相应功能。

二.4.2 采用高清监控技术

现有的视频监控系统，主要功能是记录事件的经过，在更多关键细节上做的还不够。

随着视频监控技术的高速发展，用户对于视频监控产品的要求也在不断提高，“让我们看得更清楚”是许多用户提出的一个非常迫切的需求。

在视频监控产品经历了模拟时代、数字时代、网络时代的发展后，现在已经逐步走入了高清时代，高清监控已成为未来安防行业主要发展技术之一。

关于“高清”的定义，最早来源于数字电视领域，美国电影电视工程师协会提出了高清电视（HDTV）标准，分辨率需达到720p以上。

安防行业内部对于高清没有成文的标准，模拟摄像机超过480线就宣称为高清，经数字编码后分辨率可以达到D1或4CIF；当网络摄像机出现后，分辨率满足720p才能称为高清。

完整的高清方案需要前端、平台、传输、存储、浏览、显示等各环节都满足高清标准。

通过下图可以看到CIF、4CIF、720P、UXGA的分辨率比较，可以清楚看到高清摄像机（720P、UXGA）的分辨率远大于标清摄像机（4CIF），分辨率的不同带来了清晰度的差异。

下图为高清摄像机的显示效果，可以清晰的显示设备表盘读数。

太华伟业网络高清摄像机的使用（如DS-2DF1-672）可以大大提升综合监控系统的应用价值。

通过上面的图例，高清视频监控相比标清视频监控具有明显的技术和应用优势：

●∙图像清晰度更高，在发电场的一些重要监控点（重要仪表的监视），应采用高清摄像机可以获取高清晰度的监控画面，能更清楚地呈现仪表读数。

●∙高清监控技术的采用，使场景覆盖范围更广，减少单位面积监控点的数量，可以提高监控效能，减少设备投资。

●∙使细节更清晰，大大提高智能视频分析的精度，有利于图像识别和智能视频分析的应用。

随着电力系统无人值班或值守模式的推广，用户对高清监控提出了迫切的需求，如在升压站内看清被监控设备的细节（油位、温度计）是很重要的。

二.4.3 采用智能分析技术

上级平台管理着所辖升压站成百上千个监控点，单凭平台十几个电视屏和几个值班人员，是难以兼顾的。

传统DVR的主要作用是事后调查回放，往往都是事故发生后，才去查阅相应的视频，仅仅作为案件的回顾。

而不能防患于未然，在事件发生时就及时发现并进行控制，从而减少误操作，预防人身伤亡事故。

由于风电场内监控点位多、视频信息量大、无效视频信息多，通过智能视频分析过滤功能可减少无用视频信息，将大量无用信息过滤在前端，制定分析策略后将有价值的视频信息提取并存放到上级平台。

早期的视频移动探测技术（VMD）并不是真正意义上的智能视频分析技术，仅仅具备移动探测功能，在目标跟踪、分类、识别等方面功能较弱，还会产生大量误报。

由于VMD技术的缺陷，就产生了基于背景建模和目标追踪技术的智能视频分析（IVS）技术， 这里的IVS技术是个泛指以示与VMD技术的区别。

智能视频监控系统，与传统的监控系统相比，具有更优的有效性和持久性。

太华伟业iDS-6502HF（/B）智能视频服务器可以对多种行为进行视频分析，它能够识别不同的运动物体，能够实现全天候工作，大大减轻平台值班人员的工作强度，发现监控画面中的异常情况，并能够以最快和最佳的方式发出警报和提供有用信息，提高报警处理的及时性，从而能够更加有效的协助安全人员处理危机，并最大限度地降低误报和漏报现象。

二.4.4 采用电力专用平台软件

电力系统由于前端升压站数量庞大，一般都分布在多个地域，综合监控技术的采用又增加了数据处理量，单级系统的部署已不能满足要求，需采用多服务器分布部署甚至多级级联的方式来实现。

太华伟业电力专用平台软件iVMS-8800，是我们根据电力系统的行业特点开发而成。

除了部署在前端系统，完成前端设备的配置和监控。

软件还支持超大规模的部署，能满足电力系统多级综合监控的应用需求。

软件采用模块化构建方式，可应需裁剪；采用Web Service作为对外的服务接口协议，方便二次开发商集成；方便的增值业务集成；统一的平台内部协议；统一的部署和管理。

第三章 前端系统设计

风电场前端系统由风电机组监控子系统和升压站监控子系统组成，升压站前端系统主要由视音频监控系统、动环监控系统、网络设备等组成，实现对升压站视音频及各种环境信息采集、处理、监控等功能；风电机组系统主要由视频及红外热成像监控系统组成，实现对风电机组运行状态的监测。

三.1 风电机组监控子系统

风电厂风机分散的部署于风电场内，每台风机由机塔、机舱和风叶组成，其中传动装置、发电机、变换器等核心设备都集中在机舱内。

在风机不远处会有一个箱变内置升压变压器。

对于每台风机，我们部署3台摄像机做视频监控采集，两台部署于风机机舱内部，室外部署一台。

其中室内部署红外热成像摄像机和高清红外枪机，分别对机舱内设备温度情况以及仪表数据信息进行视频采集和呈现。

室外部署高清红外智能球机，通过预置位设置，主要对风机入口以及风机附近的箱变进行监控。

3台摄像机通过网线接入风机交换机，通过光纤链路传输到监控中心。

视频存储由中心的IPSAN设备进行统一集存。

三.2 升压站监控子系统

三.2.1 视频监控系统

视频监控系统主要负责对全站主要电气设备、安装地点及周边环境进行全天候的视频监视，同时能与其它子系统进行报警联动，满足生产运行对安全、巡视的要求。

除了常规视频监控外，本方案还采用智能视频分析、红外热成像技术，以此提高系统的实用价值。

三.2.1.1 站端摄像机

升压站是输变电网的枢纽，安装有大量一次设备，还配套有二次设备、计算机设备、通信设备，任何设备都关系到升压站的安全运行，同时场地环境也影响着设备的运行状况。

前端摄像机的监控范围大小、视频采集质量将影响整个视频监控系统的质量，应结合升压站实际监控需要选择合适的产品和技术方法，保障视频监控的效果，我们在选择摄像机时可参考以下原则：

●∙围墙监控可采用变焦镜头的一体形摄像机，越界报警联动平台弹视频窗口时，由于围墙范围广，便于工作人员进行变焦操作看清可疑目标。

●∙大门监控可采用固定红外枪机，具备红外夜视功能，满足全天候24小时监控的需要。

●∙全景监控（主控楼顶）可采用高速球机，实现大范围监控的需要；根据客户需求，也可选用高清球机及智能跟踪球。

●∙场地及高压室监控，可采用高速球机，实现大范围监控的需要；如需对细节（油位、油温）进行监控，也可选用高清球机。

●∙小范围的室内（通信室、蓄电池室）监控可采用固定枪机。

●∙大范围的室内（主控室、继保室）监控可采用中速球机，实现大范围监控的需要。

●∙需要夜间摄像的监控点，为保障夜间低照度条件下的清晰度，采用的摄像机应具有彩转黑、低照度（彩色≤1.0LUX、黑白≤0.01LUX）功能。

●∙室外枪机需配置IP66等级的室外型防护罩。

●∙室外球需达到IP66防护等级。

●∙网络摄像机应具备开关量输出功能，以控制补光灯开启。

●∙部分距离较远（超过100米）、周围高压设备干扰较大的监控点，建议采用光纤接口的摄像机。

三.2.1.2 站端视频处理单元

本方案采用全数字模式实现站端综合监控。

1） 技术介绍

建议采用了太华伟业NVR，融入多项IT高新技术，如视音频编解码技术、嵌入式系统技术、存储技术、网络技术等，符合视频监控数字化、高清化的发展趋势。

除了视频信号，设备可具有开关量接口，支持开关量报警信号的输入、开关量控制信号的输出。

2） 主要功能

●∙支持对发电站内网络摄像机实现接入管理，并可存储录像在本地，不同通道可设定不同的录像保存周期；支持VGA、主辅视频及辅助视频端口的本地输出；

●∙HDMI最高分辨率达1920*1080，VGA最高分辨率可达1280*1024，支持1/4/9/16画面预览，预览通道顺序可调；

●∙支持预览分组切换、手动切换或自动轮巡预览，自动轮巡周期可设置；支持预览的电子放大；

●∙可屏蔽指定的预览通道；

●∙支持视频移动侦测、视频丢失检测、视频遮挡检测、视频输入异常检测；

●∙支持视频隐私遮盖；

●∙支持多种主流云台解码器控制协议，支持预置点、巡航路径及轨迹；

●∙云台控制时，支持鼠标点击放大、鼠标拖动跟踪功能。

●∙根据本设备及动环监控报警主机的开关量报警信号、通信控制器下发的联动指令，实现视频联动：

调用预置位、启动报警录像等；

●∙支持NTP（网络对时）协议、SADP（自动搜索IP地址）协议、SMTP（邮件服务）协议、NFS（接入NAS）协议。

3） 存储计算

视频图像存储空间计算公式：

每个前端存储总容量（GB）＝【视频码流大小（Mb）×60秒×60分×24小时×存储天数/8】/1024。

以一路视频图像在7天、15天、30天所需要的占用空间估算如下：

存储天数

视频规格

7天

15天

30天

1280*720（HD720P），4Mb码流（最佳图像效果）

295.31

632.81

1265.63

720*576（D1），2Mb码流

（最佳图像效果）

147.66

316.41

632.81

风电场内的视频很多需连续存储30天，以24路D1接入为例，根据计算得出需要15188GB，实际配置时还需要考虑格式化开销，建议采用8块2TB硬盘。

三.2.1.3 智能视频分析

因为升压站内存在着重要区域，以往“被动监控”只适用于事后追溯。

而前端智能跟踪球及智能视频服务器的采用，变“被动”为“主动”，可以对事件做到“早发现早预防”。

设备数量可按需配置，今后可以增加设备数量以支持更多的视频分析。

1） 单球跟踪

智能跟踪球利用行为分析作为触发事件，球机将自动跟踪目标物体直至物体消失。

触发模式：

事件触发和手动选取。

太华伟业智能跟踪球可以对升压站围墙进行智能分析，划定围墙为警戒面，在布防的情况下，当有可疑份子穿越警戒面后，即产生报警信号，并进行跟踪。

升压站的围墙范围广，如果是不具备跟踪功能的普通球机，一旦电子围栏报警联动摄像机的预置位，当非法闯入者越过围墙后，还需控制球机寻找，智能跟踪球的应用能帮助运行人员及时定位非法闯入者。

2） 主从摄像机跟踪

由主摄像机（枪机）、跟踪球机及控制单元（智能DVR/DVS）组成。

当主摄像机检测到触发报警的目标时，控制单元驱动球机锁定报警目标并对其进行自动跟踪、放大以得到更清晰的目标特征，利于实时的判断和事后对照取证。

主摄像机可采用任意枪机，跟踪球机需采用模拟跟踪球，推荐采用太华伟业iDS-2AF1-517。

智能DVS可采用太华伟业iDS-6502HF（/B）视频服务器，支持对