人工智能與大數(shù)據(jù)在變電領(lǐng)域的實(shí)踐與運(yùn)用

楊 華，林先堪，廖柏程

（貴州電網(wǎng)有限責(zé)任公司銅仁供電局，貴州銅仁 554300）

0 引言

自南方電網(wǎng)公司提出將在2030 年前基本建成新型電力系統(tǒng)的目標(biāo)后，建設(shè)新型電力系統(tǒng)的最終落點(diǎn)是切實(shí)增強(qiáng)用戶的獲得感、幸福感和安全感，完善的新型基礎(chǔ)配套設(shè)施是新型電力系統(tǒng)的重要內(nèi)容。

1 數(shù)字變電現(xiàn)狀

銅仁供電局220 kV 太平變電站于2001 年10 月13 日投入運(yùn)行，自2018 年作為貴州電網(wǎng)智能化示范站，啟動(dòng)數(shù)字化轉(zhuǎn)型建設(shè)工作。

1.1 改造原則

太平變電站的改造原則遵循系統(tǒng)性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性。

（1）系統(tǒng)性體現(xiàn)在梳理站端系統(tǒng)應(yīng)用場景，巡視、操作、安全逐一梳理人工任務(wù)，系統(tǒng)考慮“機(jī)器替人”的本質(zhì)和實(shí)現(xiàn)手段；事件驅(qū)動(dòng)、自動(dòng)引發(fā)巡視、操作、安全管控等工作流程。如工作票確認(rèn)后自動(dòng)驅(qū)動(dòng)電子圍欄生成、人員資質(zhì)核查、資源調(diào)度準(zhǔn)備、箱柜開鎖等后續(xù)工作。

（2）經(jīng)濟(jì)性體現(xiàn)在充分利舊，全站攝像頭可預(yù)設(shè)多點(diǎn)位，支持行為識(shí)別、刀閘分合識(shí)別、表計(jì)識(shí)別等多功能需要；邊緣計(jì)算支持站端和運(yùn)維中心對(duì)設(shè)備狀態(tài)的預(yù)判及處理，減少生產(chǎn)指揮中心信息處理壓力，提高效率。

（3）可靠性體現(xiàn)在把好入口關(guān)，對(duì)各類傳感器、智能終端進(jìn)行技術(shù)把關(guān)和品質(zhì)控制，對(duì)平臺(tái)進(jìn)行等保、安評(píng)等測試；把好運(yùn)維關(guān)，將對(duì)照現(xiàn)有運(yùn)行規(guī)程，加減運(yùn)行維護(hù)的工作內(nèi)容，明確對(duì)智能終端的維護(hù)標(biāo)準(zhǔn)、責(zé)任和規(guī)程，進(jìn)一步推動(dòng)管理創(chuàng)新。

1.2 實(shí)現(xiàn)的功能

經(jīng)過太平變電站一期數(shù)字化改造后，基本上建成變電站智能巡視、智能操作、智能安全功能（圖1）。

圖1 數(shù)字變電技術(shù)路線

（1）智能巡視方面，搭建了變電站智能巡視系統(tǒng)，研發(fā)了變電站智能巡視系統(tǒng)刀閘識(shí)別模塊。2020 年通過系統(tǒng)巡視進(jìn)行77 931 點(diǎn)次，其中：系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)緊急告警2 次，嚴(yán)重告警5次，一般告警8 次，無效告警3550 點(diǎn)次。

（2）智能操作方面，研發(fā)了智能巡視系統(tǒng)刀閘識(shí)別模塊、調(diào)控系統(tǒng)程序化操作模塊，前者用于SCADA（Upervisory ControI And Data AcquiSition System，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)）、開關(guān)刀閘視頻識(shí)別，倒閘操作多源復(fù)核，但實(shí)際使用中刀閘識(shí)別率較低；后者則實(shí)現(xiàn)了出線及主變運(yùn)行至冷備用。

（3）智能安全方面，搭建了門禁管理系統(tǒng)和箱柜安全系統(tǒng)：前者用于變電站大門的人員及車牌認(rèn)證識(shí)別，全站所有功能室的人臉門禁識(shí)別；后者則用于站內(nèi)所有端子箱的鎖具安全管控及箱柜門狀態(tài)監(jiān)控。

2 技術(shù)應(yīng)用與實(shí)踐

人工智能與大數(shù)據(jù)在太平變電站的應(yīng)用和實(shí)踐主要通過變電站的智能化改造及搭建運(yùn)行支持平臺(tái)實(shí)現(xiàn)。基于變電站設(shè)備設(shè)施信息建模技術(shù)，搭建太平變電站站端信息數(shù)據(jù)平臺(tái)，面向設(shè)備，將巡視監(jiān)測、檢修作業(yè)、視頻圖像識(shí)別等智能子系統(tǒng)以及SCADA、PMS（Production Management System，生產(chǎn)管理系統(tǒng)）等多源數(shù)據(jù)的疊加和空間位置的對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)變電站的物理形態(tài)數(shù)字化、狀態(tài)數(shù)據(jù)可視化、運(yùn)維決策智能化。實(shí)現(xiàn)變電運(yùn)行基礎(chǔ)運(yùn)維業(yè)務(wù)的智能替代，以友好、高效的人機(jī)交互界面，支持智能變電站智能巡視、智能操作、智能安全等功能，強(qiáng)化設(shè)備的管控力和管理的穿透力，降低設(shè)備及人員的成本與風(fēng)險(xiǎn)，保障電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行。

2.1 巡視

太平變電站運(yùn)行支持平臺(tái)的智能巡視模塊建設(shè)，結(jié)合人工智能和大數(shù)據(jù)技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)3 個(gè)功能，分別為設(shè)備狀態(tài)評(píng)估、巡視策略生成和優(yōu)化。

（1）利用圖像識(shí)別技術(shù)，識(shí)別站內(nèi)設(shè)備當(dāng)前狀態(tài)（刀閘、表計(jì)、外觀生銹、移位情況等），結(jié)合設(shè)備缺陷、潮流信息、溫濕度等多源數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，變更設(shè)備運(yùn)維等級(jí)和設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)評(píng)估。

（2）根據(jù)設(shè)備最新的運(yùn)維等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，在保供電或雷雨大風(fēng)天氣等多場景結(jié)合下，進(jìn)行數(shù)據(jù)分析出最優(yōu)巡視策略，生成相應(yīng)的巡視路線。

（3）根據(jù)巡視策略進(jìn)行巡視，巡視結(jié)果結(jié)合歷史記錄，進(jìn)行趨勢分析，分析結(jié)果同時(shí)也反饋給服務(wù)器用于大數(shù)據(jù)分析，生成新的巡視策略，實(shí)現(xiàn)不間斷“分析—運(yùn)維巡視—分析”，周而復(fù)始，最終實(shí)現(xiàn)變電穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 操作

太平變電站運(yùn)行支持平臺(tái)的智能操作模塊建設(shè)，主要是應(yīng)用于調(diào)度人員程序化操作多元輔助判別，現(xiàn)場無人化替代。以太備線斷電操作為例，當(dāng)調(diào)度下發(fā)操作令，自動(dòng)形成具體操作流程，每一步進(jìn)行時(shí)對(duì)應(yīng)設(shè)備所綁定的攝像頭將瞄準(zhǔn)設(shè)備，全程監(jiān)控錄像，操作后拍攝圖片，通過圖像分析技術(shù)，識(shí)別設(shè)備狀態(tài)是否與操作流程相符，并將結(jié)果通過反向隔離裝置傳至調(diào)度，作為調(diào)度作二次判斷的依據(jù)。基于B/S 架構(gòu)，可通過調(diào)控端的其他屏幕提取視頻及觀看設(shè)備狀態(tài)。通過一次接線圖和多項(xiàng)遙測信息進(jìn)行多元輔助判斷。

變電站中所有刀閘的狀態(tài)可通過兩種方式獲得，一是AI（Artificial Intelligence，人工智能）識(shí)別，二是基于傳感器的在線監(jiān)測，兩者的識(shí)別結(jié)果應(yīng)該相同。如果AI 識(shí)別結(jié)果與在線監(jiān)測結(jié)果不匹配，則會(huì)產(chǎn)生告警，并通知運(yùn)維人員。AI 識(shí)別結(jié)果與在線監(jiān)測結(jié)果的匹配程度越高，說明AI 識(shí)別的準(zhǔn)確率越大。通過大量采集刀閘的歷史操作記錄以及數(shù)據(jù)分析、模型訓(xùn)練，不斷提高AI 識(shí)別的準(zhǔn)確率。

2.3 安全

變電站的安全運(yùn)行是電力系統(tǒng)正常運(yùn)行的保障，主要涉及3 個(gè)方面的因素。

（1）變電設(shè)備。變電站的的設(shè)備處于長期運(yùn)行狀態(tài)，需要定時(shí)檢查和維護(hù)，保障設(shè)備的可靠性。

（2）變電設(shè)備的操作。變電站的運(yùn)行過程中，操作人員的失誤不僅會(huì)對(duì)其自身造成危險(xiǎn)，也會(huì)對(duì)變電設(shè)備造成損害，更嚴(yán)重的會(huì)影響電力系統(tǒng)的安全性。

（3）運(yùn)行管理問題和規(guī)范問題，變電站的管理和規(guī)范是變電站安全運(yùn)行的保障。

智能變電站的實(shí)踐與應(yīng)用，需要從以上3 個(gè)方面考慮變電站的安全。太平變電站，不僅可以通過智能巡視、設(shè)備可視化模型和機(jī)器人巡視來保障設(shè)備安全，還可以通過系統(tǒng)信號(hào)、圖像識(shí)別等技術(shù)對(duì)變電站的設(shè)備操作進(jìn)行無人化操作。

在變電站的運(yùn)行管理和規(guī)范問題方面，太平站智能變電站的建設(shè)在原有的基礎(chǔ)上，通過增加消防分析設(shè)備、消防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)報(bào)警設(shè)備、吊裝式多目視頻采集裝置、邊緣計(jì)算圖像采集終端等智能化設(shè)備，用三維模型關(guān)聯(lián)智能五防系統(tǒng)、北斗定位系統(tǒng)、兩票系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)等，結(jié)合人工智能算法，以達(dá)到對(duì)變電站作業(yè)全過程的安全合規(guī)性智能管理的目的。

太平變電站運(yùn)行支持平臺(tái)的智能安全模塊建設(shè)，在人員管理和規(guī)范操作上分為4 個(gè)方面，分別是資質(zhì)檢查、安措檢查、作業(yè)管控和消防管控。其中資質(zhì)檢查可以對(duì)進(jìn)站人員的資質(zhì)進(jìn)行核查，還有工作人員的數(shù)量、工作區(qū)域作業(yè)人員核查。安措檢查可以對(duì)工作前需要的設(shè)備狀態(tài)，接線情況還有工作地點(diǎn)的遮攔等方面安全措施進(jìn)行檢查，確定工作區(qū)域、設(shè)置電子圍欄。作業(yè)管控可以對(duì)工作人員作業(yè)過程中的安全設(shè)備穿戴情況、擅自變更設(shè)備檢修狀態(tài)情況、擅自移動(dòng)安全標(biāo)示牌、非工作區(qū)域停留或作業(yè)等各類不安全行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和告警，并且可以對(duì)作業(yè)區(qū)域進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和告警。

3 成效

3.1 智能巡視

太平變電站加裝鐵芯電流在線監(jiān)測各3 套、開關(guān)柜雙光紅外裝置68 套、機(jī)構(gòu)箱溫濕度傳感器104 套、紅外雙光云臺(tái)8 臺(tái)、全景攝像頭2 臺(tái)等智能終端，完成智能巡視模塊研發(fā)。

通過兩期智能化建設(shè)，充分應(yīng)用圖像識(shí)別、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)巡視數(shù)據(jù)的智能識(shí)別、檢測分析，各終端數(shù)據(jù)匯集于運(yùn)行支持平臺(tái)中的模型后，通過閾值判斷，產(chǎn)生告警事件，并自動(dòng)關(guān)聯(lián)相關(guān)故障計(jì)算模型，實(shí)現(xiàn)即時(shí)監(jiān)控、回顧歷史，趨勢分析。除了轉(zhuǎn)為檢修維護(hù)類的61 項(xiàng)工作任務(wù)之外，太平變電站實(shí)現(xiàn)275項(xiàng)日常巡維任務(wù)、81 項(xiàng)專業(yè)巡維任務(wù)和138 項(xiàng)動(dòng)態(tài)巡維任務(wù)無人化替代，達(dá)到100%的巡視無人替代。

各終端數(shù)據(jù)（微環(huán)境、在線監(jiān)測、攝像頭、熱成像、機(jī)器人等）匯集于智能門戶后，可曲線、圖標(biāo)、設(shè)備模型可視化等各種展示。通過智能門戶方便地設(shè)置機(jī)器人巡視路線，與機(jī)器人視角雙向互動(dòng)。

3.2 智能操作

太平變電站對(duì)90 套隔離開關(guān)電源、PT 二次、母聯(lián)斷路器開關(guān)柜的空開遠(yuǎn)程控制器進(jìn)行改造、對(duì)8 把10 kVⅡ段8 面開關(guān)柜進(jìn)行電動(dòng)化改造、對(duì)1 把110 kV 備用間隔改造，加裝85 臺(tái)槍機(jī)專用于刀閘狀態(tài)識(shí)別、加裝127 臺(tái)監(jiān)控球機(jī)復(fù)用智能巡視，并完成智能操作模塊研發(fā)、調(diào)控系統(tǒng)程序化操作模塊升級(jí)。

通過主變間隔、出線間隔、開關(guān)柜、母線、PT 智能操作改造，并且以系統(tǒng)信號(hào)、圖像識(shí)別獨(dú)立來源信息，結(jié)合設(shè)備三維模型展示運(yùn)行到檢修之間狀態(tài)轉(zhuǎn)換程序化操作的鏡像對(duì)應(yīng)，提供開關(guān)刀閘遠(yuǎn)程控制與設(shè)備位置的多源確認(rèn)，實(shí)現(xiàn)變電站單一電氣間隔或跨間隔設(shè)備在“運(yùn)行、熱備用、冷備用”3 種狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)變電站倒閘操作無人化替代。

3.3 智能安全

太平變電站加安裝消防分析設(shè)備1 臺(tái)、消防系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)報(bào)警設(shè)備1 臺(tái)、吊裝式多目視頻采集裝置4 臺(tái)、固定高清圖像采集終端44 臺(tái)、聯(lián)動(dòng)報(bào)警裝置1 臺(tái)、AI 邊緣計(jì)算圖像采集終端19 臺(tái)、北斗定位終端85 臺(tái)等智能終端，并完成智能安全模塊研發(fā)。通過三維模型關(guān)聯(lián)智能五防系統(tǒng)、北斗定位系統(tǒng)、兩票系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、視頻系統(tǒng)等，利用智能門戶進(jìn)行任意距離測量、吊車進(jìn)站規(guī)劃、自動(dòng)立體電子圍欄、現(xiàn)場聲光報(bào)警、消防聯(lián)動(dòng)、作業(yè)區(qū)域風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及告警，對(duì)變電站作業(yè)全過程進(jìn)行安全合規(guī)性智能管理。作業(yè)前對(duì)人員、環(huán)境等情況核實(shí)和交底，作業(yè)中人員行為軌跡跟蹤、視頻追蹤、報(bào)警聯(lián)動(dòng)和消防告警，作業(yè)后現(xiàn)場恢復(fù)和工作閉環(huán)，作業(yè)前、中、后全過程智能安全無人化替代。

4 總結(jié)

人工智能與大數(shù)據(jù)技術(shù)在智能變電站的應(yīng)用和實(shí)踐效果，主要圍繞兩個(gè)目的：一是解放人力、降低成本、提高效率與規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)；二是提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，更快、更準(zhǔn)地發(fā)現(xiàn)設(shè)備故障或作業(yè)安全問題，及時(shí)發(fā)出告警并形成相應(yīng)策略。因此，近幾年改進(jìn)方向合理預(yù)測會(huì)在數(shù)據(jù)精度提高與數(shù)據(jù)整合深耕。

（1）圖像識(shí)別技術(shù)不斷改進(jìn)。對(duì)畫面的采集的精度要求越來越高，需要更高清立體的圖像視頻。

（2）設(shè)備信息不斷融合。充分結(jié)合人工智能技術(shù)，對(duì)不同的信息進(jìn)行提取與融合，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的問題分析，更全面的結(jié)果輸出。

（3）與其他自動(dòng)化設(shè)備結(jié)合。為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高利用率與巡檢效率和質(zhì)量的提高，未來發(fā)展趨勢會(huì)打通所有自動(dòng)化設(shè)備的數(shù)據(jù)通道，讓所有設(shè)備數(shù)據(jù)能夠融合并統(tǒng)籌在后臺(tái)大數(shù)據(jù)分析中，為結(jié)果提供更真實(shí)有效的驗(yàn)證，提高結(jié)果可信度。