變電站施工作業環境智慧監測預警系統設計

韓 磊，唐 琳，隋永錕，張 濤，滕 飛

(國網山東省電力公司建設公司，山東 濟南 250001)

0 引言

“十四五”期間，國網規劃建設特高壓工程“24交14直”，涉及線路達3萬余km，變電換流容量3.4億kVA，總投資3 800億元[1]。伴隨著國內特高壓電網建設的步伐逐漸加快，對特高壓變電站工程建設安全管理提出了新的要求和挑戰[2-3]。

在Q/GDW 11957.1—2020《國家電網有限公司電力建設安全工作規程第1部分：變電》4.5中規定：遇有六級及以上風或暴雨、雷電、冰雹、大雪、大霧、沙塵暴等惡劣氣候時，應停止露天高處作業、水上運輸、露天吊裝等作業[4]。現有變電站環境監測裝置只將數據傳輸至站級監控，未對監測的環境數據進行有效利用[5-10]。近年高溫、暴雨等極端天氣頻發，環境因素對特高壓變電站工程建設期間施工計劃安排和組織有很大影響。

在上述背景下，設計變電站施工作業環境智慧監測預警系統，通過對特高壓變電站環境實時監測進行環境數據與電力施工作業環境要求計算分析，將環境因素顯示并動態指導現場日常施工。

1 系統結構及原理

變電站施工作業環境智慧監測預警系統通過實時采集施工現場的溫濕度、風力和雨量數據，將數據通過4G網絡傳輸至系統后臺，系統后臺根據安規知識數據庫服務器中環境計算條件，進行施工條件判斷，并將判斷結果下發至現場主控終端。

設計的變電站施工作業環境智慧監測預警系統具有環境數據采集處理、4G無線傳輸、后臺計算分析預警等功能。系統結構包括感知層、網絡層和應用層。系統架構如圖1所示。感知層主要進行環境數據的采集和預處理，通過4G無線網上傳信息。網絡層通過廣域無線網轉發至系統后臺服務器。應用層系統監控后臺對網絡層接收數據加以處理，進行變電站現場施工安全預警。

圖1 系統架構

2 安規知識數據庫設計

特高壓變電站建設應遵守電力安規，即Q/GDW 11957.1—2020《國家電網有限公司電力建設安全工作規程第1部分：變電》，因此根據電力安規提取環境因素影響施工的知識數據庫，為預警裝置提供數據支撐。電力安規包括施工現場、通用作業、施工機械及工器具、運輸、裝卸、建筑工程、電氣裝置安裝和改擴建工程的各項安全管理規范文本數據[4]。為了利用這些非結構化數據動態分析環境參數對施工作業的影響，首先對電力安規數據進行信息抽取，將非結構化數據轉化為JavaScript對象簡譜(JavaScript object notation，JSON)格式，進而設計彈性搜索引擎實現數據的高效存儲[11]。

變電站施工涉及多個部門、單位，也涉及多種施工器具，是電力建設的專業化工作，環境因素影響施工作業參數較多。雖然有相關的電力安規對施工作業環境進行了總結，但影響因素情況復雜多樣，電力安規中的表格難以進行全面歸納。

變電站環境因素影響文本是一種特殊的非結構化文檔，形式上具有半結構化文檔的特征，但數據流實際上是非結構化的。電力安規中涉及環境因素的條目，抽取形成環境作業預警表格，從數據類別看，非結構化表格文檔中數據分為標題區和數據區，標題區表示數據的性質和類別，數據區表示實際條款。數據抽取流程如圖2所示。

圖2 數據抽取流程

由于變電站建設施工環境因素較為固定，根據電力安規數據抽取流程，形成知識數據索引表，索引示例如圖3所示。將系統監測環境參數和目前現場施工類型進行結合，將數據中的詞進行拆分，提取關鍵詞，當監測到暴雨時，在現場進行高空吊裝時，會檢索到“雨后吊裝前，應先試吊，確認制動器靈敏可靠后方可進行作業”，并將結果返回到系統中。

圖3 知識數據索引示例

3 硬件設計

變電站施工作業環境智慧監測預警裝置硬件包括主控CPU、4G通信電路、環境采集裝置和LED顯示屏字庫控制卡，硬件架構如圖4所示。

圖4 硬件架構

主控CPU選用STM32F103RET6處理器，該處理器基于ARMCortex-M3內核，采用高效的哈佛結構三級流水線，達到1.25 DMIPS/MHz。STM32F103RET6系統時鐘頻率72 MHz，閃存程序存儲器512 kB，64 kBSRAM、8個定時器、3個12位模數轉換器、1個數模轉換器，1個CAN接口、7通道DMA控制器，以及SPI、USART、I2C、I2S、USB接口等[12-14]。該控制器具有豐富的外設和較強的抗干擾能力，適合用于變電站強電磁場場景。

為保證環境監測數據實時性和字庫卡大量數據傳輸的準確性，采用4G通信進行無線傳輸，4G通信模塊型號為Air 724，該模塊是一款基于UIS8910DM芯片組的物聯網通信模塊。模塊通信性能符合Cat1通信標準，支持最大下行速率10 Mbps和最大上行速率5 Mbps數據傳輸。具有全功能音頻輸入輸出接口，LCD接口，Camera接口，內存卡接口，矩陣鍵盤接口，ADC接口，外設齊全[15]。

環境采集裝置采集變電站現場的溫濕度、風速風力和雨量，環境傳感器采用型號為RS-BYH-M的百葉盒，可采集溫度、濕度和顆粒物(PM2.5和PM10)及光照等；風速變送器采用型號RSFSJT-N01，量程：0～70 m/s，分辨率：0.1 m/s，動態響應時間小于等于0.5 s；雨量采用脈沖型雨量計進行雨量采集。

LED顯示屏字庫控制卡驅動單色LED顯示屏，實時動態顯示環境監測數據及安規內容。

4 軟件設計

現場監測裝置通過環境采集裝置實時采集現場數據，并通過4G網絡傳輸至系統后臺，裝置聯網軟件流程如圖5所示。

系統后臺根據現場人員輸入的作業類型結合環境因素，進行現場作業環境因素的動態提示，系統預警軟件流程如圖6所示。

圖6 后臺預警軟件流程

5 結束語

針對變電站施工作業受環境影響較大問題，提出了一種基于多傳感器數據融合的環境預警系統，并設計了基于該方法的環境監測裝置電路。實際使用中，結合現場施工作業類型，可在惡劣環境下及時在現場提示安規知識庫內容，提高現場作業的安全水平，方便現場人員的高效管理，減少安全事故發生，實現變電站現場施工作業的本質安全。