基于深度學習的新能源變電站設(shè)備檢測模型研究

李福龍，馬孝棟，魏春雷，王天慧，陳洲生

[摘? ? 要]新能源發(fā)電行業(yè)正朝著無人值守、少人值守的方向發(fā)展，變電站智能機器人巡檢方案通過整合不同的技術(shù)來實現(xiàn)這一目標，從而替代運維人員執(zhí)行對站內(nèi)室外高壓設(shè)備的巡視檢查、對電表數(shù)值的現(xiàn)場讀取、對電力設(shè)備運行數(shù)據(jù)的實時采集等任務(wù)，并預(yù)測可能發(fā)生的故障，旨在為巡檢機器人提供電力設(shè)備自主識別能力，模擬人工巡檢中對各種設(shè)備進行定制化檢查，涉及的設(shè)備類型有變壓器、斷路器、互感器、隔離開關(guān)、儀表、閥門等。鑒于變電站現(xiàn)場環(huán)境的復(fù)雜性，提出了一種基于深度學習的實時設(shè)備檢測模型。結(jié)果表明，該模型的平均精度在90%以上，驗證了該設(shè)備檢測模型的實用性，并展示了其在巡檢機器人系統(tǒng)上的應(yīng)用潛力。

[關(guān)鍵詞]電力巡檢;機器人;目標檢測;設(shè)備識別

[中圖分類號]TM50 [文獻標志碼]A [文章編號]2095–6487（2022）02–0–04

Research on the Equipment Detection Model of New

Energy Substation Based on Deep Learning

Li Fu-long，Ma Xiao-dong，Wei Chun-lei，Wang Tian-hui，Chen Zhou-sheng

[Abstract]The new energy power generation industry is developing in the direction of unattended and few people on duty. The intelligent robot inspection solution for substations achieves this goal by integrating different technologies， thereby replacing operation and maintenance personnel to perform inspections and inspections of high-voltage equipment inside and outside the station， on-site reading of meter values， real-time collection of power equipment operating data and other tasks， and prediction of possible failures. This article aims to provide the inspection robot with the ability to independently identify power equipment， and to simulate the customized inspection of various equipment during manual inspections. The types of equipment involved in this research include transformers， circuit breakers， transformers， isolating switches， meters， and valves. In view of the complexity of the substation site environment， we propose a real-time equipment detection model based on deep learning. The results show the remarkable performance of the model， with an average accuracy of more than 90%. This work verifies the practicability of the equipment detection model and demonstrates its application potential in the inspection robot system.

[Keywords]power inspection;robot;target detection;equipment recognition

現(xiàn)階段新能源變電站巡檢主要是以人工巡檢為主，部分設(shè)備的自動監(jiān)測為輔。為確保站內(nèi)設(shè)備安全穩(wěn)定運行，站內(nèi)會設(shè)置日常巡視檢查制度，運維人員通過定期巡視檢查關(guān)鍵設(shè)備的有無異常情況，從而判斷設(shè)備是否正常運行，及時掌握生產(chǎn)運行中的異常情況，并采取相應(yīng)處置措施，對于降低電力事故的發(fā)生概率和嚴重程度具有非常重大的意義。因此，變電站需要參考變電設(shè)備的實際運行工況，同時結(jié)合過往處置設(shè)備異常、故障和缺陷的教訓(xùn)和經(jīng)驗，制訂詳盡的檢查方案。在這些背景下，管理所有可用的信息，評估設(shè)備的運行狀態(tài)并及時做出處理異常操作的決策是極其困難的。因此，需要一種有助于防止人為錯誤的手段，并阻止可能將小事故轉(zhuǎn)變?yōu)闉?zāi)難性故障的連鎖反應(yīng)。智能巡檢機器人被認為是完成這些任務(wù)的最佳替代者，通過分析設(shè)備當前數(shù)據(jù)并生成設(shè)備狀態(tài)評估來實現(xiàn)這一需求。當前機器人的技術(shù)水平也完全能夠有效執(zhí)行這些任務(wù)，包括自主導(dǎo)航、探索危險或者無法進入的區(qū)域、可以在機器人上安裝各種傳感器、快速分析傳感器數(shù)據(jù)、執(zhí)行任務(wù)的成本和時間相對較低。

在進行人工巡檢時，值班人員不僅要熟悉待檢設(shè)備的基本情況，同時也要了解該設(shè)備的歷史運行狀態(tài)。對于巡檢機器人來說，監(jiān)控后臺可以為其提供所需的信息和設(shè)備歷史記錄，但巡檢機器人還需要一項非常基本的能力從而替代人工巡檢作業(yè)，那就是檢測和識別環(huán)境中待檢的設(shè)備。本文主要在無人值守的背景下，提出了一種基于深度學習的電力生產(chǎn)現(xiàn)場設(shè)備檢測方法，回顧了當前國內(nèi)外巡檢機器人技術(shù)現(xiàn)狀，詳細闡述了巡檢機器人目標檢測策略，基于深度學習的設(shè)備檢測模型的開發(fā)和評估給出了本項工作的結(jié)論和未來的展望。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)代機器人技術(shù)是計算機科學和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的集大成者，在過去十年中，由于機器人對這類重復(fù)且存在安全隱患的工作的兼容性，在工業(yè)領(lǐng)域使用機器人執(zhí)行巡檢任務(wù)越來越普遍。自2013年開始，道達爾公司組織了一項ARGOS挑戰(zhàn)賽，主題為創(chuàng)造一個服務(wù)于油氣站點的自主機器人。這次比賽分3輪進行，通過這3輪回合，機器人需要自主完成監(jiān)視任務(wù)，檢查各種視覺檢查點，如壓力表和閥門，并監(jiān)測場區(qū)的熱點、氣體泄漏和聲音信號。在電力行業(yè)，張浩杰等開發(fā)了一套變電站巡檢機器人系統(tǒng)，他們使用了一個配備電磁傳感器、RFID閱讀器、攝像機、激光雷達傳感器、紅外熱成像儀和定向麥克風的四輪機器人。機器人跟隨磁性標記作為巡檢任務(wù)的檢查點。對于該系統(tǒng)，需要為巡檢機器人定義巡檢點，以便使用正確的傳感器執(zhí)行檢查任務(wù)。本文的目標是使巡檢機器人具有設(shè)備識別能力，從而獲得更高的感知優(yōu)勢，這一點的重要性已經(jīng)在實際項目中得到證明。人工巡檢過程中，巡視人員能夠識別設(shè)備類型，并在此基礎(chǔ)上決定該設(shè)備的檢查項。例如，在檢查電力變壓器時，巡視人員需要查看變壓器的油溫與油位表，并檢查變壓器外表有無異常。如果巡檢到線路時，巡視人員會目視檢查線路，特別是連接處，使用熱成像儀檢測電纜溫度。該變電站智能機器人巡檢系統(tǒng)可以實時跟蹤變電設(shè)備的歷史數(shù)據(jù)，并將這些信息提供給巡檢機器人，以方便巡檢工作。同樣，巡檢機器人也會將日常設(shè)備巡檢信息發(fā)送到后臺服務(wù)器。

2 機器人巡檢方案

2.1 總體框架

新能源變電站智能巡檢機器人系統(tǒng)是一種面向巡檢過程的智能監(jiān)控解決方案，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、5G通信、協(xié)同控制、智能決策框架、機器人等技術(shù)優(yōu)勢，確保巡視檢查工作高效完成。該方案的總體框架如圖1所示，結(jié)構(gòu)采用模塊化設(shè)計，由6個主要模塊構(gòu)成，包括完整的系統(tǒng)模型和協(xié)同控制、海量連接彈性網(wǎng)絡(luò)通信、基于機器學習的缺陷檢測和預(yù)測模型、智能自適應(yīng)決策模型、三維數(shù)字化電站和自主巡檢機器人。該框架分為物理層和網(wǎng)絡(luò)層，物理層包括巡檢過程本身、無線傳感器和驅(qū)動器、物理控制器和巡檢機器人，網(wǎng)絡(luò)層包括無線通信網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心、缺陷檢測和預(yù)測算法以及決策框架。

作為機器人巡檢系統(tǒng)的核心組成，智能決策框架應(yīng)基于變電設(shè)備的運行狀態(tài)向值班人員提出建議，同時根據(jù)當前情況定義機器人的后續(xù)任務(wù)，繼續(xù)日常巡視工作或其他更具體的工作任務(wù)。巡檢機器人的主要任務(wù)是在變電站內(nèi)巡邏，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)能力范圍內(nèi)的異常情況（日常巡檢）。

2.2 巡檢策略

本文提到的巡檢機器人是一種小型的輪式機器人，集成了紅外及可見光鏡頭、二維激光測距儀、聲學和氣體傳感器，廣泛適用于電廠GIS室、主變室、配電房或其他適于人工作業(yè)區(qū)域的巡檢任務(wù)。傳感器種類是根據(jù)實際工作環(huán)境下的巡檢任務(wù)的需求來配置的，同時機器人可能需要在配電室和輸電線路周圍機動，機器人的尺寸也應(yīng)適合在這種環(huán)境中使用?，F(xiàn)階段變電站內(nèi)的日常巡檢工作通常由站內(nèi)值班人員執(zhí)行，在一定程度上能夠高效地完成這些任務(wù)，但存在巡檢效率低、耗時長、巡檢質(zhì)量不可控、人員工作強度高、人身安全不能保障等問題。因此，對巡檢機器人的需求很清晰，那就是讓機器人履行巡視人員的職責，提高巡檢效率和電站運行可靠性。

由于一般的任務(wù)都是有針對性的，對不同類型的設(shè)備應(yīng)當制定不同的檢查項和判斷依據(jù)。復(fù)雜電磁環(huán)境下，機器人的定位精度存在較大偏差，獲取的動態(tài)畫面也并非完全一致的，僅定義設(shè)備的位置不足以讓機器人完成巡檢任務(wù)。因此，巡檢機器人需要具備目標檢測的能力，才能夠有效地執(zhí)行自主巡檢任務(wù)。本文研究的巡檢策略體系中，首要任務(wù)是設(shè)備類型的檢測，選取了六種電力設(shè)備，包括變壓器、斷路器、互感器、隔離開關(guān)、閥門和儀表，這些設(shè)備都是新能源變電站中最常見的類型。巡檢機器人根據(jù)設(shè)備類型決定需要執(zhí)行的巡檢任務(wù)清單，每種類型的設(shè)備需要使用不同的傳感器，需要執(zhí)行不同的檢查清單。

3 目標檢測算法

3.1 算法設(shè)計

基于設(shè)備識別的機器人巡檢系統(tǒng)需要一個實時目標檢測方案來滿足任務(wù)需求，設(shè)備識別過程包括圖像中目標的分類和定位。在此之前，目標檢測領(lǐng)域最主流的算法一直是R-CNN系列，擁有超高的檢測精度高和雙結(jié)構(gòu)（two stage）的特性，但它的檢測速度并不能滿足移動巡檢的需求。YOLO系列算法的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)則具有單階段（single stage）的特點，不再需要過去多步驟才能完成的目標檢測。 YOLOv3版本繼承了系列算法優(yōu)點，骨干網(wǎng)絡(luò)更新為darknet-53網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，在兼顧實時性的同時保證了目標檢測的準確性，同時支持多尺度目標檢測。

算法設(shè)計實現(xiàn)分三個階段進行：數(shù)據(jù)集收集、模型訓(xùn)練和結(jié)果驗證。數(shù)據(jù)集的采集有兩個目的，對某光伏發(fā)電項目升壓站內(nèi)的變電設(shè)備圖像數(shù)據(jù)集進行采集和標注。在對圖像進行人工目視檢查并確認其正確性和質(zhì)量后，標注設(shè)備類型。該數(shù)據(jù)集被分為訓(xùn)練和驗證兩部分數(shù)據(jù)，整個數(shù)據(jù)集為1 900張圖像，訓(xùn)練數(shù)據(jù)占比全部數(shù)據(jù)的80%，剩余的20%為驗證數(shù)據(jù)。對結(jié)果數(shù)據(jù)集的目視化檢查顯示了多種相關(guān)挑戰(zhàn)，如照片模糊、尺度變化、遮擋和背景雜波。

本文使用了部分預(yù)訓(xùn)練權(quán)值作為初始訓(xùn)練模型以加快模型訓(xùn)練進程，訓(xùn)練過程使用GPU和CPU同時進行。在訓(xùn)練過程中，對損失函數(shù)進行了全程監(jiān)控，YOLOv3使用實際輸出值和樣本標簽值之間的方差和誤差來計算損失值。損失函數(shù)由三部分損失組成，分別是：坐標預(yù)測、置信度預(yù)測、類別預(yù)測，最終的損失值是這些值的總和。在模型巡檢過程中，使用驗證數(shù)據(jù)集周期性的進行模型效果驗證。

訓(xùn)練后的模型應(yīng)達到一定的檢測精度以滿足巡檢任務(wù)的預(yù)期，通常使用PASCAL VOC評估指標來評估目標檢測模型的分類和定位性能。第一個指標是精準度，其計算方法是正確識別的樣本數(shù)和被識別的樣本（包括正確的和錯誤的）總數(shù)之比，該指標用來衡量檢測模型將樣本正確識別的準確性。第二個指標是召回率，計算方法為被正確識別的樣本數(shù)與正確樣本總數(shù)的比值，該指標用來衡量模型檢測正確樣本的能力。第三個指標則是交并比（intersection-over-union），即模型預(yù)測的邊界框與數(shù)據(jù)集中標記的邊界框的交疊率。平均正確率（Average Precision）是另一個在目標檢測領(lǐng)域非常流行的評價函數(shù)。其中，AP值可以被定義為在不同召回率下最大精準度的平均值，mAP（Mean average precision）則是所有類別的AP平均值。本文則增加了另一種評價目標檢測模型準確性的指標，那就是F1score，計算方法為精準率和召回率的調(diào)和平均值，同時考慮了目標檢測模型的精準度和召回率，其中F1score取值范圍是0到1，1代表最佳值（精準率和召回率達到完美狀態(tài)），0代表最差值。

3.2 性能評價

為了驗證和監(jiān)控模型的性能，在訓(xùn)練過程中使用驗證數(shù)據(jù)集定期計算mAP值，這有助于確保設(shè)備檢測模型在訓(xùn)練期間保持全局性能最優(yōu)，避免出現(xiàn)過擬合或者欠擬合的問題。過擬合是指模型對訓(xùn)練數(shù)據(jù)集學習的太好，在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集上表現(xiàn)良好，但在保持樣本上表現(xiàn)不佳。相反，欠擬合是指模型不能充分學習問題，即使在訓(xùn)練數(shù)據(jù)集上也表現(xiàn)不佳。

邊界框置信度的閾值是優(yōu)化目標檢測的一個重要的參數(shù)，置信閾值用于定義IoU，計算方法是“預(yù)測的邊界框”和“真實的邊界框”的交集和并集的比值。置信閾值為50%意味著接受那些邊界框和真實目標重疊超過50%的檢測結(jié)果為正確值。增加置信閾值會導(dǎo)致每個圖像的邊界框數(shù)量變少，降低置信閾值會導(dǎo)致檢測結(jié)果中更多的邊界框。

經(jīng)過12 000次迭代后訓(xùn)練損失值和評價指標mAP的百分比（mAP值是在訓(xùn)練迭代期間計算的），在訓(xùn)練過程中損失值趨于穩(wěn)定并且穩(wěn)定收斂到一個小數(shù)值（0.087 5）表明模型訓(xùn)練找到了損失函數(shù)的全局最小值。該模型檢測準確性驗證的結(jié)果為91.6%（mAP）。

表1概括了每個類別和整個模型的評估細節(jié)，通常模型評估是在置信閾值為0.5時進行的，評估結(jié)果顯示，模型精準度為0.96，表明了模型的可識別性，0.86的召回率表明該模型能夠基本返回相關(guān)結(jié)果。F1score結(jié)合了模型的精準度和召回率，0.91的結(jié)果反映了設(shè)備檢測模型整體性能的魯棒性。交并比（IoU）顯示為78.09%，表示預(yù)測邊界框與標注邊界框幾乎重合。這些評價指標顯示了該模型在變電站實際生產(chǎn)運行環(huán)境中檢測設(shè)備的準確性。

上述評估結(jié)果表明，在變電站這種復(fù)雜的環(huán)境中，該模型依然能夠檢測不同類型的設(shè)備，且具有較高的準確性：①變壓器和互感器兩種類型的檢測性能相對較低是由以下原因造成的。變壓器的訓(xùn)練數(shù)據(jù)量最少，因此需要更多不同條件下的樣本訓(xùn)練數(shù)據(jù)。②盡管互感器的樣本數(shù)量第二高，但它代表了一個非常復(fù)雜的模型，可以有不同的大小和形狀，因此在電力生產(chǎn)環(huán)境中通常存在其他類似的設(shè)備很容易被誤分類為互感器。

4 結(jié)論

本文提出的設(shè)備檢測模型以實際應(yīng)用出發(fā)，基于YOLOv3算法實現(xiàn)，考慮準確性和實時操作的需求，同時對訓(xùn)練好的模型進行了評估，并對其性能進行了驗證，定量和定性分析結(jié)果表明了該模型的準確性。未來更多電力設(shè)備類型將通過遷移學習技術(shù)納入該模型，進一步增強電力巡檢機器人的業(yè)務(wù)能力，實現(xiàn)大量無人值守的設(shè)施設(shè)備遠程監(jiān)控、告警，實現(xiàn)站內(nèi)信息的自動采集、即時控制、智能調(diào)節(jié)、在線決策、人機協(xié)同等功能，提升信息化管理水平，提高維護、巡檢和搶修的效率，提高安全保障管理水平。

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