淺析基于3D數據平臺的變電站智能技術

廣東電網有限責任公司中山供電局 齊 明 邱天怡 曾令誠 孟晨旭 肖 星 范德和 曾新雄

變電站作為電網的重要組成部分，是連接發電廠和用戶的樞紐，其安全穩定運行不僅關系到電力系統的供電可靠性，還關系到國民經濟的發展[1]。

早在20世紀80年代，各種人工智能技術就引起了電力系統的廣泛關注，主要以專家系統和人工神經網絡為研究重點，集中應用于故障診斷、在線監測等場景，但由于當時數據、算法及算力等因素的限制，其應用效果較差[2]。近年來隨著云計算、計算機技術、傳感器技術及網絡通信技術的快速發展，以深度學習、虛擬現實、增強現實等智能技術為代表的新一代人工智能技術得到突破性進展，促使傳統變電站逐漸向著高度自動化、數字化、智能化方向發展，在這個過程中不斷出現針對變壓器、開關等一次主設備的狀態監測裝置及在線監測系統[3]。

針對變電站的作業人員、車輛多，周邊環境難以監控，引入了計算機視覺技術，構建了變電站的視頻監控系統，使變電站內的人員及環境得到了全方位的智能管理[4]；針對變電站的設備的溫度、濕度和空氣質量等數據監控不足，設計了變電站微環境智能控制系統，為變電站的智能運維和智能檢修提供了有效的技術支持[5]。智能技術的不斷突破為變電站智能化發展帶來新的機遇，開展智能技術在變電站運維數據分析中的應用研究，有利于保障變電站內設備、環境和人員的安全，提高變電站的運維管理水平。

本文針對智能技術在基于3D數據平臺上進行變電站智能管理的研究應用，結合基于傳感器和攝像頭的監測系統的智能輔助設備，梳理人工智能技術在變電站運維管理多個領域中的應用研究總結，其中應用領域包括智能信息化平臺、智能巡視、智能操作、智能安全，并對當前人工智能技術應用存在的問題和未來的應用方向及重點突破領域進行探討。

1 基于3D數據平臺的變電站智能系統的概述

1.1 3D數據平臺

采用構建三維模型的方式，通過多圖層立體可視化展示將變電站所有的設備設施構建成三維數字化、可視化物理模型，與實際場景坐標系一一對應，實現變電站全景展示、數據共享、實時監控、同景感知、實景交互，同時3D數據平臺與SCADA系統、在線監測系統等多種系統融合，并將電網遙信、遙測信息和設備的運行狀態、檢修狀態及異常告警狀態等都在平臺中可視化展現，為變電站多系統交互提供了一個可視的、立體的、全方位信息數據平臺，極大地提高變電站智能運行管理水平。

1.2 基于3D數據平臺的變電站智能巡檢系統

對變電設備進行巡檢、及時發現設備缺陷隱患并消缺是保障電網安全穩定運行、提高供電可靠性的常規基礎工作[6]。目前電網企業普遍采用人工方式，通過運行人員對變電設備進行定期巡檢或特殊巡檢。但由于變電站場地大、設備多，導致變電站運行人員巡視時存在勞動強度大、工作效率低、人身安全無保障、人機工效差等問題，同時受運行人員素質、惡劣氣候條件影響，巡檢質量不穩定、管理成本高，容易產生漏判、誤判。

近年來，隨著計算機性能的大幅提升以及通信技術、人工智能技術、高清攝像技術、圖像識別技術、紅外測溫技術及視頻監控技術的大力發展，大大提高了變電站智能巡檢的能力，智能技術的運用可代替人工巡檢，提高了巡檢效率和質量。通過與變電站SCADA系統的信息交互實現了變電站開關、刀閘設備狀態的遠程智能識別，變電站智能巡檢可實時監控開關、刀閘的分合狀態,實現對開關狀態的綜合判斷；及時發現并預警設備狀態隱患，在變電設備倒閘操作時實現遠程控制并能通過智能平臺實現遠程設備狀態監控；替代定期巡檢和專項巡檢提高巡檢能力。

1.3 基于3D數據平臺的變電站智能操作系統

隨著人工智能、AR技術、UWB定位技術的發展，電網系統陸續開展變電站智能操作系統的研究，主要研究方向為對變電設備的智能檢修系統、對變電站現場作業安全的智能監控系統等智能操作系統[7]。變電設備智能檢修系統綜合應用變電站各智能系統數據，結合AR及激光雷達定位等關鍵技術，實現了基于3D數據平臺的變電設備智能操作。該智能系統具有檢修計劃智能管理、檢修方案智能編制、檢修預演、檢修過程智能管控功能，可有效提高變電設備檢修工作質量及效率，降低現場作業風險。

變電設備智能檢修系統設計原則是利用站內多個系統數據全面反映設備當前運行狀況，為設備檢修作業提供支持。變電設備智能檢修系統打破了以往各個數據系統間獨立的狀態，采用多種交互方式融合站內多個系統數據，實現了變電站數據的交互和分析，根據分析結果得到全站的設備狀況，有效識別出故障的設備，并及時發出警報。同時智能檢修系統運用AR設備及激光雷達定位技術，制定出有針對性的設備故障解決方案，AR設備鏈接3D數據平臺，實現數據共享，實時向管理人員反饋檢修作業現場進度，并實現遠程指導，為設備故障的排除提供有利支撐。

變電站智能監控系統應用UMB信號定位技術，結合全站的智能監控設備實現了基于3D數據平臺的智能監督現場。該智能監控系統具有三維可視化作業區域定位功能、作業人員、作業設備及特殊車輛定位功能、誤碰告警響應功能，有效的解決了現階段變電站人工作業監管不到位、不實時、難度大、效率低的問題。變電站智能監控系統采用基于交點質心的UWB信號測距的三維定位算法，實現了監控系統從二維監控到三維精準定位和三維可視化顯示，結合電子安全圍欄與UWB定位技術，在作業人員進行設備檢修時能夠精確劃定作業圍欄,且反饋給智能終端并在3D數據平臺三維可視化顯示，智能終端判定作業人員是否跨越作業區域,一旦作業人員跨越作業圍欄則作業現場及時報警響應，并將現場異常作業信息反饋給3D數據平臺，從而通知運行人員制止現場的危險行為。

同時，在變電站檢修過程中會有特殊車輛進出作業區域，如在檢修過程中要用到吊車、高空作業車等大型機具，這時需特別注意人員以及吊車、高空作業車等大型機具是否在作業區域內，防范其因跨越作業圍欄，擴大作業范圍，誤碰設備而造成的人身、設備、電網事故。采用變電站3D建模技術以及UWB信號測距的三維定位算法，實現對人員以及吊車、高空作業車等大型機具的三維定位和移動軌跡的實時跟蹤，通過智能終端的數據分析及傳輸，將現場的實際情況實時映射到3D數據平臺上，實現對現場作業人員、特殊車輛、作業區域以及作業行為的智能監控和異常告警。

1.4 基于3D數據平臺的變電站智能安全系統

變電站設備多、人員分散，僅依靠人工難以做好全站設備和人員的安全管理，為此研究并提出了一種基于智能視頻識別技術的變電站安全監控系統[8]。

變電站安全監控系統采用視頻識別技術，結合變電站的智能監控技術、卷積神經網絡算法以及智能系統之間的數據交互，實現了全站的智能視頻覆蓋、入站時車輛的識別和人員身份的識別，同時智能系統與其他系統進行數據交互,可確認作業人員進入變電站不同區域的權限，如根據SCADA系統和車輛管理系統可獲取當天入站工作的作業人員、運行人員、車輛以及作業區域，采用人臉識別技術和卷積神經網絡算法，可運算出允許進入該安全作業區域的人臉特征向量，實現了變電站作業人員、車輛的身份識別、區域化權限管理以及智能監控功能，防止外來人員、車輛不經確認進入變電站以及非工作人員誤入作業區域，實現變電站安全管理及異常預警響應。

變電站安全監控系統針對作業人員作業過程中可能存在的異常危險行為，采用基于卷積神經網絡的視頻人體識別技術，識別出作業人員跨越安全作業區域、未正確佩戴安全帽和穿工作服等不安全行為，并及時預警響應，將異常行為反饋給3D數據平臺，提醒運行管理人員制止和約束作業人員的不安全行為，保障了變電站人員的安全。

2 變電站智能系統的關鍵技術

2.1 AR技術

AR技術是一種實時計算攝影機影像的位置、角度并加上相應圖像的技術，利用該技術可實時將真實的環境和虛擬的物體同時疊加到同一個畫面進行呈現[9]。

變電設備AR作業支持技術的實現建立在變電站三維建模的基礎上。檢修人員可手持AR移動作業平板描識別出設備檢修設備，并將設備的相關聯的數據以AR技術進行展示，檢修人員可查詢檢修工單關聯的檢修計劃、檢修方案、作業指導書，確認檢修對象、檢修任務，并可進行AR檢修預演，通過AR移動作業平板進行三維零部件級模型AR檢修預演，展示設備的拆解、安裝、調試、試驗、整組傳動等工序、工藝、流程及要求內容，從而加深變電設備結構原理的理解，確保變電設備檢修工作順利開展。檢修人員還可通過AR移動作業平板快速查詢檢修對象臺賬信息、歷史缺陷記錄、歷史檢修記錄、歷史試驗記錄，為現場檢修工作提供綜合數據支持。AR移動作業平板的作業指導書上記錄的內容可實時上傳到變電設備智能檢修系統智能終端，實現遠程指導。

2.2 視頻監控技術

變電站的安全監控系統需在變電站相關監控區域設置攝像頭，并將不同區域的影像數據傳輸到相應的分析服務器，通過分析服務器與其他系統進行數據交互來對人員身份、車輛身份、作業行為進行智能識別，為保證識別的準確度和實時性，主要采用基于3D卷積神經網絡(3D-CNN)的視頻識別技術（圖1），首先卷積神經網絡模型需要大量的樣本集得到模型的適應參數，再運用卷積層、激活函數、池化層、全連接層反復訓練，確定輸入數據（人員、車輛、行為）的特征向量，并與允許通過數據的特征向量進行對比運算，當結果小于閾值時則意味數據正常、無異常狀態，若結果大于閾值則存在異常行為或可疑人員、車輛，并將異常結果實時傳到3D數據平臺且立即告警提醒[10]。

圖1 視頻監控技術原理圖

2.3 UWB三維定位技術

UWB三維定位技術實現了人員、車輛等移動目標在安全作業區域的三維空間中的定位，通過建立的XYZ三維坐標，在三維坐標中設置參考節點、目標坐標、定位基站，參考節點隨機分散部署在三維空間中，收集三維空間中的物理量數據并將數據由鏈路的方式傳遞給定位基站，定位基站通過以太網將數據反饋給智能終端[11]。同時智能終端產生響應的控制信號，定位基站收到相應信號后產生新的檢測任務并收集移動目標信息，收集到的信息與智能終端中原有的身份數據庫對比，鎖定人員、車輛等移動目標身份，然后按照基于交點質心的三維定位算法，確定人員位置（圖2）[12]。

圖2 UWB三維定位原理圖

交點質心的三維定位算法是以信號到達移動目標的時間來測算距離，在三維空間中設置4個參考節點，且4個參考節點離移動目標的距離越近越好，以每個參考節點到移動目標為半徑建立球模型，然后算出4個球的交點，交點即是在三維空間內移動目標的定位坐標點。UWB三維定位技術采用交點質心的定位算法，能精確定位在安全作業區域內的移動目標點，同時以智能終端為核心進行數據庫信息共享，實現對移動目標的身份確認、授權管理以及異常行為告警，并能在3D數據平臺上顯示，實現安全作業的三維可視化智能監控[13]。

3 應用實例

500kV某變電站是南方電網智能技術應用示范點，在變電站三維建模、智能巡檢、智能操作、智能安全監控等領域方面累積了一定的應用經驗。全站三維建模界面如圖3所示，運行人員可以查看疊加在模型上的設備臺賬信息、電網潮流數據、在線監測系統的監測數據等多源信息，實現了全站設備狀態三維可視化、信息立體化，為運行人員提供了立體而全面的技術支持。

圖3 全站三維模型界面

現場設備數據可實時傳輸到智能巡檢系統，該系統結合SCADA系統的遙控指令和現場設備（如開關、刀閘）的實際狀態可判斷遙控分合是否成功，圖4是智能巡檢系統顯示的現場5031開關狀態情況，運用圖像識別技術確認5031開關狀態是否正確執行遙控命令。同時通過智能安全監控系統可以確認設備操作現場是否存在異常人員和異常作業行為，保證了作業的安全進行、提高巡檢效率和質量并降低了運行人員的勞動強度。若這時智能操作系統檢測出設備出現故障，檢修人員可手持AR移動作業平板描識別出設備檢修設備進行智能診斷和檢修，利用AR設備模擬現場設備檢修情況制定檢修方案，AR設備關聯智能終端和3D數據平臺實現遠程指導，為變電站檢修人員提供更直觀、智能的技術支持。

圖4 綜合判斷5031開關合位界面

在3D數據平臺上，通過多個系統的綜合應用，數據相互交互、共享，實現了全站的智能管理，提高了變電站的運維安全、效率，保障了作業人員安全和設備的可靠運行。

4 結語

變電站智能技術的突破將促進變電站的智能化發展，開展以AR技術、智能優化為代表的人工智能技術在變電站運維中的應用研究，有利于保障變電站內設備、環境和人員的安全，提高變電站的運維管理水平。同時智能信息系統通過基于傳感器的遙測系統和基于攝像頭的遙視系統實現對變電站的運維管理，具體包括全站的智能巡檢、站內電力設備狀態的評估診斷、站內安防環境的智能感知、站內人員行為的檢測判別等。目前智能技術在變電站運維管理已有了一定的發展，提高了對變電設備及其運行環境的全面監測維護的能力，但仍存在智能化程度不夠、推廣難度大的現狀，因此變電站智能技術的發展將還有很長的路要走，要在現有的智能技術的基礎上努力探索，與物聯網、大數據、邊緣計算、云計算、區塊鏈等新技術深度融合，才能發揮最大優勢。