基于視頻圖像技術的變電站智能化應用系統(tǒng)研究

戴 亮，張 維，吳 昊

（江蘇祥泰電力實業(yè)有限公司，江蘇泰州 225300）

“互聯(lián)網(wǎng)+”時代的到來，視頻分析識別技術和大數(shù)據(jù)技術的不斷發(fā)展，使得大量的視頻數(shù)據(jù)智能化應用已經(jīng)成為各個領域的研究重點。隨著視頻采集裝置在人們?nèi)粘Ｉ钪惺褂弥饾u增多，視頻影像數(shù)據(jù)每時每刻都在產(chǎn)生；而影像資料處理技術在影像資料應用中的地位日益凸顯。在電力企業(yè)的經(jīng)營和運行等方面，以往都是建立一個基于視頻影像的實時監(jiān)測體系，以達到實時這一效果，所構建的視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)遠程場景在線，主要集中在防盜等安全防范領域。隨著智能設備、視頻圖像技術的發(fā)展以及變電站輔助監(jiān)控系的統(tǒng)建設和進一步完善，當前變電站存儲了海量的視頻圖像信息，因此，如何結合變電站日常工作要求，利用好這些視頻圖像數(shù)據(jù)成為當前變電站智能化運維管理的一項重要內(nèi)容。

1 傳統(tǒng)運維方式存在的問題

變電站分布范圍廣，設備類型多樣，運行維護較困難。由于現(xiàn)有的監(jiān)測體系還不完善，目前的運行檢測工作還存在如下問題：①設備巡視是檢測設備運行故障的主要方法，按照設備的重要程度，巡維中心規(guī)定每天/隔天/每周安排運行人員到現(xiàn)場巡視設備，對設備的外觀、表計、二次壓板等進行巡視。目前變電站的巡視方式與技術發(fā)展有很大差距，很多工作仍然采取人工巡視、人工記錄、頻繁往返等方式，不僅耗費人力、物力，而且運行人員技能、責任心等參差不齊，難以及時發(fā)現(xiàn)設備缺陷。②SCADA 系統(tǒng)的投入使用，對整個電網(wǎng)、變電站的模型、實時數(shù)據(jù)、圖形進行監(jiān)測。包括設備位置信息，保護管理系統(tǒng)輔助設備信息，SOE 信號；常見的報警信號，故障信息等。變電站終端的遙視系統(tǒng)，消防安全系統(tǒng)，巡檢機器人，其中，門禁等附屬系統(tǒng)的大部分資料都沒有遠程傳輸，缺乏一個統(tǒng)一的平臺。各系統(tǒng)的管理水平較低，綜合運用水平較低，存在著“孤島”的問題。多個監(jiān)測接口的存在極大地影響了運維人員監(jiān)視和查看預警的工作效率；各個附屬系統(tǒng)之間缺乏信息交流，各個模塊相互獨立，操作和維護都不方便。③當電力設備出現(xiàn)重大異常時，往往會出現(xiàn)溫度升高、電壓和電流異常引起發(fā)熱等現(xiàn)象。目前，一、二次裝置的溫度測量多依賴于操作人員定期手持紅外熱像儀進行，操作人員對設備的溫度測量不能保證，不能及時了解設備的工作狀態(tài)，存在溫度盲區(qū)；對設備的安全、穩(wěn)定運行不利。④在控制集成模式中，當調(diào)度中心遙控變電站內(nèi)的設備下達指令時，僅能確定操作對象操作前后的位置狀況，而不能直接看到現(xiàn)場的設備，也不能判斷是否分合到位，需要運維人員在現(xiàn)場確認操作是否到位、有沒有異常發(fā)生等，無法一鍵順控到底，需要人工干預。近幾年，大批無人值守站投入運行，使變電站的運行工作量大大增加。尤其是500 kV及以上的變電站，很多地方都很偏僻，若不能一鍵控制，就得由維保中心的運營人員坐車到變電站，浪費大量的人力和物力，停機復用的時間并不能縮短。

2 功能需求分析

2.1 一鍵順控功能

倒閘作業(yè)是變電站作業(yè)人員的一項重要工作，設備停電檢修、新設備投運等，都要進行倒閘作業(yè)，且作業(yè)量呈幾何倍數(shù)增長，運行人員短缺的矛盾也越來越突出，而順控操作可以有效地解決這一矛盾。順控操作是指一次設備和二次設備，通過使用變電站自動化系統(tǒng)中的程序控制模塊，根據(jù)操作單的運行次序，并對其進行檢查；實現(xiàn)電氣設備智能運行。如果在進行了連續(xù)控制后，仍然要求操作人員到現(xiàn)場檢查設備狀況，確認無誤后再運行，人為干預會使順控作業(yè)的優(yōu)越性發(fā)揮不出來，不能實現(xiàn)一次順控。智能化的變電站運檢與監(jiān)視系統(tǒng)，通過與視頻監(jiān)控、巡視機器人進行交互，獲得相關設備的運行錄像，對切換裝置的位置進行智能識別，并將判定結果反饋至自動控制系統(tǒng)。順序控制無須人力介入，真正實現(xiàn)了一次順控、一鍵完成，操作人員不必與高壓設備直接接觸，基本杜絕了人員傷亡。在后臺進行遙控操作，無需安排人員前往變電站，不會受到距離和交通狀況的限制，大大提升了工作效率，減少控制開關的時間，尤其是涉及到主變、母線的大規(guī)模運行，減少送電和延遲送電的可能性，從而提高用戶滿意度。

2.2 智能視頻監(jiān)視功能

通過配置高清晰攝像機，可以實時、清晰、流暢地顯示變電現(xiàn)場的實時監(jiān)控錄像，并將歷史監(jiān)視視頻保存起來，方便隨時查看。監(jiān)控系統(tǒng)涵蓋了變電站的全部電氣設備，其范圍包括：一次設備的外觀、主變本體、油位表；油溫計，GIS 開關設備位置狀態(tài)，SF6氣壓計、主控室內(nèi)各個防護屏上的指示燈、壓板、電容器、避雷器的工作次數(shù)、漏電計等。可將攝像機在順控下進行聯(lián)動，智能地對切換裝置的位置狀況進行識別，并可實現(xiàn)對設備狀態(tài)的異常信號的確認。

2.3 機器人巡視功能

對變電站的設備進行巡視是操作人員的一項重要工作。該系統(tǒng)配備了巡檢機器人，可以設計出多種巡檢任務，例如全面巡檢、特殊巡檢。在全面巡檢模式下，機器人按照預定的巡檢內(nèi)容、巡檢時間、巡檢周期、線路等參數(shù)，自動開始并完成巡檢工作。在特殊的監(jiān)控模式下，由操作人員確定監(jiān)控內(nèi)容，人工開始監(jiān)控，智能監(jiān)控機器人自動進行巡視。巡檢錄像存儲在系統(tǒng)后臺，方便操作人員查閱，采用智能識別和手動遙控的方法，實現(xiàn)巡檢工作。巡檢機器人可與順控操作協(xié)同工作，在接到指令時自動抵達巡查所需的設備，并對切換裝置的位置進行拍照，并將其上傳至背景影像識別模塊；智能地辨識切換裝置的位置狀況。通過機器人巡檢，可以節(jié)約人工，有效地提高了維護工作的效率和質(zhì)量，并對電力設備的運行狀況進行了全面的了解。

3 系統(tǒng)架構

系統(tǒng)采用層次化設計，軟件功能模塊化封裝，總體架構如圖1所示。分為硬件層、操作系統(tǒng)層、通信總線層、數(shù)據(jù)庫層、公共服務層、中間件服務層和應用層。在軟件平臺的基礎上，通過ICE 中間件服務實現(xiàn)了對Web，CS、移動終端等不同類型客戶端的支持。

圖1 系統(tǒng)軟件結構

4 關鍵技術研究

4.1 ICE中間件

針對跨平臺技術的選擇特性，結合多語言的混合編程，提出了基于ICE 中間件的中間件服務界面的設計。ICE的體系結構包含了客戶端和服務端，ICE內(nèi)核，ICEAPI，對象適配器，ICE 代理，ICE 框架，ICE 框架，客戶ICE 核心，服務器核心，對象適配器，ICE框架，Slice，代理，框架，Slice，Slice。高級應用程序開發(fā)人員為異構網(wǎng)絡環(huán)境下的對象中間件提供一套強有力的特性和功能支撐；由于采用ICE 中間件技術，開發(fā)者無需太多地關注跨平臺、網(wǎng)絡底層通信以及分布對象，因此可以把更多的精力集中在業(yè)務邏輯代碼的處理上。利用ICE 中間件技術，將平臺網(wǎng)絡總線信息發(fā)送到接收接口、數(shù)據(jù)庫操作接口、信令交互等不同編程語言的調(diào)用接口中，而業(yè)務代碼則僅需要關注業(yè)務，完成客戶端或服務端的初始化后，按照通用接口調(diào)用實現(xiàn)。

4.2 聯(lián)動方案

利用基于圖形的可視化邏輯過程建模，并將腳本驅(qū)動技術與編程技術相結合，實現(xiàn)了基于任務、事件、網(wǎng)關等模式的邏輯圖表，通過對可視化的邏輯過程進行建模，使其具有柔性，并與腳本驅(qū)動技術相結合。本技術具有如下特征：①實現(xiàn)了設備的智能化聯(lián)動控制。采用基于任務、事件、網(wǎng)關等邏輯模式的聯(lián)動控制業(yè)務，以事件模式為觸發(fā)條件，任務模式為具體實施行為，網(wǎng)關模式為邏輯分支。②該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)部和外部設備之間的連接。提出了一種以邏輯圖形為基礎的聯(lián)動邏輯模型，并實現(xiàn)了可視化的結構編輯。③系統(tǒng)能通過邏輯關系的結合，實現(xiàn)串、并、混合執(zhí)行；具有腳本驅(qū)動、閉鎖判斷、動態(tài)干涉等多種交互作用。

4.3 視頻分析算法

視頻圖像算法分析仍然采用傳統(tǒng)的檢測技術，主要包括3個步驟：①針對變電站實際應用的特點，重點研究了特征表達問題，選取了適合特征模型的映射區(qū)域作為特征矢量；②將所學到的分類算法進行分類；③采用人工設計和自動學習等方式對樣本進行訓練，提高了特征模型的表達能力。

5 智能化應用與實現(xiàn)

（1）刀閘識別。在遠程“一鍵操作”命令發(fā)出后，系統(tǒng)對應動作設備的多維實時視頻進行位置預設，用于采集操作前設備狀態(tài)、設備動作視頻、操作后狀態(tài)的圖像；通過錄像，并與圖象分析算法相結合，進行狀態(tài)辨識，對順控操作的視頻源進行確認，對異常報警進行了支持；確?？煽康倪h程一鍵操作。

（2）智能連接。在現(xiàn)場監(jiān)控設備數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常情況時，與SCADA 運行數(shù)據(jù)和PMS 臺賬數(shù)據(jù)結合，應用系統(tǒng)專家?guī)斐绦?，通過設備狀態(tài)評估分析模型分析結果，向告警服務程序推送異常信息，觸發(fā)智能聯(lián)動推理機服務程序啟動相應處理流程。通過聯(lián)動將監(jiān)控一次設備的視頻圖像直接形象地展示給用戶，用戶不但獲取了臺賬數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)和告警數(shù)據(jù)，還能夠?qū)崟r獲取設備場景圖像，讓運維人員全方位掌控設備的數(shù)據(jù)信息。

（3）操作行為。變電站員工人數(shù)眾多，管理難度大。采用變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)，利用視頻分析模塊，可對現(xiàn)場工作中的違法行為進行自動分析和統(tǒng)計；習慣錯誤的自動記錄。監(jiān)控人員只要在系統(tǒng)中查看操作，就可以獲得操作的狀態(tài)，并將分析的結果和操作抓圖保存起來，以便隨時調(diào)閱。

6 結束語

在“云，大，物，移”等新技術的持續(xù)發(fā)展和智能化的需求下，提升智能化系統(tǒng)實用性、創(chuàng)新性和管理性的問題有待深入研究。文章從基礎應用開始進行相關的課題研究工作，從海量的視頻中自動挖掘包括一次生產(chǎn)設備的健康狀況、安全生產(chǎn)業(yè)務價值信息等。下一步將通過深度學習等方法進一步研究視頻影像技術，通過視頻技術的應用做出更加適合變電站智能化應用的優(yōu)勢系統(tǒng)。