可視化配電站房智能輔助系統(tǒng)及關鍵技術研究

張 鵬

(江蘇澤宇電力設計有限公司，江蘇 南京 210018)

0 引言

傳統(tǒng)站房部署有源傳感器、視頻監(jiān)控設施和站房動環(huán)主機，傳感器需外接電源線、信號線，部署極不方便，視頻監(jiān)控僅作為事后回看等作用而不能充分發(fā)揮價值，動環(huán)主機采集匯聚協(xié)議未完全統(tǒng)一。數(shù)據(jù)之間相互割裂沒有有效融合，且未能發(fā)揮數(shù)據(jù)一次采集、多次利用的目標。

隨著輸、變、配電物聯(lián)網(wǎng)無線傳感技術相關標準的制定和智能巡視系統(tǒng)的推廣應用，通過無源傳感器、高清視頻和導軌機器人等聯(lián)合監(jiān)測，邊緣可視化網(wǎng)關統(tǒng)一匯聚傳感數(shù)據(jù)，利用人工智能技術實時分析視頻圖像，能夠及時告警和聯(lián)動，實現(xiàn)區(qū)域自治。同時，通過無線公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)，數(shù)據(jù)安全加密傳輸?shù)狡脚_應用層，云邊協(xié)作發(fā)揮了數(shù)據(jù)的共享利用和融合管理。此套系統(tǒng)實現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境聯(lián)動、安防監(jiān)測、安防聯(lián)動、設備狀態(tài)監(jiān)測和視頻巡檢的功能目標。

采取物聯(lián)網(wǎng)的層次架構，感知層通過末端無線傳感和視頻監(jiān)控數(shù)字化實時采集，邊端智能化治理。網(wǎng)絡層視頻數(shù)據(jù)承載在無線公網(wǎng)5G/4G，傳感數(shù)據(jù)通過硬加密，業(yè)務數(shù)據(jù)承載在電力無線專網(wǎng)，保證了數(shù)據(jù)傳輸實時性和安全性。平臺應用層包括可視化平臺、物聯(lián)網(wǎng)管理平臺和智能輔助應用平臺，采用標準的通信協(xié)議。

1 建設方案

系統(tǒng)總體架構由配電站房智輔平臺、站內(nèi)外網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)、站端系統(tǒng)等部分構成。配電站房智輔平臺面向運維人員，實現(xiàn)配電站房整體運行狀態(tài)的遠程監(jiān)測和巡視，通過信息內(nèi)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化平臺和可視化平臺獲取傳感數(shù)據(jù)和視頻圖像信息。網(wǎng)絡傳輸系統(tǒng)通過站內(nèi)低功耗無線采集傳感和有線以太網(wǎng)采集視頻，站外無線5G和電力專網(wǎng)實現(xiàn)窄帶和寬帶業(yè)務需求。站端系統(tǒng)由傳感器、匯聚節(jié)點、視頻設備、巡檢機器人、邊緣網(wǎng)關組成，共計22類，其中：(1)傳感器分為：環(huán)境監(jiān)測和聯(lián)動實現(xiàn)對站房內(nèi)溫度、濕度、水位或水浸信息、SF6氣體濃度、煙霧濃度等環(huán)境信息的采集，根據(jù)設定規(guī)則聯(lián)動控制空調(diào)、風機、水泵等調(diào)節(jié)站房環(huán)境；安防監(jiān)測和聯(lián)動實現(xiàn)對站房內(nèi)安防狀態(tài)的實時監(jiān)測，在發(fā)生非法入侵的情況下產(chǎn)生告警，聯(lián)動控制燈光和門鎖；設備狀態(tài)監(jiān)測實現(xiàn)對站房內(nèi)配電變壓器運行噪聲、蓄電池狀態(tài)、中壓開關柜局放等電力設備信息的采集和告警。(2)匯聚節(jié)點實現(xiàn)無線傳感器的南向接入和北向傳輸，解決信號覆蓋盲區(qū)問題。(3)視頻監(jiān)控和巡檢機器人實現(xiàn)對配電站房內(nèi)運行情況的實時監(jiān)控和指定設備點位、區(qū)域的圖像分析，遠程核查告警信息的準確性并及時做出合理的檢修方案。(4)邊緣網(wǎng)關接收站內(nèi)設備狀態(tài)、環(huán)境信息、安防信息、視頻監(jiān)控等監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過區(qū)域自治能力實現(xiàn)預警處理和告警聯(lián)動控制等，同時通過雙無線上行分別上送傳感數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)管理平臺，將視頻監(jiān)控信息通上送到可視化平臺[1]。

根據(jù)配電站類型可以選擇不同配置方案。以基礎型為例，環(huán)境傳感器配置溫濕度傳感器4個、水浸傳感器3個、煙霧傳感器2個、SF6氣體監(jiān)測傳感器4個，環(huán)境聯(lián)動設備配置風機聯(lián)動裝備2個、空調(diào)/除濕聯(lián)動裝置2個，安防監(jiān)測終端配置智能門鎖1個，安防聯(lián)動設備配置燈光聯(lián)動裝置1個，設備狀態(tài)監(jiān)測配置蓄電池監(jiān)測1個、特高頻局放探測器1個、變壓器噪聲傳感器1個，視頻監(jiān)控設備配置球形攝像頭2個、槍型攝像頭2個、NVR視頻錄像機1個，無線匯聚節(jié)點1個，站房網(wǎng)關1個。

2 關鍵技術

2.1 LoRa

LoRa(Long Range)作為LPWAN(Low Power Wide Area，低功耗廣域技術)中較為成熟的一種技術，具備接收靈敏度高(可達-140dBm)、抗干擾能力強、功耗低等特點，實現(xiàn)了供電“無源”和通信接口“無線”。LoRa是基于線性調(diào)制擴頻(CSS)的一種物理層調(diào)制技術，可構建Mesh、星型、點對點等網(wǎng)絡架構。幾種LPWAN協(xié)議對比如表1所示。

表1 LPWAN協(xié)議對比

LoRa低功耗通過速率自適應ADR (Adaptive Data Rate)和信道活動監(jiān)測CAD(channel active device)實現(xiàn)。ADR是一種算法，通過自適應網(wǎng)絡路徑來改變通信速率和功率以保障可靠的傳輸，從而提高總體資源的利用率。此外，傳統(tǒng)接收信號強度指示RSSI (Received Signal Strength Indicator)不能有效區(qū)分噪聲還是數(shù)據(jù)信號，而CAD通過探測擴頻序列存在的碼元數(shù)據(jù)，能夠把LoRa信號從噪聲中區(qū)分出來。例如，在一個采樣處理周期內(nèi)，通過擴頻因子(SF)和擴頻帶寬(BW)計算出碼元的持續(xù)時長，接收端進行周期的喚醒和休眠循環(huán)模式，發(fā)射端通過持續(xù)發(fā)射該周期時長的喚醒碼以讓接收端在喚醒時可以探測到擴頻碼元。

2.2 5G和1 800 MHz

配用電信息實時采集和視頻監(jiān)控業(yè)務對網(wǎng)絡的大帶寬、低時延和安全性有著較高要求，無線寬帶網(wǎng)絡不僅適用于快速建站，同時還滿足接入要求，實現(xiàn)了配用電多業(yè)務的綜合接入[2]。

5G的增強移動帶寬(eMBB)、超高可靠低時延通信(uRLLC)、大規(guī)模連接通信(mMTC)等特點滿足了數(shù)據(jù)傳輸多樣性的要求，推動了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。大規(guī)模天線技術是提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率的關鍵技術，采用Mini Slot和免授權調(diào)度傳輸滿足空口傳輸?shù)蜁r延的要求，無線網(wǎng)絡的PSM/eDRX技術實現(xiàn)了大連接和低功耗。

電力無線專網(wǎng)承載在1 785～1 805 MHz專用頻段，由電力公司建設運營，采取雙向鑒權認證、安全性激活等安全措施。接入方案在物理上與無線公網(wǎng)隔離保證了電力特定業(yè)務的需求，同時TD-LTE技術滿足接入性能要求。

2.3 通信協(xié)議

傳感器分為單向上報的微功率傳感器和雙向傳輸?shù)牡凸墓?jié)點傳感器，分別與匯聚節(jié)點或站房網(wǎng)關之間采取國網(wǎng)標準的輸變電設備物聯(lián)網(wǎng)微功率無線網(wǎng)通信協(xié)議和輸變電設備物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設備無線組網(wǎng)協(xié)議。其中，微功率無線協(xié)議僅支持短報文傳輸，CSS物理層工作在470～510 MHz頻段，網(wǎng)絡結構為星型網(wǎng)絡拓撲，協(xié)議棧結構分為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層；低功耗節(jié)點無線協(xié)議支持長報文傳輸和業(yè)務數(shù)據(jù)分片重傳，CSS物理層工作在2 400～2 483.5 MHz頻段，網(wǎng)絡架構分為樹狀網(wǎng)絡拓撲和多跳網(wǎng)絡拓撲，協(xié)議棧結構為頂層網(wǎng)絡層用于端到端的包傳輸交換、中間層為數(shù)據(jù)鏈路層支持從設備的接入和調(diào)度、底層為物理層負責處理比特流的物理傳輸，具有調(diào)制與解調(diào)、發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)的切換等功能。

視頻監(jiān)控設備與站房網(wǎng)關之間通信使用國標GB/T28181—2016公共安全視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)議，完成信息采集、傳輸、交換、控制、顯示、存儲、處理等功能。

站房網(wǎng)關與可視化平臺之間通信協(xié)議使用國網(wǎng)標準Q/GDW1517.1—2014電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及接口中的B接口(SIP-B)，規(guī)定了注冊、資源信息上報和獲取、歷史查詢、錄像檢索和回看、實時視頻調(diào)閱、語音對講和廣播、云鏡控制、事件訂閱和通知等。

站房網(wǎng)關與物聯(lián)網(wǎng)管理平臺之間通信協(xié)議使用MQTT(消息隊列遙測傳輸)進行各類業(yè)務報文的接收與發(fā)送、設備管理和容器管理。設備管理包括端設備的接入、刪除、狀態(tài)更新、事件主動上報。容器的管理包括容器和應用的創(chuàng)建、刪除、升級、啟動、停止，容器資源如CPU核數(shù)、內(nèi)存、存儲、接口等查詢和配置。MQTT是ISO 標準(ISO/IEC PRF 20922)下基于發(fā)布/訂閱范式的輕量級字節(jié)流消息協(xié)議，廣泛應用于物聯(lián)網(wǎng)通信連接。

物聯(lián)網(wǎng)管理平臺對外提供API接口，采用HTTPS協(xié)議，接口使用遵循RESTful風格API和MQ API。

2.4 容器虛擬化

邊緣網(wǎng)關采取軟硬件解耦設計，硬件平臺化、功能軟件化。容器技術是實現(xiàn)的關鍵，容器運行于操作系統(tǒng)之上，提供軟件應用運行所需的環(huán)境，一個容器內(nèi)可以部署多個應用程序及依賴的組件，實現(xiàn)在不同硬件環(huán)境運行同樣的應用程序的目的，達到了功能軟件動態(tài)增刪按需安裝的要求。且各容器享有的資源權限可動態(tài)配置，運行相互隔離、互不影響。采取開源的應用容器引擎Docker，使用C/S架構，客戶端和服務端可以運行在一個機器上，也可通過網(wǎng)絡進行通信。

2.5 智能巡檢

通過嵌入邊端人工智能芯片，利用深度學習模型提取特征，依據(jù)現(xiàn)場速度要求進行并發(fā)識別。通過圖片標注環(huán)境訓練測試，模型檢出率、誤檢率和平均檢出時間滿足要求。支持4個場景的識別功能：對安全帽佩戴和摘帽行為、區(qū)域入侵、小動物入侵的生物識別，以及作業(yè)人員倒地識別；支持告警事件、圖片及視頻流截取上送[3]。

3 結語

系統(tǒng)已廣泛應用于國網(wǎng)江蘇的智慧配電站房可視化項目，數(shù)字可視化技術實現(xiàn)了遠程集中運維管理，能夠替代人工不間斷監(jiān)測各站點運行情況，發(fā)生故障自動預警聯(lián)動控制，遠程巡視指揮現(xiàn)場消缺，同時系統(tǒng)可擴展升級，避免重復投資。系統(tǒng)投入使用以來降低了運維成本，提升了運維效率，提高了突發(fā)故障處理能力，為配電設備穩(wěn)定運行提供了堅強的保障。在今后的發(fā)展中，引入數(shù)字孿生技術，更加有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合再生產(chǎn)價值，實現(xiàn)精準巡視和檢修。