陳錦昌，陳興華，鐘初禮，黃立賢

（1.廣東電網(wǎng)電力調(diào)度控制中心，廣東 廣州 510000；2.江蘇華瑞泰科技股份有限公司，江蘇 南京 210000）

0 引言

區(qū)域性穩(wěn)控系統(tǒng)[1]由多個(gè)變電站、電廠等組成，彼此相距很遠(yuǎn)，且多處于偏遠(yuǎn)地區(qū)。在穩(wěn)控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)中，需要在主站對(duì)多個(gè)子站進(jìn)行聯(lián)調(diào)的指揮，且需要了解各個(gè)子站的當(dāng)前狀態(tài)。而在變電站中，由于手機(jī)等設(shè)備有可能影響變電站的裝置運(yùn)行，變電站禁止無(wú)繩通訊設(shè)備的使用，而可用于聯(lián)調(diào)的微波電話(huà)欠缺或者無(wú)法置于屏前，無(wú)法有效用于聯(lián)調(diào)，并且有些變電站處于偏遠(yuǎn)地區(qū)，信號(hào)覆蓋不足，基于因特網(wǎng)等手段的通信方式無(wú)法有效應(yīng)用，給聯(lián)調(diào)通信帶來(lái)了不便。

在穩(wěn)控系統(tǒng)中，通信是必不可少的配置，基于HDLC 協(xié)議[2]的E1 通道[3-4]廣泛存在于各個(gè)站之間，用于穩(wěn)控裝置之間的通信信道為帶寬2 M 的通道，而正常的穩(wěn)控通信報(bào)文僅占用最多不到200 K 的帶寬，帶寬閑置率較大，資源利用率不高，因此可以利用剩余的90%帶寬傳輸視頻與音頻信息，這樣可以利用原有的通道資源，而且可以進(jìn)行對(duì)多個(gè)站的通信，能有效解決聯(lián)調(diào)通信的問(wèn)題。

1 視音頻信號(hào)編碼方式的研究

由于要在2 M 通道中傳輸視音頻信號(hào)，首先要保證原有穩(wěn)控?cái)?shù)據(jù)的可靠和穩(wěn)定，同時(shí)為了保證聯(lián)調(diào)通信的質(zhì)量[5]，需要流暢清晰的視音頻信號(hào)，因此對(duì)視音頻信號(hào)的編碼與壓縮也提出了一定的要求。

1.1 穩(wěn)控報(bào)文的特點(diǎn)

作為穩(wěn)控通信報(bào)文[6]，具有長(zhǎng)度短、定義明確、格式固定的特點(diǎn)，分正常報(bào)文和命令報(bào)文，報(bào)文由12 個(gè)16 位半字組成，包括報(bào)文頭、命令字、信息字、校驗(yàn)碼，其報(bào)文（用c 表示）格式如表1。

表1 穩(wěn)控報(bào)文cTable 1 Stability control packet c

依據(jù)HDLC 傳輸規(guī)范，一幀穩(wěn)控報(bào)文除其正常內(nèi)容外還有幀頭、長(zhǎng)度、地址段、控制段及校驗(yàn)碼，因此，一個(gè)穩(wěn)控報(bào)文的位長(zhǎng)度為

LB=（4+12）×16+6=262 位

若每1.667 ms 傳送一次，則每秒600 次，可計(jì)算出穩(wěn)控報(bào)文的帶寬為

WB=262×600=157.2 kb/s

相對(duì)于2.048 Mb/s 的帶寬，有90%以上的帶寬被閑置。若每3.333 ms 傳送一次，則每秒300 次，需要占用的帶寬僅為78.6 kbps，即兩個(gè)穩(wěn)控報(bào)文傳輸之間存在大量的空閑時(shí)間，可以合理利用這個(gè)空閑時(shí)間，傳輸聯(lián)調(diào)通信所用的數(shù)據(jù)。

由于正常通信報(bào)文在穩(wěn)控通道中所占的帶寬比較小，可以用來(lái)傳輸其他數(shù)據(jù)，并且利用穩(wěn)控通道，就解決了通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的問(wèn)題，而且主站對(duì)子站的一對(duì)多通道，也可以進(jìn)行同時(shí)通信，為聯(lián)調(diào)帶來(lái)了便利。

1.2 視音頻數(shù)據(jù)包的特點(diǎn)

相對(duì)于穩(wěn)控報(bào)文，視音頻數(shù)據(jù)包流量大、編碼自由度大、并劃分有較多的編碼層次[7]。這里所采用的H.264 編碼[8]，是ISO 和ITU-T 聯(lián)合制定的新一代視頻壓縮標(biāo)準(zhǔn)，其特征與主要優(yōu)勢(shì)有以下幾點(diǎn)：

(1) 低碼流[low bit rate]：和mpeg2 和mpeg4 asp等壓縮技術(shù)相比，在同等圖像質(zhì)量下，采用h.264技術(shù)壓縮后的數(shù)據(jù)量只有mpeg2 的1/8，mpeg4 的1/3。

(2) 高質(zhì)量的圖像：h.264 能提供連續(xù)、流暢的高質(zhì)量DVD 圖像。

(3) 容錯(cuò)能力強(qiáng)：h.264 提供了解決在不穩(wěn)定網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下容易發(fā)生的丟包等錯(cuò)誤的必要工具。

(4) 網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)：h.264 提供了網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)層[network adaptation layer],使得h.264 的文件能容易地在不同網(wǎng)絡(luò)上傳輸。

使用H.264 編碼，就能在有限的帶寬中傳輸高質(zhì)量的視頻信息。

1.3 采用穩(wěn)控通道傳送視音頻所要解決的問(wèn)題

穩(wěn)控通道是基于HDLC 協(xié)議的碼流，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)是基于RTP 協(xié)議的碼流[9]，兩者之間無(wú)任何的融合性，且穩(wěn)控系統(tǒng)的報(bào)文要求嚴(yán)格的實(shí)時(shí)性和可靠性，必須在精確的間隔時(shí)間點(diǎn)上可靠地傳輸與接收，不能被音視頻傳輸?shù)拇罅髁繑?shù)據(jù)所堵塞，這都是不同碼流在同一通道中傳輸所面臨的技術(shù)難點(diǎn)。

另外，在處理這兩種不同要求的報(bào)文的過(guò)程中，對(duì)其拆包并重新封裝的算法較復(fù)雜，需要大量的矩乘運(yùn)算，這對(duì)處理器的性能及無(wú)損算法的優(yōu)化都有很高的要求。同時(shí)還需兼顧兩種報(bào)文混編后的標(biāo)識(shí)及各層次報(bào)文包的優(yōu)先級(jí)，不能使最后的接收復(fù)原產(chǎn)生混疊或接收延遲，這些都需要在技術(shù)上有所重新才能滿(mǎn)足要求。

2 實(shí)現(xiàn)方法及相應(yīng)的算法

2.1 報(bào)文碼流的混編和傳送

首先采取排定優(yōu)先級(jí)的方法，保證基本的穩(wěn)控碼流的流暢，同時(shí)需要碎片化處理音視頻數(shù)據(jù)包，并將穩(wěn)控報(bào)文也變成一個(gè)相應(yīng)的碎片，這使得在傳輸層次上兩者具有了共同的傳輸特性，可以融合在在同一物理通道上傳輸，稱(chēng)作碎片化傳輸法。

設(shè)c為穩(wěn)控報(bào)文包，p為視音頻數(shù)據(jù)包的碎化單元，同時(shí)對(duì)c、p進(jìn)行碎化處理，則有

其中：E1為穩(wěn)控報(bào)文的碎化因子；E2為視音頻數(shù)據(jù)包的碎化因子。C、P分別是穩(wěn)控及視音頻的碎化報(bào)文片。設(shè)S為一個(gè)封裝好的完整的視音頻數(shù)據(jù)包，則有

考慮到穩(wěn)控報(bào)文與視音頻數(shù)據(jù)的不同格式，E1、E2碎化因子中另外包括了對(duì)兩者的標(biāo)識(shí)[10]和排序作用，其標(biāo)識(shí)分類(lèi)如圖1所示。

圖1 標(biāo)識(shí)分類(lèi)示意圖Fig.1 Identifiers of the classification system

經(jīng)過(guò)上述變換，可得出k時(shí)刻按時(shí)間優(yōu)先級(jí)的傳輸集，其中左邊的優(yōu)先級(jí)最高，可被優(yōu)先傳送，向右逐次降低。這里標(biāo)識(shí)為穩(wěn)控碎化片的報(bào)文優(yōu)先級(jí)最高為0 級(jí)。

其中：

T為1.667 ms 時(shí)間間隔內(nèi)所允許傳送的數(shù)據(jù)包的大小。

視音頻數(shù)據(jù)包中包含靜態(tài)圖像數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)圖像數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)、連接管道數(shù)據(jù)等多層次內(nèi)容，需要依次排定1-4 級(jí)優(yōu)先級(jí)，以保證較重要的數(shù)據(jù)優(yōu)先傳送。按優(yōu)先級(jí)的傳輸順序如圖2所示。

2.2 碼流的接收和無(wú)失真分離識(shí)別算法

在接收端，需首先進(jìn)行分離處理，分離因子對(duì)接收數(shù)據(jù)片進(jìn)行矩乘運(yùn)算，分離出穩(wěn)控報(bào)文與視音 頻數(shù)據(jù)數(shù)組，再將視音頻數(shù)據(jù)數(shù)組重組成原始的數(shù)據(jù)包，稱(chēng)作無(wú)縫重組法。

圖2 以?xún)?yōu)先級(jí)順序的碼流圖Fig.2 Code flow in priority order

以下是接收?qǐng)?bào)文片的集合，按接收到的先后，也就是時(shí)間順序用矩陣形式表示。

以穩(wěn)控報(bào)文分離因子F1矩乘R，即可從R中分離得出原來(lái)的穩(wěn)控報(bào)文。

以分離因子F2矩乘R，即可從R中分離得出原來(lái)的視音頻數(shù)據(jù)包S。

以上的E和F運(yùn)算因子亦是矩陣形式，它們之間包含了嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，體現(xiàn)了對(duì)報(bào)文矩陣中各個(gè)元素的取舍、排序、標(biāo)識(shí)及優(yōu)先級(jí)的所有內(nèi)容，從運(yùn)算的邏輯中保證了拆分及復(fù)原的保真正確性。

3 一對(duì)一聯(lián)調(diào)通信系統(tǒng)的組成

聯(lián)調(diào)通信系統(tǒng)的架構(gòu)如圖3。

A 站和B 站組成基本的一對(duì)一聯(lián)調(diào)通信系統(tǒng)，完全是按基于穩(wěn)控平臺(tái)的一體化安自裝置設(shè)計(jì)[11]。其中A 站測(cè)量2 條母線、4 臺(tái)主變、6 條線路、16條負(fù)荷線或電源線，具備判斷低頻低壓、主變過(guò)流及跳閘、線路過(guò)流及跳閘功能，并可根據(jù)故障前斷面功率檢索策略表，產(chǎn)生切機(jī)、切負(fù)荷命令[12]。并具備了備用電源自動(dòng)投入功能。B 站模擬電廠8 臺(tái)機(jī)組運(yùn)行狀態(tài)，向A 站發(fā)送機(jī)組的運(yùn)行狀態(tài)，接收A 站發(fā)來(lái)的切機(jī)命令并執(zhí)行。

圖3 一對(duì)一聯(lián)調(diào)通信系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.3 Architecture of one-to-one joint debugging communication system

基于穩(wěn)控信道的聯(lián)調(diào)通信系統(tǒng)，主要由三個(gè)模塊構(gòu)成：

(1) 視音頻采集模塊

視音頻采集由高性能的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)完成，網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)同時(shí)完成視音頻的編碼工作，將視音頻信息編碼為通用的以太網(wǎng)視音頻碼流[13]。

(2) 通信模塊

通信模塊為以高性能32 位嵌入式CPU 為核心的通信板，用20532 通信管理芯片[14-15]實(shí)現(xiàn)2M 通信，主要完成穩(wěn)控報(bào)文接收、視音頻碼流接收、碼流混編、及發(fā)送與接收等工作。內(nèi)部軟件以可靠的中斷方式運(yùn)行，保證了穩(wěn)控報(bào)文的可靠轉(zhuǎn)發(fā)。通信板內(nèi)部原理框圖如圖4。

圖4 通信板原理框圖Fig.4 Block diagram of the communication board

(3) 監(jiān)控模塊

監(jiān)控模塊進(jìn)行視音頻碼流的譯碼，同時(shí)提供圖像顯示、音頻播放的功能。

通過(guò)對(duì)一對(duì)一聯(lián)調(diào)通信系統(tǒng)的運(yùn)行試驗(yàn)及驗(yàn)收表明：穩(wěn)控裝置所有的運(yùn)行狀態(tài)正確穩(wěn)定，各種判斷及策略準(zhǔn)確無(wú)誤，同時(shí)視音頻圖像清晰流暢、聲音清楚洪亮，視音頻碼流速率可達(dá)1.5 Mb/s，滿(mǎn)足或超過(guò)對(duì)圖像聲音質(zhì)量的要求，并且對(duì)穩(wěn)控報(bào)文的傳輸不產(chǎn)生任何影響。

4 一對(duì)多聯(lián)調(diào)通信系統(tǒng)的實(shí)施方案

較復(fù)雜的區(qū)域性穩(wěn)控系統(tǒng)通常是一主站對(duì)多子站的系統(tǒng)（子站數(shù)量≤16 個(gè)[16]）。為達(dá)到此要求，在主站側(cè)用網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)匯聚多個(gè)子站的視音頻數(shù)據(jù)，并用多畫(huà)面的監(jiān)控軟件即可切換各個(gè)子站的視音頻顯示和播放。其架構(gòu)如圖5。

圖5 一對(duì)多聯(lián)調(diào)通信系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.5 Architecture of one-to-many joint debugging communication system

5 應(yīng)用實(shí)例

本套系統(tǒng)已裝設(shè)在廣東端州站——云浮電廠安穩(wěn)系統(tǒng)中，在聯(lián)調(diào)安穩(wěn)系統(tǒng)時(shí)發(fā)揮了很大的作用。

端州變電站位于肇慶市端州區(qū)東邊龍門(mén)山西側(cè)的馬頭崗，為220 kV 等級(jí)的變電站；云浮發(fā)電廠位于云浮市云城區(qū)河口街，總裝機(jī)容量為1 120 MW，兩者之間相距47 km。未使用本裝置時(shí)，兩邊聯(lián)調(diào)需要主站每做一次實(shí)驗(yàn)，就打電話(huà)向?qū)γ嬲緦?wèn)動(dòng)作情況。由于裝置安放在屏蔽的小室內(nèi)手機(jī)信號(hào)弱，造成打電話(huà)給對(duì)面的調(diào)試人員時(shí)通話(huà)質(zhì)量差甚至是無(wú)法接通的情況經(jīng)常發(fā)生，兩個(gè)站之間的聯(lián)絡(luò)變得很不方便。裝設(shè)本裝置后，云浮電廠的調(diào)試人員能夠很清楚地看到端州主站的情況，及時(shí)向端州主站的調(diào)試人員上報(bào)情況，極大地提高了調(diào)試的工作效率。

端州穩(wěn)控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)時(shí)的視頻圖像截圖見(jiàn)圖6。

圖6 監(jiān)控圖像畫(huà)面Fig.6 Picture of monitor screen

6 結(jié)語(yǔ)

聯(lián)調(diào)中的通信，是穩(wěn)控系統(tǒng)聯(lián)調(diào)的重要組成部分。通過(guò)對(duì)不同專(zhuān)業(yè)技術(shù)綜合應(yīng)用開(kāi)發(fā)，并解決理論算法和應(yīng)用技術(shù)的難題，提出在穩(wěn)控聯(lián)調(diào)中新的方法和手段，提高了穩(wěn)控聯(lián)調(diào)的效率和直觀性，同時(shí)方便了日常運(yùn)維工作，并使閑置資源得以充分利用。在實(shí)際的推廣應(yīng)用中，必將產(chǎn)生更大的經(jīng)濟(jì)效益。

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