張曉光

(華北電力大學電氣與電子工程學院，河北保定 071000)

國家電力調度通訊中心要求現(xiàn)有的變電站在條件成熟時，逐步實現(xiàn)無人值班，以提高生產效益，因此新建變電站要按照無人值班方式設計.目前的技術路徑是將變電站的視頻數(shù)據(jù)和監(jiān)控數(shù)據(jù)由變電站的前端設備采集編碼，并將編碼后的數(shù)據(jù)通過網絡傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，然后由監(jiān)控中心對接收到的視頻數(shù)據(jù)進行監(jiān)控、存儲和管理.對于無人值守的變電站，電力監(jiān)控部門需要實時地更新變電站設備狀態(tài)數(shù)據(jù)，也需要對現(xiàn)場圖像、聲音及相關設備的遠程監(jiān)視圖像進行監(jiān)控.特別是要實時地看到各變電站的變壓器、閘、控制柜，以及變電站場景，同時要監(jiān)視無人值守變電站的安防情況.

無人值守的變電站的有關信息需要通過有線網絡傳送到監(jiān)控中心，在網絡建設過程中考慮到成本等因素，一個中型無人值守的變電站需要100 Mb/s以上的帶寬，所以無法為每路信號提供足夠的高清信號帶寬.當系統(tǒng)需要傳送大量的高清圖像時，會引起網絡時延增加，造成數(shù)據(jù)包丟失，形成網絡阻塞.因此，研究在有限帶寬的情況下，保證重要數(shù)據(jù)的發(fā)送，以解決網絡阻塞現(xiàn)象是十分必要的.

1 網絡視頻流的擁塞

安徽省南部山區(qū)較多，受條件限制，無人值守的變電站采用的監(jiān)控技術方案是一個中心監(jiān)控多個無人值班的變電站.這一方案中的網絡需要多個節(jié)點，所以網絡帶寬無法滿足全部高清圖像的要求.安徽省的無人值班變電站采用的是設備與安防的聯(lián)合監(jiān)控模式.變電站在普通監(jiān)控條件下，僅僅需要普通標清模式的圖像.當發(fā)生以下情況時，對應的視頻需切換到高清模式進行圖像傳送.

(1)變電站控制閘刀狀態(tài)發(fā)生變化，尤其是從斷開到合上的過程.

(2)變壓器等設備發(fā)生火災.

(3)發(fā)生非法闖入的情況時，需將多個設備切換成高清模式，網絡壓力最大.因為受物理距離特別是投資成本的限制，視頻傳輸網絡無法為每一路視頻保證足夠的高清帶寬，當傳送模式從標清變化到高清模式，而帶寬不夠時，會造成網絡的擁塞現(xiàn)象.對于網絡視頻流傳輸來說，最重要的信道特性是發(fā)送端到接收端之間的時延、網絡可用帶寬和網絡丟包率.

針對以上網絡擁塞問題，目前主要采用基于終端和基于網絡的視頻流傳輸?shù)膿砣鉀Q方案［1-4］.在終端系統(tǒng)中，通常依靠緩沖調整的方式來解決時延抖動問題［5］.對于網絡可用帶寬和數(shù)據(jù)包丟失問題，目前最常用的兩種解決方案是速率控制和差錯控制.速率控制算法可以事先估算出網絡的當前可用帶寬，通過調整發(fā)送端的編碼速率和發(fā)送速率來適應網絡.對于網絡的擁塞問題，其解決方案主要是進行帶寬管理，一般采用資源預留管理和優(yōu)先級管理方案［6］.

2 野外變電站視頻監(jiān)控拓撲

野外變電站的視頻傳送距離遠，而且會經過多級路由設備，為了保證對其進行有效監(jiān)控，必須建立一個有效的網絡擁塞控制策略.建立策略前，必須要掌握準確的網絡狀況信息和網絡擁塞信息的反饋.這兩部分信息可以在路由器、交換機，以及視頻服務器上進行數(shù)據(jù)采集.圖1和圖2分別是變電站內部視頻網絡結構和整體系統(tǒng)網絡示意.

圖1 變電站的內部視頻網絡結構

圖2 整體系統(tǒng)網絡示意

3 視頻監(jiān)控策略

考慮到安徽省的經濟條件和地理環(huán)境，以及其網絡端點都配有服務器的特點，對變電站采用了改進的自適應網絡擁塞解決策略.本系統(tǒng)的特點是:在正常情況下，變電站設備工作正常，網絡流量比直接傳送圖像的流量增加約13%;在突發(fā)情況下，可以調節(jié)信號對應的流量，保證重要信號的清晰度.自適應網絡擁塞控制流程見圖3.

圖3 自適應網絡擁塞控制流程

由圖3可以看出，自適應網絡擁塞工作流程為4個步驟.

(1)建立網絡連接后，發(fā)送端開始向接收端發(fā)送視頻數(shù)據(jù)包，這些數(shù)據(jù)包中含有時間戳、發(fā)送序號等一系列相關信息.

(2)接收端收到視頻數(shù)據(jù)包后，提取數(shù)據(jù)進行視頻解碼操作，同時根據(jù)數(shù)據(jù)包中的時間戳、發(fā)送序號等信息，計算出數(shù)據(jù)包丟失率、瓶頸帶寬等參數(shù)，并傳送給發(fā)送端.

(3)發(fā)送端的自適應擁塞控制模塊根據(jù)接收端反饋回來的網絡狀況信息，估算出當前網絡的可用帶寬，調整數(shù)據(jù)發(fā)送速率和視頻編碼操作.

(4)發(fā)送端根據(jù)調整后的編碼器參數(shù)進行視頻編碼、數(shù)據(jù)發(fā)送等工作.

調整發(fā)送機制的關鍵是獲取有關網絡和視頻流的丟包情況，有關數(shù)據(jù)可以通過以下計算得到.本視頻監(jiān)控系統(tǒng)的自適應網絡擁塞控制的設計采用了TFRC模型，通過反饋參數(shù)來推算出合適的視頻發(fā)送速率.

TFRC的穩(wěn)態(tài)速率計算公式為:

式中:s——TCP報文大小，db;

p——丟失事件率;

t0——數(shù)據(jù)報文的超過時間;

tR——數(shù)據(jù)報文的環(huán)路時間，其中R為數(shù)據(jù)報文的環(huán)路;

b——一個應答所接收到的報文數(shù)，b=1.

丟失事件是根據(jù)接收端網絡擁塞檢測模塊監(jiān)測丟包的情況來判斷的，如果本次監(jiān)測到的丟包和上一次發(fā)生丟包的時間間隔超過tR，那么這個新監(jiān)測到的丟包就不屬于上一次丟失事件的發(fā)送窗口，而是有新的丟失事件發(fā)生，要進行丟失間隔計算.

本系統(tǒng)取最近的8個丟包事件，計算其加權平均值:

式中:W(i)——丟失間隔的加權系數(shù);

LI(i)——丟失間隔，在相鄰兩個丟失事件之間接收到的包數(shù)量.

計算丟失事件率為:

根據(jù)丟失事件率的算法，在出現(xiàn)個別、非連續(xù)的丟包情況時，丟失事件率不會發(fā)生太大的變化，在丟失率上升時，速率值的下降也比較緩慢，可以比較準確地反應網絡當前的擁塞情況.

為了計算報文的往返時間tR和超過時間t0，接收方發(fā)送的反饋信息內需加上最近接收到的一個報文的序號以及收到這個報文的時間.若取超過時間t0為4tR，發(fā)送端在時間點為tt時向接收端發(fā)送了一個數(shù)據(jù)包，隨后在收到N個含有時間戳tt的數(shù)據(jù)包后，可以進行客戶端瓶頸帶寬的計算，即:

式中:B——網絡瓶頸帶寬值;

C(i ——第i個數(shù)據(jù)包的大小，Byte.

tt——數(shù)據(jù)包發(fā)送時間戳;

tN——接收到第N個數(shù)據(jù)包的時間;

t1——接收到第一個數(shù)據(jù)包的時間.

視頻監(jiān)控系統(tǒng)網絡擁塞控制策略見圖4.

圖4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)網絡擁塞控制策略

采用以上自適應策略后，當控制中心發(fā)現(xiàn)需要將某些信號從標清視頻切換成高清視頻時，就可以利用后端控制系統(tǒng)修改其余標清視頻對應的時間戳，通知其對應的發(fā)送端降低流量，騰出帶寬給重要的高清視頻，從而保證重要信號的帶寬，避免網絡阻塞的出現(xiàn).

4 結語

本系統(tǒng)已于2009年投入運行，經過多次嚴格的測試和實際運行，整體情況良好.在某次重要路由節(jié)點設備故障的情況下，通過調整時間戳的方式，降低了所有標清圖像的流量，避免了網絡阻塞，保證了監(jiān)控的實時性.

［1］朱孟忠，胡春來，和思銘.基于網絡拓撲結構的變電站監(jiān)控系統(tǒng)的設計［J］.電腦知識與技術，2010，6(15):4 168-4 169.

［2］羅毅，涂光瑜，張錦輝，等.變電站綜合信息化數(shù)字傳輸方案［J］.電力系統(tǒng)自動化，2001(8):42-44.

［3］庾晉，白木，周潔.多媒體通信技術的重要應用［J］.電力系統(tǒng)通信，2001(12):17-25.

［4］楊剛，楊仁剛，郭喜慶.嵌入式以太網在變電站自動化系統(tǒng)智能化電氣設備上的實現(xiàn)［J］.電力系統(tǒng)自動化，2004，28(3):74-76.

［5］楊鵬，趙琦，孔鑫，等.工業(yè)以太網的發(fā)展及其技術特點［J］.微計算機信息，2006，22(1-2):32-33.

［6］陶蒙華.IP視頻通信的服務質量及其關鍵技術的研究［D］.北京:北京郵電大學，2002.