變電站智能巡視系統(tǒng)應(yīng)用研究

摘" 要：變電站是電力系統(tǒng)的重要組成部分，其安全穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)電力企業(yè)的安全生產(chǎn)及電網(wǎng)穩(wěn)定具有至關(guān)重要的影響。隨著電網(wǎng)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變及設(shè)備規(guī)模的大幅增長，以往的變電運(yùn)維管理模式與設(shè)備快速增長的矛盾日益凸顯。推進(jìn)變電站智巡系統(tǒng)的建設(shè)，可以為變電站的安全運(yùn)行和設(shè)備維護(hù)提供新的手段和工具，形成一套“智巡為主、人巡為輔”的變電運(yùn)維巡檢模式，有效解決人員巡視效率低、局限性大的問題，推動(dòng)電網(wǎng)高質(zhì)量發(fā)展。該文結(jié)合智能巡視技術(shù)，對(duì)變電站智能巡視系統(tǒng)的總體架構(gòu)及各功能模塊設(shè)計(jì)思路與關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行闡述，為加速電網(wǎng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型提供參考。

關(guān)鍵詞：變電站；智能巡視；應(yīng)用研究；數(shù)字化；變電運(yùn)維

中圖分類號(hào)：TM63" " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" " " " " 文章編號(hào)：2095-2945（2025）06-0024-04

Abstract： Substation is an important component of the power system， and its safe and stable operation has a crucial impact on the safety production of power enterprises and the stability of the power grid. With the transformation of the development mode of the power grid and the significant increase in equipment scale， the contradiction between the previous substation operation and maintenance management mode and the rapid growth of equipment is becoming increasingly prominent. Promoting the construction of intelligent inspection system for substations can provide new means and tools for the safe operation and equipment maintenance of substations， forming a set of substation operation and maintenance inspection mode of \"intelligent inspection plus human inspection\"， effectively solving the problems of low efficiency and limitations of personnel inspection， and promoting the high-quality development of the power grid. This article combines intelligent inspection technology to elaborate on the overall architecture and design ideas and key technologies of each functional module of the substation intelligent inspection system， providing reference for accelerating the digital transformation of the power grid.

Keywords： substation; intelligent inspection; application research; digitalization; substation operation and maintenance

近年來，隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，變電站數(shù)量快速增加，有數(shù)據(jù)顯示自2012年以來國家電網(wǎng)公司35 kV及以上變電站增長約30.5%，人均運(yùn)維工作量大幅增加，傳統(tǒng)的巡視方式耗時(shí)耗力，且無法覆蓋全面，容易出現(xiàn)查看信息不快捷、漏檢、錯(cuò)檢等現(xiàn)象。因此，用智能巡視代替人工巡檢已經(jīng)成為大勢(shì)所趨，是保證變電站、電網(wǎng)安全運(yùn)行的必然選擇[1]。

變電站智能巡視系統(tǒng)通過各類高清攝像機(jī)和室內(nèi)外巡檢機(jī)器人對(duì)現(xiàn)場巡視點(diǎn)位進(jìn)行抓圖和視頻錄制，利用人工智能圖像識(shí)別技術(shù)，對(duì)設(shè)備、人員、環(huán)境和缺陷等進(jìn)行智能化分析判斷，從而實(shí)現(xiàn)變電站的智能化遠(yuǎn)程巡視。

1" 變電站智能巡視系統(tǒng)

1.1" 系統(tǒng)架構(gòu)

變電站智能巡視系統(tǒng)由巡視主機(jī)、智能分析主機(jī)、機(jī)器人、無人機(jī)、攝像機(jī)和聲紋監(jiān)測裝置等組成[2]，包括單站型和區(qū)域型2種部署方式。單站型部署方式一般應(yīng)用于500（330） kV及以上變電站，由站內(nèi)巡視主機(jī)下發(fā)控制、巡視任務(wù)等指令，由機(jī)器人、攝像機(jī)和無人機(jī)開展室內(nèi)外設(shè)備聯(lián)合巡視作業(yè)，并將巡視數(shù)據(jù)和采集文件等上送到巡視主機(jī)，巡視主機(jī)和智能分析主機(jī)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析，形成巡視結(jié)果和巡視報(bào)告。區(qū)域型部署方式一般應(yīng)用于220 kV及以下變電站，由區(qū)域巡視主機(jī)接入多個(gè)變電站攝像機(jī)，完成遠(yuǎn)程巡視等功能，站內(nèi)部署邊緣節(jié)點(diǎn)完成和主輔設(shè)備監(jiān)控、機(jī)器人和無人機(jī)等裝置的交互[3]。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

1.2" 接口配置

變電站智能巡視系統(tǒng)部署在變電站安全生產(chǎn)IV區(qū)，按照功能部署，可分為與上級(jí)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互、與安全生產(chǎn)II區(qū)的數(shù)據(jù)交互、與巡檢裝置的數(shù)據(jù)交互、與智能分析主機(jī)數(shù)據(jù)交互[4]。

1）與上級(jí)系統(tǒng)交互接口采用TCP協(xié)議傳輸任務(wù)管理、遠(yuǎn)程控制、模型同步等指令，上級(jí)系統(tǒng)從巡視主機(jī)獲取巡視信息、告警信息、巡視點(diǎn)位等信息，并下發(fā)巡視任務(wù)及配置策略。

2）與安全生產(chǎn)II區(qū)數(shù)據(jù)交互采用正反向隔離裝置實(shí)現(xiàn)主輔助設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)與巡視主機(jī)的通信。正向傳輸時(shí)采用UDP協(xié)議獲取監(jiān)控狀態(tài)監(jiān)測數(shù)據(jù)，反向隔離時(shí)采用CIM/E語言格式實(shí)現(xiàn)反向聯(lián)動(dòng)、順控視頻確認(rèn)信號(hào)的傳輸。

3）與巡檢裝置的數(shù)據(jù)交互包括機(jī)器人、攝像機(jī)、無人機(jī)及聲紋裝置的交互：與機(jī)器人及無人機(jī)接口采用TCP傳輸協(xié)議，下發(fā)對(duì)機(jī)器人及無人機(jī)的控制、巡視任務(wù)等指令，接收其巡視數(shù)據(jù)及工作狀態(tài)等數(shù)據(jù)；采用FTPS等安全文件傳輸規(guī)范，接收可見光照片、紅外圖譜等文件；與攝像機(jī)等視頻系統(tǒng)接口采用TCP/UDP傳輸協(xié)議，獲取攝像機(jī)的視頻和紅外圖譜，并實(shí)現(xiàn)對(duì)攝像機(jī)的控制；與聲紋裝置接口采用TCP/UDP傳輸協(xié)議，獲取聲音監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4）與智能分析主機(jī)接口：采用TCP傳輸協(xié)議，向智能分析主機(jī)發(fā)送識(shí)別分析任務(wù)指令，接收識(shí)別分析結(jié)果數(shù)據(jù)， 文件傳輸接口采用FTPS協(xié)議。

2" 系統(tǒng)功能

變電站智能巡視系統(tǒng)通過各類高清攝像機(jī)和室內(nèi)外巡檢機(jī)器人對(duì)現(xiàn)場巡視點(diǎn)位進(jìn)行抓圖和視頻錄制，利用人工智能圖像識(shí)別技術(shù)，對(duì)設(shè)備、人員、環(huán)境和缺陷等進(jìn)行智能化分析判斷，從而實(shí)現(xiàn)變電站的智能化遠(yuǎn)程巡視[5]。

2.1" 智能巡視

變電站智能巡視系統(tǒng)通過人工智能技術(shù)的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)可視化巡視圖像的數(shù)據(jù)采集、智能識(shí)別、自動(dòng)分類、數(shù)據(jù)分析，配合自主巡視任務(wù)制定，實(shí)現(xiàn)例行巡視、特殊巡視、專項(xiàng)巡視、自定義巡視及靜默監(jiān)視。按照任務(wù)優(yōu)先級(jí)進(jìn)行任務(wù)處理，若新任務(wù)優(yōu)先級(jí)較高，暫停當(dāng)前任務(wù)立即執(zhí)行優(yōu)先級(jí)高的任務(wù)。任務(wù)優(yōu)先級(jí)見表1。通過設(shè)置智能巡視任務(wù)、執(zhí)行方式、執(zhí)行周期、執(zhí)行策略有效降低運(yùn)維人員巡視工作量和巡視壓力，實(shí)現(xiàn)巡檢的全覆蓋。

2.2" 智能識(shí)別

變電站數(shù)據(jù)分析對(duì)象包括變壓器本體及套管、斷路器、開關(guān)柜、隔離開關(guān)、電流（壓）互感器、避雷器、電容器、電抗器、母線及絕緣子和消弧線圈等各類設(shè)施及線路，采用可見光分析方式對(duì)設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境狀態(tài)及人員行為等進(jìn)行缺陷分析[6]。變電站典型缺陷類型見表2。

2.3" 圖像識(shí)別算法評(píng)價(jià)

巡視主機(jī)將采集到的視頻圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到智能分析主機(jī)后，智能分析主機(jī)能根據(jù)接收到的圖像和視頻流對(duì)特定分析類型進(jìn)行識(shí)別和判別，并將結(jié)果回傳給巡視主機(jī)。主要包括圖像識(shí)別評(píng)估和圖像判別評(píng)估。

2.3.1" 圖像識(shí)別算法評(píng)價(jià)

圖像識(shí)別算法評(píng)價(jià)指標(biāo)包括模型檢出率、模型誤檢率及平均計(jì)算時(shí)間。

1）算法輸出的正確識(shí)別框數(shù)量與驗(yàn)證集的標(biāo)注框數(shù)量的比值稱為檢出率，計(jì)算公式為

式中：M1表示算法輸出的正確識(shí)別框數(shù)量，T表示被測場景的標(biāo)注框數(shù)量。

2）算法輸出的錯(cuò)誤識(shí)別框數(shù)量與算法輸出的識(shí)別框數(shù)量的比值稱為誤檢率，計(jì)算公式為

式中：M2表示算法輸出的識(shí)別框（正確識(shí)別和錯(cuò)誤識(shí)別）數(shù)量。

3）算法計(jì)算總時(shí)間與驗(yàn)證集圖像數(shù)量的比值稱為平均計(jì)算時(shí)間。

2.3.2" 圖像判別算法評(píng)價(jià)

圖像判別算法評(píng)價(jià)指標(biāo)包括漏檢率、誤檢率及平均計(jì)算時(shí)間。

1）驗(yàn)證集的標(biāo)注框數(shù)量和算法輸出的正確識(shí)別框數(shù)量的差值與驗(yàn)證集的標(biāo)注框數(shù)量的比值稱為漏檢率，計(jì)算公式為

2）算法輸出的錯(cuò)誤識(shí)別框數(shù)量與算法輸出的識(shí)別框數(shù)量的比值稱為誤檢率，計(jì)算公式為

3）算法計(jì)算總時(shí)間與驗(yàn)證集圖像數(shù)量的比值稱為平均計(jì)算時(shí)間。

2.4" 智能聯(lián)動(dòng)

主輔設(shè)備監(jiān)控通過正向隔離裝置將主設(shè)備變位信號(hào)、越限信號(hào)、監(jiān)控告警信號(hào)及遙控預(yù)置等信號(hào)發(fā)送到巡視主機(jī)，巡視主機(jī)接收到來自主輔設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)信號(hào)后，自動(dòng)生成巡視任務(wù)。根據(jù)指定的聯(lián)動(dòng)信號(hào)和點(diǎn)位關(guān)系執(zhí)行任務(wù)，實(shí)現(xiàn)主設(shè)備SCADA監(jiān)控系統(tǒng)變位信號(hào)和保護(hù)告警信號(hào)聯(lián)動(dòng)及與輔控系統(tǒng)天氣、消防、安防和門禁等狀態(tài)聯(lián)動(dòng)功能。同時(shí)巡視主機(jī)將巡視過程中采集到的隔離開關(guān)分合閘狀態(tài)判別結(jié)果傳輸給主輔設(shè)備監(jiān)控，配合采用視頻為一鍵順控確認(rèn)判據(jù)的變電站執(zhí)行一鍵順控操作，實(shí)現(xiàn)與一鍵順控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)功能。

3" 典型試驗(yàn)

3.1" 試驗(yàn)平臺(tái)

為驗(yàn)證變電站智能巡視系統(tǒng)的功能應(yīng)用，實(shí)驗(yàn)室選擇某生產(chǎn)廠家樣品按照500（330） kV及以上變電站配置進(jìn)行環(huán)境搭建，試驗(yàn)環(huán)境配置見表3。

試驗(yàn)環(huán)境中配置了17類變電站典型識(shí)別場景，接入巡檢點(diǎn)位數(shù)量20 000個(gè)，同時(shí)提供了上千張包含正確和錯(cuò)誤的圖片進(jìn)行圖片識(shí)別機(jī)圖像判別模擬。

3.2" 應(yīng)用效果

通過試驗(yàn)驗(yàn)證，配置的變電站智能巡視系統(tǒng)能夠按照設(shè)定的優(yōu)先級(jí)執(zhí)行任務(wù)巡視，緊急情況下，允許巡視系統(tǒng)管理員權(quán)限賬號(hào)接管現(xiàn)場控制權(quán)。支持主輔設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)與巡視主機(jī)之間互相發(fā)送聯(lián)動(dòng)信號(hào)功能。在站端進(jìn)行一鍵順控操作時(shí)，巡視系統(tǒng)收到相關(guān)信號(hào)后能夠觸發(fā)聯(lián)動(dòng)，對(duì)相應(yīng)設(shè)備（隔離開關(guān)、斷路器、主變等）的監(jiān)控場景在同一頁面上進(jìn)行關(guān)聯(lián)性顯示，并顯示對(duì)該設(shè)備的智能分析結(jié)果。

圖像識(shí)別及圖像判別性能見表4。

參照國家電網(wǎng)有限公司《500（330）千伏及以上變電站遠(yuǎn)程智能巡視系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范（試行）》中對(duì)圖像識(shí)別及判別的性能技術(shù)要求：算法模型平均檢出率不應(yīng)低于80%，算法模型平均誤檢率不應(yīng)高于30%，單張圖片算法模型平均運(yùn)行時(shí)間應(yīng)小于500 ms。試驗(yàn)平臺(tái)提供的巡視系統(tǒng)圖片判別算法模型平均檢出率未滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，分析其原因主要為深度學(xué)習(xí)算法還不完善，需建立更為全面和完善的深度學(xué)習(xí)模型架構(gòu)，通過模型結(jié)構(gòu)調(diào)整、損失函數(shù)修正等手段不斷提高算法性能。

4" 結(jié)論

本文介紹了變電站遠(yuǎn)程智能巡視系統(tǒng)的架構(gòu)及其主要功能、性能，智能巡視系統(tǒng)的部署改變了變電運(yùn)維巡檢傳統(tǒng)模式，不僅提高變電站巡視效率及安全性，更推動(dòng)了電網(wǎng)的數(shù)字化管理水平。最后通過配置變電站智能巡視實(shí)驗(yàn)室典型測試環(huán)境，對(duì)關(guān)鍵功能和性能做出驗(yàn)證，期望為后續(xù)智能巡視系統(tǒng)的大范圍推廣提供實(shí)驗(yàn)支撐。

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第一作者簡介：許夢(mèng)陽（1990-），女，碩士，高級(jí)工程師。研究方向?yàn)橹悄茏冸娬颈O(jiān)控系統(tǒng)測試及電力系統(tǒng)產(chǎn)品軟件測試。