基于智能輔控的變電站無人巡檢技術研究及應用

曹基南，薛祺浩，顧 華，徐友剛，沈曉峰，方 祺

(國網上海市電力公司青浦供電公司，上海 201799)

由于變電站數量多且位置較為分散，傳統的變電站輔控系統中一般都以視頻監控為主，來實現對變電站安防的要求。隨著信息技術以及傳感器技術的發展，消防報警、環境監測等獨立系統逐漸成為輔控系統的一部分，運維人員能夠通過輔控子系統來了解站內環境、安防、視頻圖像、外來人員入侵等信息。因此，輔控系統中視頻監控、環境監測、消防報警等子系統作為輔控的主要組成部分在35 kV及以上變電站中普遍安裝應用。但是隨著安裝的輔控子系統越來越多，子系統間融合聯動等問題越來越突出。首先是各個輔控子系統間均是獨立運行，存在“孤島”問題[1-2]。視頻監控廣泛存在于各個行業，視頻監控軟件經過多年的發展也較為成熟穩定，但缺乏專門的變電站視頻監測軟件，同時安防、消防等子系統都是獨立的監控軟件，布置在子系統終端或者計算機平臺。其次是聯動功能單一。以視頻監控子系統為例，目前視頻的抓拍功能已經能夠根據特定的特征實現，但也是通過視頻軟件內部設定，與外界多個系統間的聯動較為缺乏，在變電站視頻監控中，無法通過視頻處理定位故障點，多個系統之間更為復雜的聯動難以實現。最后，由于輔控設備獨立運行、聯動功能單一，利用輔控裝置對設備狀態的巡檢技術還處于研究階段[3-4]。

1 新型智能輔控系統構架

為了解決這些問題，本文提出了一種變電站新型智能輔控架構(如圖1所示)。系統以智能控制平臺為核心，對各輔控子系統信息統一采集和控制，同時控制各輔控子系統間的聯動、告警信息的上送以及與SCADA系統數據對比分析，實現對變電站設備巡檢及運行環境的一體化監控。

新型智能輔控系統主要由設備層、驅動層、服務層、表示層組成。

設備層是各類傳感器、設備或子系統。整個輔控系統所連接的智能設備和子系統種類繁多、數量龐大，主要有遙視系統、消防系統、SF6監控系統、環境監測系統、燈光控制系統等，各個設備采用了不同的連接方式和不同的通信規約。為了解決各個系統獨立運行的問題，實現不同設備互聯操作，設計了一套設備驅動連接方案，即驅動層。

驅動層由若干設備驅動進程構成，每種設備有一個相對獨立的應用進程。在實際運行過程中，可通過運行多份拷貝來實現對多個設備的接入。

服務層以智能控制平臺為核心，管理著所有設備的當前信息及變化趨勢，執行定時事務和告警聯動事務，響應上位機交互請求并反饋執行結果，同時與數據庫、上層應用接口、配置工作站進行連接，實現系統功能和接口間的信息傳遞。

表示層由安裝在工作站的軟件實現，它通過相應的人機界面來呈現設備和各類子系統的當前信息，并接收控制操作指令，傳送到智能控制平臺進行處理，展示相應的處理結果；或者根據需要生成趨勢化的數據分析，呈現相應的監控圖表等。

1.1 設備接入驅動接口設計

在變電站輔助監控系統中，除了視頻監控子系統中視頻流的傳輸外，其他監控內容如攝像機連接狀態、成像質量對應“四遙”中的遙信，預置位控制則對應“四遙”中的遙控，其實質就是開關量，而環境溫濕度、SF6含量等內容則對應“四遙”中的遙測，其實質是模擬量。因此，可以理解為變電站輔助監控系統的監控內容就是開關量和模擬量，將開關量和模擬量抽象成變量，分別對應布爾型、整型、浮點型等數據類型，便可實現設備的驅動化。

設定變量標識用于系統內部對變量加以識別，數據類型對應變量所表示的監控點位取值的數據類型，設備標識對應于子系統中與平臺進行通信的前端設備或設備主機，控制索引則是在設備驅動服務中區別于同一設備其他點位的唯一標識，變量編號則根據數據類型進行編號，即同一類型的變量編號唯一，輸入輸出類型則表示變量對應的監控點位是可讀、可控還是二者兼有。通過將監控點位映射為變量的方式，來實現設備的驅動化。每個驅動服務只需要按照前端設備或主機對應的通信協議，建立一個對應關系，在數據接收和發送時按照這個對應關系進行轉換即可。

所有智能設備或子系統都通過驅動層的驅動接口來連接到智能控制平臺，驅動進程通過智能變量與智能控制平臺進行數據交互。正因為引入了驅動的設計，解決不同設備的連接或者同一類設備不同軟件版本的連接方式的問題。

1.2 輔控系統聯動功能設計

無論是攝像機的預置位控制，還是環境溫度，每個監控點位都可以對應一個變量，區別僅僅在于變量的數據類型和訪問屬性，對于攝像機的預置位控制，服務平臺可以定義為只寫的布爾型變量，對于環境溫度則可以定義為只讀的浮點型變量，通過對這些監控點位進行變量化定義后，在智能控制平臺便可以實現無差別化訪問，可以很方便地將不同子系統的監控內容整合到同一界面，也可以不受子系統類型的限制來靈活地實現系統間的聯動。

智能輔控系統的聯動功能主要包括：① 安全防范、紅外監測、環境監控等各類設備之間的自動聯動；② 與變電站監控系統的告警聯動功能，實現站內重要告警發生時自動聯動指定的視頻設備；③ 與變電站監控系統的操作聯動、順控聯動功能，對開關、刀閘設備進行控制時，自動聯動指定的視頻設備。

2 基于輔控的無人巡檢技術

從所述智能輔控系統的架構來看，輔控設施與主設備運行信息通過智能控制平臺進行了關聯，能夠獲取設備故障點視頻定位，而利用事件關聯、圖像處理等技術，能夠獲得設備實際故障位置、運行狀態信息等，即借助輔控設施能夠實現變電站設備無人自動巡檢。無人巡檢流程如圖2所示。首先進行巡檢功能設定，包括巡檢的周期、巡檢的主要設備、巡檢歷史查詢等；然后進行巡檢數據的采集，主要是采集各輔控子系統以及相關視頻數據并進行分析，包括斷路器位置、變壓器油位等，通過圖像處理后識別設備狀態并與SCADA數據進行對比分析，當發現異常時，第一時間聯動故障點視頻，并把巡檢結果發送至運維人員。

從圖2可以看出，實現智能巡檢的關鍵是實現設備狀態數據的讀取。溫濕度等信息可以通過傳感器檢測獲得，設備的位置狀態等運行信息則需要視頻流的獲取。獲取視頻流的方式有多種，包括特定設備供應商的SDK、ONVIF協議、GB28181協議等，由于特定設備供應商的SDK具有相當局限性，而當前幾乎前端攝像機均支持ONVIF協議[5]，為了保證系統的兼容性，本文采用ONVIF來實現視頻接入。

2.1 基于顏色差異的狀態識別方法

獲得視頻信息后，需要通過圖像處理的方式來獲得設備的運行狀態。指示燈、斷路器位置等具有明顯顏色差異，可以利用顏色差異進行狀態識別。常見的10 kV開關實際位置如圖3所示。在實際應用過程中，可針對視頻畫面標定區域，來關聯特殊的設備狀態或相關屬性，以減少分析時對系統資源的耗費。以開關的實際指示為例，通過矩形工具選擇要識別的區域，并指明該設備存在的各種狀態值和對應顏色特征，分析時通過顏色差異分析模型結合指定的顏色參數來分析實際的狀態。

為了加速顏色的識別，在實際應用過程中，可以利用查找表的方式來直接選擇，具體方法如下：(1)將顏色值分段，比如按16為一段，那么實際24位RGB顏色變成了16×16×16種，即4 096種顏色，然后將4 096種顏色建立一個查找表，可以將想要的顏色標注出來。這樣做可以建立最多達4 096種顏色，也可以屏蔽指定顏色而保留想要的顏色。

2.2 基于色彩亮度的狀態識別

在分辨狀態指示燈是否點亮的狀態時，如圖4所示。10 kV開關柜面板指示燈狀態識別，需要用到基于色彩亮度的狀態識別方法。在YUV色彩空間中，Y(0～255)值代表色彩的明亮度，值越大，其亮度越高，根據這個特性設定一個亮部與暗部的臨界值BV，并設定亮度占比閾值OT，對色彩進行統計來確定該設備狀態燈是開啟還是關閉。通過BV判定每一個像素是屬于暗還是亮，大于BV值為亮，否則為暗。分辨結束后，計算亮度比是否達到閾值OT，如達到則判定為開啟，否則判斷為關閉。

在特定場景應用中，燈光的亮和暗會有一定的差別，可以調節BV和OT來增加其準確性。為了保證閾值的準確性，可以通過機器學習來學習指定場景下的指示燈開啟和關閉的顏色分布，自動計算更加準確的BV值。

在應用過程中設定BV值為132，OT值為0.55，且忽略灰度，對圖片識別的結果正確率為90%。為了提高識別率，可以進一步優化算法。設定指示燈不同狀態的平均亮度值Yave，

當第一次計算時，直接將亮度值Y賦值給Yave，即

Yave=Y

計算完所有同顏色像素值后，即得到該多數色彩的Yave值。分別獲取狀態指示燈開啟和關閉的Yave值后，取兩者的中間值作為狀態判斷閾值Ytf，在實際運行過程中，通過圖像計算的Yave與Ytf判斷即可。經試驗得到，此種方法對圖像識別正確率達100%。

2.3 表計讀數圖像識別算法

由于儀表種類繁多，刻度的表達方式也多種多樣，加上攝像機安裝角度和位置的不同，可能導致圖像傾角，因此在計算具體儀表的讀數時，通常針對不同的儀表圖像建立計算模型，模塊中可通過建立指針的起始角、終止角、方向、起始讀數、終止讀數，然后通過檢測得到的指針角度來換算成具體的儀表讀數。

在實際應用過程中，為了快速達到計算指針讀數的目的，可以根據實際特點來優化算法。因表計指針的運動空間相對潔凈，可以在潔凈的區域中建立線段或圓掩碼模型，直接枚舉掩碼區的二值化像素，如果存在該像素，則假設該點是指針上的一個點，通過該點與儀表中心假設存在多個連續的像素，則斷定該點是指針的過點，該點的矢量方向是指示角，通過該角度結合分析模型相關參數即可快速算出儀表的實際讀數。

3 系統測試

本系統選擇在上海某110 kV變電站實現集成部署并進行了測試。首先設定了一個日常巡檢方案，每天對站內20個設備進行巡檢，巡檢的項目包括了開關狀態、指示燈狀態、儀表讀數；批量生成了2個月的巡檢計劃；通過正向隔離裝置，并單向接入SCADA系統，能讀取指定開關狀態。

完成系統部署后，進行了集成測試，測試內容包括：自動觸發并執行了5個日常巡檢任務，分析的狀態與SCADA狀態完全一致；添加了3個特殊巡檢任務，分析的狀態與SCADA狀態完全一致。

4 結語

本文針對傳統的輔控系統缺乏聯動、接口不統一的問題設計了新型智能輔控系統，并設計了不同設備統一接入的驅動程序、故障點視頻聯動方法等，實現了站內設備溫濕度、紅外熱像、GIS局放等站內信息的綜合監測及相關故障視頻聯動；提出了利用變電站智能輔控系統實現無人巡檢的方法，針對站內開關位置、開關柜面板指示燈、主要表記等設備，提出了利用圖像處理技術獲取設備運行狀態信息并于SCADA系統對比的方法。最后在站內進行了測試，測試結果顯示，提出的基于智能輔控的變電站無人巡檢技術能夠完成既定的巡檢任務，對促進變電站無人巡檢技術的發展具有重要意義。