基于無人值守變電站設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控的低能耗智能控制研究

劉景祥

摘要：針對目前在城市內(nèi)建設(shè)的變電站全面趨向全封閉無人值守變電站的具體情況提出了低能耗設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控的設(shè)計(jì)，該設(shè)計(jì)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息化處理落實(shí)到生產(chǎn)應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)了低功耗的設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：無人值守變電站；圖形識(shí)別；低功耗廣域物聯(lián)網(wǎng)；設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TM421 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2017）12-0012-02

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力供應(yīng)日趨緊張，電力負(fù)荷不斷創(chuàng)新高，大力發(fā)展電網(wǎng)建設(shè)，保障電力供應(yīng)的安全性和可靠性是電力人的使命。然而，電力輸送網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)卻陷入了兩難的困境：一方面，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，亟待加快電網(wǎng)建設(shè)；另一方面，部分公眾對電力設(shè)施，尤其是對變電站心存疑慮，擔(dān)心電磁輻射和變電站的安全會(huì)對身體健康和周邊環(huán)境造成不良影響，阻撓變電站和相關(guān)設(shè)施的建設(shè)。為解除公眾疑慮，目前供電部門在城市內(nèi)建設(shè)的變電站全面趨向全封閉無人值守室內(nèi)變電站。該類變電站本身工頻輻射能量非常小，加上封閉環(huán)境（鋼筋混凝土構(gòu)筑物、圍墻等及樹林屏蔽）的作用，其輻射可以忽略不計(jì)。

無人值守全封閉變電站的日常運(yùn)維管理，視頻監(jiān)控主要負(fù)責(zé)電站的安全監(jiān)視，而電站設(shè)備的巡視主要還是依托人力[1]。設(shè)備檢查、檢修維護(hù)、故障處理均需人工完成。目前一些傳感技術(shù)引入對電站環(huán)境與設(shè)備的監(jiān)控中，取得不錯(cuò)的效果。由于設(shè)備原因，電站內(nèi)依然有眾多的關(guān)鍵計(jì)量表計(jì)無法采集，如GIS壓力表、泄露電流表等等，這些都是巡視的重要項(xiàng)目。這些表計(jì)分散在各個(gè)設(shè)備間隔中，全封閉室內(nèi)電站通常情況下是關(guān)閉照明的。如何采集數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)無人值守變電站低能耗設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控值得進(jìn)一步研究。

1 理論依據(jù)

電力設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控是典型的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用[2-3]，物聯(lián)網(wǎng)希望通過通信技術(shù)將人與物，物與物進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的聯(lián)接[4]。在區(qū)域網(wǎng)通信場景常常采用短距離通信技術(shù)，我們所熟知的技術(shù)包括LAN和PAN技術(shù)，比如：藍(lán)牙、WiFi和Zigbee。尤其是低功耗藍(lán)牙，在一些對覆蓋范圍要求不是很高的地方誕生大量的應(yīng)用案例，比如在家庭和辦公室。而在工業(yè)領(lǐng)域，尤其是封閉的無人值守型，如無人值守的變電站，內(nèi)部工作的是電力設(shè)備，存在著復(fù)雜的電磁場環(huán)境；雖然占地面積有限，但按不同的功能間隔進(jìn)行房間劃分，是一個(gè)非連續(xù)空曠的空間。目前的短距離通信技術(shù)，工作在2.4Ghz的公共頻段，繞射穿透能力弱，公共頻段易受到外界環(huán)境的干擾，在復(fù)雜的工業(yè)場景中效果不佳。而我們常見的無線通信技術(shù)，全球電信運(yùn)營商已經(jīng)構(gòu)建了覆蓋全球的移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，這些2G、3G、4G等蜂窩網(wǎng)絡(luò)雖然覆蓋距離廣，但基于移動(dòng)蜂窩通信技術(shù)的物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備有功耗大、成本高等劣勢。當(dāng)初設(shè)計(jì)移動(dòng)蜂窩通信技術(shù)主要是用于人與人的通信。根據(jù)權(quán)威的分析報(bào)告，當(dāng)前全球真正承載在移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)上的物與物的連接僅占連接總數(shù)的6%。如此低的比重，主要原因在于當(dāng)前移動(dòng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的承載能力不足以支撐物與物的連接。

為滿足越來越多物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的連接需求，LPWAN（low-power Wide-Area Network，低功耗廣域網(wǎng)）應(yīng)運(yùn)而生，LPWAN 專為低帶寬、低功耗、遠(yuǎn)距離、大量連接的物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用而設(shè)計(jì)。LPWAN可分為兩類：一類是工作于未授權(quán)頻譜的LoRa、SigFox等技術(shù)；另一類是工作于授權(quán)頻譜下，3GPP支持的2/3/4G蜂窩通信技術(shù)，比如EC-GSM、LTE Cat-m、NB-IoT等。在變電站等工業(yè)使用場景下，LPWAN還需要解決信號(hào)穿透的問題，可以部署在低頻段的通信技術(shù)更具有優(yōu)勢；工業(yè)領(lǐng)域使用物聯(lián)網(wǎng)，對安全性和可靠性更加看重，如果通過運(yùn)營商進(jìn)行部署，數(shù)據(jù)傳輸經(jīng)過不受自己控制的環(huán)節(jié)增加，對安全性和可靠性帶來一定的影響。兩大LPWAN主流技術(shù)NB-IoT和LoRa的對比，如表1所示。

從成本、功耗、距離和安全這幾個(gè)最基本核心因素進(jìn)行考量，這兩個(gè)技術(shù)都能滿足物聯(lián)網(wǎng)的需求。在工業(yè)場景角度出發(fā)，LoRa技術(shù)更適合獨(dú)立組網(wǎng)，滿足企業(yè)物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的需要。未來還會(huì)有更先進(jìn)的無線技術(shù)涌現(xiàn)，但沿著LPWAN道路是工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的主方向，具體到電力設(shè)備物聯(lián)監(jiān)控系統(tǒng)可以根據(jù)客戶個(gè)性需求選擇具體的LPWAN技術(shù)。

2 實(shí)踐依據(jù)

工業(yè)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集，特別是非電子化計(jì)量設(shè)備（如各類表計(jì)），采集的關(guān)鍵在于數(shù)字化識(shí)別。工業(yè)計(jì)量設(shè)備（如表計(jì)）的數(shù)字化識(shí)別，在目前階段主要有圖像識(shí)別和光電轉(zhuǎn)換兩種方向。光電轉(zhuǎn)換可靠性和準(zhǔn)確性更高，但涉及部分的硬件改造匹配，推廣難度高，此外，更改設(shè)備硬件結(jié)構(gòu)，在安全要求較高的行業(yè)，需要重新認(rèn)證測試，周期漫長并沒有帶來實(shí)際的效益變化，該做法基本被擱置。圖像識(shí)別取決于圖像分辨率和智能識(shí)別算法，隨著圖像采集產(chǎn)品的技術(shù)提升、小型化改進(jìn)及性價(jià)比的提升，圖像識(shí)別已成為表計(jì)數(shù)字識(shí)別的主流[5-6]。

目前市面上圖像識(shí)別基本采用前端圖像采集后臺(tái)識(shí)別的思路，將采樣圖像回傳到后臺(tái)進(jìn)行大計(jì)算量的處理，而圖像回傳需要采用高帶寬的通信技術(shù)，這種方案在實(shí)際應(yīng)用時(shí)存在著一些無法回避的問題，如能在前端對圖像采樣進(jìn)行直接識(shí)別，那么回傳的數(shù)據(jù)量就會(huì)很小，結(jié)合最新的LPWAN物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，就可以真正實(shí)現(xiàn)全方位的工業(yè)物聯(lián)。

3 無人值守封閉環(huán)境的低能耗智能控制

前端圖像識(shí)別在全封閉型電站環(huán)境的場景中如何實(shí)施，值得探討和研究。所有的圖像識(shí)別都是通過采樣后進(jìn)行圖像的識(shí)別，在采樣過程中分辨精度非常重要，需要保證充分的照明，通常的做法是在圖像采樣裝置上安裝閃光燈模塊，現(xiàn)在很多使用的是LED光源，省電可靠，這種方案需要保證裝置的良好供電條件。露天普通電站，表計(jì)圖像識(shí)別裝置可以安裝小型化太陽能充電裝置補(bǔ)充電力，但在封閉型電站是無法滿足的，進(jìn)行供電改造有較高的安全要求，同時(shí)也帶來一定的安全隱患，而采用電池電源顯然無法滿足閃光燈模塊的長期工作。

針對無人值守的封閉型電站的計(jì)量數(shù)據(jù)識(shí)別，可以使用照明分離的圖像采集方案，簡單來講，在該場景下表計(jì)圖像識(shí)別裝置不帶閃光燈或關(guān)閉閃光燈，當(dāng)需要進(jìn)行對計(jì)量表計(jì)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集時(shí)，提前啟動(dòng)該區(qū)域的室內(nèi)燈光設(shè)施，負(fù)責(zé)提供照明，保證圖像采樣的光線條件。當(dāng)數(shù)據(jù)采集結(jié)束后，室內(nèi)燈光設(shè)施關(guān)閉節(jié)約電能。在具體實(shí)施過程中，可以將原來的燈光設(shè)施安裝一個(gè)物聯(lián)控制器，由這個(gè)物聯(lián)控制器控制燈光設(shè)施的開啟和閉合。電力設(shè)備物聯(lián)監(jiān)控系統(tǒng)，可以管理每個(gè)物聯(lián)控制器所負(fù)責(zé)的表計(jì)圖像識(shí)別裝置，獲取表計(jì)圖像識(shí)別裝置的采集周期，提前進(jìn)行照明保障，當(dāng)數(shù)據(jù)正常采集后由后臺(tái)系統(tǒng)控制燈光關(guān)閉。當(dāng)出現(xiàn)數(shù)據(jù)告警時(shí)（接近門限等），根據(jù)約定的新周期進(jìn)行照明保障。如圖1所示，按照設(shè)備間隔為最小單元，將該區(qū)域內(nèi)計(jì)量數(shù)據(jù)識(shí)別裝置和照明物聯(lián)控制器作為一個(gè)區(qū)域表計(jì)識(shí)別裝置，照明物聯(lián)控制器與原有的設(shè)備間隔區(qū)的照明線路相聯(lián)，控制照明開關(guān)。endprint

封閉型變電站，通過上面的照明分離聯(lián)動(dòng)控制方案，在無人值守狀態(tài)下對表計(jì)等進(jìn)行圖像采樣識(shí)別，借用原有照明設(shè)計(jì)，該區(qū)域部署的計(jì)量圖像識(shí)別裝置無需單獨(dú)配置閃光燈，這種裝置能耗低，可以使用電池供電，滿足長期采集的需求。沒有供電改造，部署快捷方便。區(qū)域照明可以通過接受遠(yuǎn)程指令，實(shí)現(xiàn)全網(wǎng)低能耗物聯(lián)的監(jiān)控。

4 結(jié)語

針對無人值守變電站的具體場景提出了低能耗設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)控的設(shè)計(jì)。其中計(jì)量識(shí)別過程需進(jìn)行圖像采集，圖像拍攝過程對照明有著基本的要求，黑暗條件下是無法采集到有效的圖像數(shù)據(jù)。無論何種照明技術(shù)，定期化頻繁觸發(fā)都是耗能難點(diǎn)，在室外條件下可以使用小型化太陽能充電裝置給采集設(shè)備補(bǔ)充電力，無人值守型封閉電站提出了照明分離聯(lián)動(dòng)控制方案，對計(jì)量目標(biāo)進(jìn)行照明與圖像采集聯(lián)動(dòng)控制，定期獲取計(jì)量數(shù)據(jù)，運(yùn)用該方法可在無人值守場景下對計(jì)量目標(biāo)進(jìn)行可靠識(shí)別讀取。該設(shè)計(jì)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和信息化處理落實(shí)到生產(chǎn)應(yīng)用中，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的物聯(lián)監(jiān)控，工區(qū)監(jiān)控臺(tái)可以第一時(shí)間發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷并及時(shí)匯報(bào)、消除，確保電力系統(tǒng)持續(xù)、可靠、安全運(yùn)行。

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Abstract：According to the specific situation of substation construction at present within the city's comprehensive trend of closed unmanned substation is presented the design of remote monitoring and low energy consumption equipment， the design of the networking technology and information processing to implement the production application， realize remote monitoring equipment with low power consumption.

Key words：Unattended substation； graphic recognition； low power wide area Internet of things； remote monitoring of equipmentendprint