一種模型自動(dòng)更新的變電站智能巡視系統(tǒng)設(shè)計(jì)

蔡杰　陳富國　陳亮

摘 要：傳統(tǒng)的變電站監(jiān)視及巡檢方法工作量大、效率低、對(duì)經(jīng)驗(yàn)的依賴度高，已經(jīng)難以滿足日益增長的電網(wǎng)設(shè)備巡檢需求。鑒于此，本文針對(duì)變電站巡檢的業(yè)務(wù)需要，設(shè)計(jì)了一套具備實(shí)時(shí)監(jiān)視、智能巡檢、智能聯(lián)動(dòng)、智能分析、告警及缺陷管理等功能的智能監(jiān)視及巡檢系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用機(jī)器視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備缺陷智能識(shí)別，并采用模型自動(dòng)更新策略保證識(shí)別準(zhǔn)確率，能大幅度提高變電站巡檢的效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：智能巡檢;變電站監(jiān)控;模型自動(dòng)更新

中圖分類號(hào)：TM63文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1003-5168（2021）15-0023-04

Abstract： The traditional substation monitoring and inspection methods have the disadvantages of large workload， low efficiency， and high dependence on experience， and cannot meet the growing demand for inspection of power grid equipment. In view of this， this paper designed a set of intelligent monitoring and inspection system for the needs of substation inspection， which had the functions of real-time monitoring， intelligent inspection， intelligent linkage， intelligent analysis， alarm and defect management. The system uses machine vision technology to intelligently identify defects in electrical equipment， and adopts an automatic model update strategy to ensure recognition accuracy， which can greatly improve the efficiency and quality of substation inspection.

Keywords： intelligent inspection;substation monitoring;model updates automatically

變電站是指電力系統(tǒng)中對(duì)電壓和電流進(jìn)行變換，接受電能及分配電能的場所，是電力系統(tǒng)的核心接點(diǎn)，其內(nèi)部包含電力變壓器、高壓開關(guān)設(shè)備、開關(guān)柜、二次設(shè)備等多種類型的電力設(shè)備[1]。為了保障變電站的運(yùn)行環(huán)境安全，保證電力設(shè)備穩(wěn)定可靠運(yùn)行，需要采用各種方式對(duì)變電站內(nèi)的環(huán)境、電力設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視及巡檢，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并處理。目前，我國變電站巡檢主要采用傳統(tǒng)人工巡檢、視頻監(jiān)控、臨時(shí)檢修車的方式[2]。傳統(tǒng)的人工巡檢方式能發(fā)現(xiàn)設(shè)備存在的一些異常，但工作量大，技術(shù)人員的業(yè)務(wù)水平、工作經(jīng)驗(yàn)等主觀因素對(duì)巡檢結(jié)果影響較大，不可避免地會(huì)出現(xiàn)紕漏[3]。同時(shí)，一些可能危害巡檢人員人身安全的巡檢，還需要停電作業(yè)，給用戶造成極大困擾。臨時(shí)檢修車方式也面臨同樣的問題，而且其不能實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站全天候的監(jiān)測。常規(guī)的變電站視頻監(jiān)控也只能對(duì)變電站周界、配電設(shè)備區(qū)、變壓器區(qū)、二次設(shè)備室等重要區(qū)域進(jìn)行全景監(jiān)控[4]?；趫D像識(shí)別技術(shù)的變電站智能巡視系統(tǒng)，目前搭載的缺陷識(shí)別模型是固定的，存在識(shí)別準(zhǔn)確率不穩(wěn)定，更新維護(hù)難度大等局限。

針對(duì)上述問題，本文設(shè)計(jì)了一套變電站端智能巡視系統(tǒng)，利用該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)前端攝像機(jī)統(tǒng)籌部署，通過信息化、智能化技術(shù)的應(yīng)用，提升數(shù)據(jù)采集、分析能力，使監(jiān)控范圍更全面、巡檢過程更智能、聯(lián)動(dòng)機(jī)制更有效，識(shí)別模型可自動(dòng)更新[5]，以期為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行提供技術(shù)支撐。

1 智能巡視系統(tǒng)總體架構(gòu)及部署

1.1 系統(tǒng)總體功能架構(gòu)

變電站智能巡視系統(tǒng)是具備實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能巡檢、智能聯(lián)動(dòng)、智能分析、告警及缺陷管理等功能的完整系統(tǒng)。系統(tǒng)實(shí)行分級(jí)部署，站端分為感知層、網(wǎng)絡(luò)層、邊緣計(jì)算層、云端計(jì)算層、應(yīng)用層，主站端部署在運(yùn)維班、地市公司或省公司，包含云端計(jì)算層和平臺(tái)應(yīng)用層。系統(tǒng)總體功能架構(gòu)如圖1所示。

感知層和網(wǎng)絡(luò)層：通過電力有線專網(wǎng)、無線網(wǎng)絡(luò)、低功耗傳感網(wǎng)絡(luò)等方式采集變電站各類視頻圖像，主、輔設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，為智能分析及應(yīng)用提供基礎(chǔ)支撐。

邊緣計(jì)算層：實(shí)現(xiàn)各類監(jiān)測數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)、處理、智能分析和傳輸，數(shù)據(jù)及分析結(jié)果在站端管理機(jī)上應(yīng)用，也可以上傳到主站平臺(tái)做深化應(yīng)用。

應(yīng)用層：面向變電站，提供自動(dòng)巡檢、跟蹤聯(lián)動(dòng)、缺陷分析、狀態(tài)評(píng)估、環(huán)境監(jiān)測、作業(yè)管控等功能，實(shí)現(xiàn)全站的智能監(jiān)控及巡檢。

云端計(jì)算層：在主站平臺(tái)側(cè)部署，為智能分析算法模型的訓(xùn)練、評(píng)價(jià)、發(fā)布、下載提供一站式管理服務(wù)。通過對(duì)前端視頻圖像數(shù)據(jù)的處理，分類建設(shè)電力設(shè)備外觀視頻訓(xùn)練樣本庫，采用GPU（圖形處理器）與深度學(xué)習(xí)算法相結(jié)合的模式，持續(xù)訓(xùn)練與優(yōu)化各類智能分析算法，輸出模型，并可根據(jù)配置策略分發(fā)至各變電站站端系統(tǒng)，以提高電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測與缺陷識(shí)別的準(zhǔn)確率。

平臺(tái)應(yīng)用層：在原有地市級(jí)變電信息綜合處理系統(tǒng)基礎(chǔ)上做深化應(yīng)用模塊擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)運(yùn)維的可視化集中智能管控。

1.2 站端系統(tǒng)的部署方式

站端系統(tǒng)主要由智能巡視主機(jī)、高清視頻、網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機(jī)、視頻監(jiān)控主機(jī)、智能分析主機(jī)、客戶端工作站等組成。智能巡視主機(jī)制定和下發(fā)巡視任務(wù)、狀態(tài)跟蹤等指令，并配置主輔設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)智能聯(lián)動(dòng)策略。當(dāng)設(shè)備發(fā)生故障或接收到控制指令時(shí)，視頻監(jiān)控主機(jī)快速響應(yīng)智能聯(lián)動(dòng)策略，實(shí)時(shí)采集、儲(chǔ)存和上傳圖片、視頻和紅外測溫等數(shù)據(jù)。智能分析主機(jī)搭載智能分析算法，當(dāng)接收到巡視主機(jī)的指令時(shí)，實(shí)時(shí)智能分析站內(nèi)環(huán)境和設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)。視頻監(jiān)控主機(jī)、智能分析主機(jī)將巡視數(shù)據(jù)、分析結(jié)果等傳送到智能巡視主機(jī)。智能巡視主機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析及管理，形成巡視結(jié)果和巡視報(bào)告，及時(shí)發(fā)送告警。智能巡視主機(jī)應(yīng)具備雙網(wǎng)口和設(shè)置獨(dú)立網(wǎng)段，信息安全應(yīng)符合《國家發(fā)改委第14號(hào)令電力監(jiān)控系統(tǒng)安全防護(hù)規(guī)定》的要求。站端系統(tǒng)架構(gòu)如圖2所示。

1.3 系統(tǒng)配置及接口

根據(jù)系統(tǒng)功能需求，對(duì)智能監(jiān)視巡視主機(jī)的硬件要求：CPU不低于2 GHz主頻，不低于4核，內(nèi)存不低于16 GB，獨(dú)立顯卡不低于8 GB，硬盤存儲(chǔ)容量不低于2 TB，系統(tǒng)數(shù)據(jù)及運(yùn)行日志數(shù)據(jù)存儲(chǔ)時(shí)間≥1年，支持機(jī)架式安裝。對(duì)系統(tǒng)的對(duì)外接口要求如下。

第一，與主、輔設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)之間的接口。智能巡視主機(jī)與主、輔設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)通信采用100M/1000M自適應(yīng)以太網(wǎng)電口物理介質(zhì)的通信接口，需要經(jīng)正向隔離裝置，采用UDP（User Datagram Protocol，用戶數(shù)據(jù)報(bào)）協(xié)議。

第二，與視頻監(jiān)控系統(tǒng)之間的接口。智能巡視主機(jī)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)通信采用100M/1000M自適應(yīng)以太網(wǎng)電口物理介質(zhì)的通信接口。視頻數(shù)據(jù)傳輸通信符合《電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及接口 第1部分：技術(shù)要求》（Q/GDW 1517.1—2014）的規(guī)定，遵循國網(wǎng)視頻接口B協(xié)議擴(kuò)展協(xié)議傳輸視頻等信息，接受視頻主機(jī)注冊，獲取視頻主機(jī)的視頻、圖片，并實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻主機(jī)的控制。

第三，與變電信息綜合處理系統(tǒng)之間的接口。智能巡視主機(jī)與變電信息綜合處理系統(tǒng)通信采用100M/1000M自適應(yīng)以太網(wǎng)電口物理介質(zhì)的通信接口。變電信息綜合處理系統(tǒng)和巡視主機(jī)之間交互采用TCP傳輸協(xié)議。

2 智能分析模型及自動(dòng)更新策略

2.1 智能分析缺陷類型

系統(tǒng)支持對(duì)巡檢過程記錄的紅外圖譜、可見光圖像等進(jìn)行智能分析，自動(dòng)判斷設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，包括表計(jì)讀數(shù)、開關(guān)類設(shè)備位置指示以及壓板、空開、把手、指示燈等二次設(shè)備狀態(tài)。通過深度學(xué)習(xí)算法，采用機(jī)器視覺技術(shù)，從足夠多的缺陷樣本庫提取特征值，支持多類缺陷智能識(shí)別，只能分析算法分類統(tǒng)計(jì)見表1。

2.2 模型自動(dòng)更新策略

本系統(tǒng)采用典型缺陷識(shí)別模型和管理應(yīng)用平臺(tái)相分離的開發(fā)方式，當(dāng)決策模型改變時(shí)，不需要重新開發(fā)管理應(yīng)用平臺(tái)，而只需要運(yùn)行模型升級(jí)部分的代碼即可實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)邏輯的更新，其系統(tǒng)體系如圖3所示。

在調(diào)用接口部分采用規(guī)則引擎來處理規(guī)則模型和管理應(yīng)用平臺(tái)的通信接口。規(guī)則引擎嵌入應(yīng)用程序中，應(yīng)用程序通過向規(guī)則引擎提交數(shù)據(jù)從而使其觸發(fā)，規(guī)則引擎調(diào)用相應(yīng)的業(yè)務(wù)規(guī)則，完成相應(yīng)的識(shí)別任務(wù)。規(guī)則引擎采用規(guī)則庫與系統(tǒng)源代碼相分離的策略來實(shí)現(xiàn)規(guī)則的管理，使用規(guī)則描述語言來進(jìn)行邏輯規(guī)則的描述，同時(shí)在規(guī)則描述語言中嵌入多種編程語言如Java、Python來擴(kuò)展規(guī)則引擎的邏輯表達(dá)能力。

系統(tǒng)的規(guī)則管理器負(fù)責(zé)缺陷識(shí)別模型的生成和管理，從實(shí)物上表現(xiàn)為具備高算力的圖像處理服務(wù)器，搭載深度學(xué)習(xí)算法等，可與規(guī)則引擎分開部署，通過接口調(diào)用。通過算法訓(xùn)練生成新的決策模型后，模型結(jié)果通常以數(shù)據(jù)庫或XML文件形式存儲(chǔ)。

一種固定不變的識(shí)別模型在運(yùn)用一段時(shí)間后，其識(shí)別準(zhǔn)確率會(huì)有不同程度的下降，因此，有必要通過模型更新的辦法來維持乃至進(jìn)一步提高識(shí)別準(zhǔn)確率。本文提出的模型更新策略具體實(shí)現(xiàn)流程如圖4所示，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵點(diǎn)包括：①識(shí)別模型自動(dòng)更新條件為平均識(shí)別準(zhǔn)確率<設(shè)定閾值;②圖形預(yù)處理包括圖像灰度化、去噪、前景提升及背景展平、確定訓(xùn)練及測試集等過程，模型訓(xùn)練集和模型測試分離;③若測試結(jié)果≥設(shè)定閾值，則訓(xùn)練結(jié)束，否則，不斷反復(fù)訓(xùn)練，以得到符合要求的識(shí)別模型;④模型結(jié)果作為新的規(guī)則存入規(guī)則庫。

3 結(jié)語

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)的發(fā)展，電網(wǎng)建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，變電站巡檢難度日益增大。變電站智能巡視系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了電氣設(shè)備部分典型缺陷的智能識(shí)別，但識(shí)別模型固定，不支持在線更新，存在識(shí)別準(zhǔn)確率不穩(wěn)定、系統(tǒng)更新維護(hù)難度大的問題。本文設(shè)計(jì)的變電站智能巡視系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了變電站實(shí)時(shí)監(jiān)視、智能巡檢、智能聯(lián)動(dòng)、智能分析、告警及缺陷管理等多項(xiàng)應(yīng)用，并支持智能分析模型自動(dòng)更新。同時(shí)，該系統(tǒng)還推動(dòng)了人工智能技術(shù)與運(yùn)維檢修核心業(yè)務(wù)的深度融合，能大幅提高變電站巡檢的效率和質(zhì)量，具有極大的推廣應(yīng)用價(jià)值。

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