基于電力4G專網(wǎng)的變電站實(shí)時(shí)雙向智能巡檢

張 天，蘇 偉，龔雁峰

（1.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司濟(jì)南供電公司，山東 濟(jì)南 250012；2.國(guó)網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103；3.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

電力行業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的重要一環(huán)，其基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行的安全穩(wěn)定為我國(guó)民用及工業(yè)活動(dòng)奠定了基礎(chǔ)。變電站巡檢是保證變電站安全運(yùn)行，提高供電可靠性的必要基礎(chǔ)工作，在對(duì)變電站進(jìn)行巡檢的過(guò)程中，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并解決故障是非常重要的。傳統(tǒng)巡檢方式會(huì)受外部環(huán)境、個(gè)人經(jīng)驗(yàn)及技能水平等影響，存在漏巡和巡檢不到位等問題［1-2］。隨著我國(guó)變電站自動(dòng)化水平的提高與遠(yuǎn)程智能化無(wú)人值守變電站建設(shè)的推進(jìn)，變電站巡檢工作也向著智能化、信息化邁進(jìn)。

近年來(lái)，通信技術(shù)迅速發(fā)展，其中第4代移動(dòng)通信技術(shù)大大提高了通信速率，使得實(shí)時(shí)反饋巡檢得以實(shí)現(xiàn)，同時(shí)電力4G專網(wǎng)還能保證巡檢數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴，F(xiàn)階段的變電站智能化和信息化主要體現(xiàn)在集中管控變電站潮流、報(bào)警信息等方面，只能觀測(cè)到數(shù)字化運(yùn)行信息，不能全方位觀察變電站的運(yùn)行及環(huán)境狀況［3］。

針對(duì)上述問題，基于電力4G專網(wǎng)的變電站實(shí)時(shí)雙向智能巡檢方法，提出以人的主觀能力為中心，技術(shù)支持為輔的新型智能化巡檢系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)信息的雙向交互。通過(guò)谷歌眼鏡和可持智能設(shè)備進(jìn)行拍照、視頻、直播等方式，達(dá)到巡檢系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的高效結(jié)合，提高變電站運(yùn)行的可靠性，也使變電站巡檢工作變得更加智能化和信息化。

1 智能巡檢系統(tǒng)的架構(gòu)與特點(diǎn)

基于電力4G專網(wǎng)智能巡檢系統(tǒng)包括谷歌眼鏡接口開發(fā)、便攜式一體化裝置軟硬件開發(fā)、后臺(tái)大數(shù)據(jù)APP專業(yè)應(yīng)用和云計(jì)算服務(wù)開發(fā)等，具體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

應(yīng)用層?？梢允沁壿嬌洗嬖?，基于可穿戴變電站智能巡檢系統(tǒng)建立的邏輯集。用于支持設(shè)備識(shí)別、設(shè)備監(jiān)控、異常監(jiān)控、趨勢(shì)預(yù)測(cè)、統(tǒng)計(jì)分析等應(yīng)用。

數(shù)據(jù)服務(wù)。包括臨時(shí)數(shù)據(jù)區(qū)、基礎(chǔ)數(shù)據(jù)區(qū)、匯總數(shù)據(jù)區(qū)等一系列的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)區(qū)域，以及用于業(yè)務(wù)規(guī)則定義和維護(hù)管理的區(qū)域，這些區(qū)域的數(shù)據(jù)將共同支持可穿戴變電站智能巡檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、分析和業(yè)務(wù)應(yīng)用。

網(wǎng)絡(luò)層。通過(guò)電力4G專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問、Web服務(wù)、認(rèn)證、安全以及分析門戶等。

數(shù)據(jù)層。變電站、電力設(shè)備、監(jiān)控系統(tǒng)以及一些外部數(shù)據(jù)，都將作為可穿戴變電站智能巡檢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來(lái)源。從外部獲取數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)區(qū)，再加工數(shù)據(jù)到電網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，同時(shí)將保留數(shù)據(jù)歷史。

1.2 系統(tǒng)的主要特點(diǎn)

1.2.1 實(shí)時(shí)性

當(dāng)前智能巡檢中多為無(wú)線局域網(wǎng)傳輸，受覆蓋范圍的限制。只有在覆蓋區(qū)域內(nèi)才可正常巡檢，然而這將導(dǎo)致無(wú)法傳輸室外大部分變電設(shè)備的數(shù)據(jù)。當(dāng)巡檢人員處于無(wú)覆蓋區(qū)域時(shí)，只能先通過(guò)離線表單填寫，再帶回至主站監(jiān)控中心進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)性低，效率低［4］。而利用基于電力4G專網(wǎng)的智能巡檢系統(tǒng)通過(guò)專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問，進(jìn)行信息的交互可以不受地點(diǎn)的限制，實(shí)時(shí)性好。

1.2.2 安全性

4G網(wǎng)絡(luò)本身就有良好的密鑰流，通過(guò)精準(zhǔn)的加密算法可以保證數(shù)據(jù)的安全傳輸。保證網(wǎng)絡(luò)安全性的另一個(gè)重要條件就是防止外來(lái)用戶的非法訪問，采用用戶名和密碼登錄系統(tǒng)可有效防止外來(lái)人員的訪問。此外，由于電力4G專網(wǎng)能夠限制與外網(wǎng)的互聯(lián)，故可禁止外來(lái)用戶的非法訪問［5］。

1.2.3 便攜性

通過(guò) PDA（Personal Digital Assistant）讀取 RFID電子標(biāo)簽是當(dāng)前最普遍的數(shù)據(jù)采集方式［6］。無(wú)論采用何種RFID標(biāo)簽，均需要手持設(shè)備進(jìn)行讀取，操作不方便。利用谷歌眼鏡掃碼，無(wú)需手持設(shè)備就能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離識(shí)別，可解放巡檢人員雙手。

2 基于電力4G專網(wǎng)的智能巡檢系統(tǒng)功能介紹

2.1 電力4G專網(wǎng)簡(jiǎn)述

第4代移動(dòng)通信技術(shù)，即4G，有TD-LTE和FDD-LTE兩種制式，其性能優(yōu)勢(shì)包括通信速率高、覆蓋范圍廣、系統(tǒng)部署靈活等。4G網(wǎng)絡(luò)屬于開放性網(wǎng)絡(luò)，面對(duì)所有人開放，為了保證傳輸數(shù)據(jù)時(shí)的安全性，將采用專網(wǎng)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸［7］，電力無(wú)線專網(wǎng)的主要架構(gòu)如圖2所示。

圖2 電力無(wú)線專網(wǎng)架構(gòu)

在電網(wǎng)中有多種中低壓配用電設(shè)施，這些設(shè)備的“三遙”等業(yè)務(wù)將會(huì)在運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生不同類型的電力信息數(shù)據(jù)。為實(shí)現(xiàn)配電自動(dòng)化與用電信息采集，這些電力信息數(shù)據(jù)將承載在無(wú)線信號(hào)上發(fā)射出去，由相應(yīng)的遠(yuǎn)端射頻信號(hào)單元（Radio Remote Unit，RRU）負(fù)責(zé)接收，之后通過(guò)光纖回傳至基帶單元（Building Base band Unit，BBU），最后由基帶單元進(jìn)行解調(diào)處理恢復(fù)電力信息數(shù)據(jù)后傳輸至電力主站系統(tǒng)進(jìn)行處理。電力4G專網(wǎng)主要用于配電及計(jì)量自動(dòng)化、視頻監(jiān)控等電力生產(chǎn)類終端的無(wú)線接入，具有高帶寬、低時(shí)延等諸多優(yōu)勢(shì)，且作為專用無(wú)線通信網(wǎng)，可靠性高、安全性強(qiáng)［8］。

2.2 谷歌眼鏡及手持智能設(shè)備的基本功能

作為可穿戴便攜設(shè)備，谷歌眼鏡集智能終端設(shè)備、GPS、相機(jī)于一身，可將信息實(shí)時(shí)展現(xiàn)給巡檢人員，能及時(shí)、直觀地觀察到變電站一次設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)巡檢無(wú)法獲得現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的不足，為巡檢人員進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備檢修及綜合情況評(píng)估提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。谷歌眼鏡的基本特性及可視化應(yīng)用功能如圖3所示。

圖3 谷歌眼鏡的基本特性及可視化應(yīng)用功能

在對(duì)設(shè)備的局部及整體進(jìn)行拍照及錄像后，會(huì)在谷歌眼鏡的棱鏡屏上顯示，且在儲(chǔ)存時(shí)可編輯設(shè)備名稱。此外，利用谷歌眼鏡掃描電氣設(shè)備的二維碼進(jìn)行識(shí)別，由于編碼的唯一性，因此可從后臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器獲取與該設(shè)備相關(guān)的信息數(shù)據(jù)，如電壓、電流、有功及無(wú)功功率、溫度及檢修記錄等，且數(shù)據(jù)會(huì)實(shí)時(shí)顯示在棱鏡屏上，便于巡檢人員作業(yè)。谷歌眼鏡還內(nèi)置藍(lán)牙，可以此將所拍圖像、視頻同步傳輸?shù)绞殖种悄茉O(shè)備，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，無(wú)需進(jìn)行二次獲取設(shè)備圖像的繁瑣操作?？偟膩?lái)說(shuō)，由于谷歌眼鏡無(wú)需手持操作且具有與手持智能設(shè)備相類似的功能，極大地簡(jiǎn)化了巡檢工作，提高了巡檢效率。

手持智能設(shè)備的功能與谷歌眼鏡大致相同。雖然手持智能設(shè)備攜帶沒有谷歌眼鏡方便，但其具有對(duì)谷歌眼鏡以及該終端所獲得的一次信息進(jìn)行預(yù)處理的優(yōu)勢(shì)，例如可對(duì)圖像及數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單預(yù)處理，包括邊緣檢測(cè)、繪制RGB及Hue柱狀圖等，從而便于巡檢人員及后臺(tái)專家進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，因此，手持智能設(shè)備可作為日常巡檢的設(shè)備補(bǔ)充。

2.3 后臺(tái)服務(wù)器的基本功能

集中式處理框架。能做到集中式任務(wù)調(diào)度、計(jì)算及文件存儲(chǔ)，從而達(dá)到高速處理、靈活擴(kuò)展的目標(biāo)。

數(shù)據(jù)查詢。具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)查詢接口，包含SQL的查詢方式。

運(yùn)維管理。大數(shù)據(jù)及計(jì)算服務(wù)后臺(tái)及其組件的安裝、移除、監(jiān)控及配置管理應(yīng)當(dāng)由統(tǒng)一的運(yùn)維系統(tǒng)管理，可以做到可視化的配置、啟停、安裝、卸載服務(wù)。對(duì)常用系統(tǒng)監(jiān)控項(xiàng)目有圖形化監(jiān)控界面、良好的日志保存和跟蹤的能力。

多用戶管理。大數(shù)據(jù)及計(jì)算服務(wù)后臺(tái)支持多用戶的功能分配和管理。用戶之間不應(yīng)存在資源競(jìng)爭(zhēng)。

數(shù)據(jù)權(quán)限管理。能按用戶配置數(shù)據(jù)訪問權(quán)限，不同用戶訪問相同主題數(shù)據(jù)可配置顯示不同的列，同時(shí)可以設(shè)置行過(guò)濾條件。

算法庫(kù)支持。具有常用的統(tǒng)計(jì)算法庫(kù)（至少包含聚類、圖像分割、圖像特征提取、時(shí)間序列和邏輯回歸等算法），并可通過(guò)加載模塊的方式進(jìn)行算法庫(kù)的擴(kuò)展。

3 智能巡檢的實(shí)現(xiàn)方法與應(yīng)用

3.1 實(shí)現(xiàn)方法

現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員佩戴谷歌眼鏡，掃描一次設(shè)備的二維碼，該二維碼是每個(gè)設(shè)備唯一對(duì)應(yīng)的，因此可以自動(dòng)識(shí)別相關(guān)電氣設(shè)備編號(hào)并自動(dòng)轉(zhuǎn)發(fā)給智能化一體單元。智能化一體單元通過(guò)電力4G專網(wǎng)，從后臺(tái)數(shù)據(jù)服務(wù)器中獲取相關(guān)電氣參數(shù)，將其同步到谷歌眼鏡中，并根據(jù)需要進(jìn)行選擇性投影，以備巡檢人員參考，顯示信息主要包括：電氣設(shè)備廠家、銘牌、檢修記錄及設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)等。巡檢人員根據(jù)這些信息及現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行評(píng)估后，利用谷歌眼鏡進(jìn)行圖像、音頻采集，后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)自動(dòng)將圖像、音頻與設(shè)備ID關(guān)聯(lián)并記錄在日志中，巡檢結(jié)束時(shí)自動(dòng)上傳日志至后臺(tái)服務(wù)器。具體操作流程如圖4所示。

圖4 變電站實(shí)時(shí)雙向智能巡檢實(shí)現(xiàn)流程

3.2 實(shí)際應(yīng)用

3.2.1 實(shí)時(shí)信息顯示

二維碼為設(shè)備唯一編號(hào)，利用谷歌眼鏡掃碼，由手持智能設(shè)備通過(guò)電力4G專網(wǎng)從后臺(tái)服務(wù)數(shù)據(jù)庫(kù)中搜索并獲取設(shè)備運(yùn)行及檢測(cè)等數(shù)據(jù)，并將最終結(jié)果顯示在棱鏡屏上，具體數(shù)據(jù)顯示如圖5所示。

3.2.2 信息交互

電力系統(tǒng)巡檢人員在實(shí)際巡檢過(guò)程中，后臺(tái)專家能夠?qū)崟r(shí)觀察到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況并及時(shí)給予技術(shù)支持，通過(guò)谷歌眼鏡進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)視頻采集和實(shí)時(shí)傳送可以實(shí)現(xiàn)專家遠(yuǎn)程診斷功能，具體實(shí)現(xiàn)過(guò)程如圖6所示。

圖5 實(shí)時(shí)狀態(tài)數(shù)據(jù)展示

圖6 后臺(tái)專家遠(yuǎn)程診斷實(shí)現(xiàn)過(guò)程

谷歌眼鏡通過(guò)藍(lán)牙或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與手持智能設(shè)備進(jìn)行連接，通過(guò)手持智能設(shè)備實(shí)時(shí)上傳圖像、視頻或錄音到后臺(tái)服務(wù)器，后臺(tái)服務(wù)器可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)點(diǎn)播和視頻存儲(chǔ)。專家可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)瀏覽器在后臺(tái)查看由各個(gè)變電站谷歌眼鏡所上傳的實(shí)時(shí)視頻，進(jìn)行遠(yuǎn)程專家指導(dǎo)，具體如圖7所示。如果變電站巡檢人員啟動(dòng)谷歌眼鏡實(shí)時(shí)視頻上傳功能，后臺(tái)服務(wù)器所對(duì)應(yīng)的變電站視頻窗口將實(shí)時(shí)播放視頻，后臺(tái)專家可以點(diǎn)擊對(duì)應(yīng)窗口，放大至全屏觀看。

圖7 后臺(tái)服務(wù)器接收現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)

手持智能設(shè)備通過(guò)電力4G專網(wǎng)與后臺(tái)服務(wù)系統(tǒng)獲得同步聯(lián)系，突破了以往專家難以獲取現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的障礙，可以實(shí)現(xiàn)專家遠(yuǎn)程診斷功能，有助于提高智能變電站巡檢的自動(dòng)化水平。

4 結(jié)語(yǔ)

新型變電站智能巡檢方式以谷歌眼鏡及智能一體化單元為基礎(chǔ)，通過(guò)電力4G專網(wǎng)和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行信息交互，將變電站的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)庫(kù)，以便巡檢人員獲得電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況，并可實(shí)現(xiàn)后臺(tái)專家運(yùn)程指導(dǎo)處理變電站中存在問題，從而制定最佳的保養(yǎng)維修方案。