基于電力4G專網(wǎng)的變電站實時雙向智能巡檢

張 天，蘇 偉，龔雁峰

（1.國網(wǎng)山東省電力公司濟南供電公司，山東 濟南 250012；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學研究院，江蘇 南京 211103；3.華北電力大學電氣與電子工程學院，北京 102206）

0 引言

電力行業(yè)作為國民經(jīng)濟發(fā)展中的重要一環(huán)，其基礎設施運行的安全穩(wěn)定為我國民用及工業(yè)活動奠定了基礎。變電站巡檢是保證變電站安全運行，提高供電可靠性的必要基礎工作，在對變電站進行巡檢的過程中，及時發(fā)現(xiàn)并解決故障是非常重要的。傳統(tǒng)巡檢方式會受外部環(huán)境、個人經(jīng)驗及技能水平等影響，存在漏巡和巡檢不到位等問題［1-2］。隨著我國變電站自動化水平的提高與遠程智能化無人值守變電站建設的推進，變電站巡檢工作也向著智能化、信息化邁進。

近年來，通信技術迅速發(fā)展，其中第4代移動通信技術大大提高了通信速率，使得實時反饋巡檢得以實現(xiàn)，同時電力4G專網(wǎng)還能保證巡檢數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)陌踩院涂煽啃浴，F(xiàn)階段的變電站智能化和信息化主要體現(xiàn)在集中管控變電站潮流、報警信息等方面，只能觀測到數(shù)字化運行信息，不能全方位觀察變電站的運行及環(huán)境狀況［3］。

針對上述問題，基于電力4G專網(wǎng)的變電站實時雙向智能巡檢方法，提出以人的主觀能力為中心，技術支持為輔的新型智能化巡檢系統(tǒng)，實現(xiàn)信息的雙向交互。通過谷歌眼鏡和可持智能設備進行拍照、視頻、直播等方式，達到巡檢系統(tǒng)與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的高效結合，提高變電站運行的可靠性，也使變電站巡檢工作變得更加智能化和信息化。

1 智能巡檢系統(tǒng)的架構與特點

基于電力4G專網(wǎng)智能巡檢系統(tǒng)包括谷歌眼鏡接口開發(fā)、便攜式一體化裝置軟硬件開發(fā)、后臺大數(shù)據(jù)APP專業(yè)應用和云計算服務開發(fā)等，具體架構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構

1.1 系統(tǒng)架構設計

應用層。可以是邏輯上存在，基于可穿戴變電站智能巡檢系統(tǒng)建立的邏輯集。用于支持設備識別、設備監(jiān)控、異常監(jiān)控、趨勢預測、統(tǒng)計分析等應用。

數(shù)據(jù)服務。包括臨時數(shù)據(jù)區(qū)、基礎數(shù)據(jù)區(qū)、匯總數(shù)據(jù)區(qū)等一系列的數(shù)據(jù)存儲區(qū)域，以及用于業(yè)務規(guī)則定義和維護管理的區(qū)域，這些區(qū)域的數(shù)據(jù)將共同支持可穿戴變電站智能巡檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲、分析和業(yè)務應用。

網(wǎng)絡層。通過電力4G專網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問、Web服務、認證、安全以及分析門戶等。

數(shù)據(jù)層。變電站、電力設備、監(jiān)控系統(tǒng)以及一些外部數(shù)據(jù)，都將作為可穿戴變電站智能巡檢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)來源。從外部獲取數(shù)據(jù)到數(shù)據(jù)區(qū)，再加工數(shù)據(jù)到電網(wǎng)數(shù)據(jù)中心，同時將保留數(shù)據(jù)歷史。

1.2 系統(tǒng)的主要特點

1.2.1 實時性

當前智能巡檢中多為無線局域網(wǎng)傳輸，受覆蓋范圍的限制。只有在覆蓋區(qū)域內(nèi)才可正常巡檢，然而這將導致無法傳輸室外大部分變電設備的數(shù)據(jù)。當巡檢人員處于無覆蓋區(qū)域時，只能先通過離線表單填寫，再帶回至主站監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)傳輸，實時性低，效率低［4］。而利用基于電力4G專網(wǎng)的智能巡檢系統(tǒng)通過專網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)訪問，進行信息的交互可以不受地點的限制，實時性好。

1.2.2 安全性

4G網(wǎng)絡本身就有良好的密鑰流，通過精準的加密算法可以保證數(shù)據(jù)的安全傳輸。保證網(wǎng)絡安全性的另一個重要條件就是防止外來用戶的非法訪問，采用用戶名和密碼登錄系統(tǒng)可有效防止外來人員的訪問。此外，由于電力4G專網(wǎng)能夠限制與外網(wǎng)的互聯(lián)，故可禁止外來用戶的非法訪問［5］。

1.2.3 便攜性

通過 PDA（Personal Digital Assistant）讀取 RFID電子標簽是當前最普遍的數(shù)據(jù)采集方式［6］。無論采用何種RFID標簽，均需要手持設備進行讀取，操作不方便。利用谷歌眼鏡掃碼，無需手持設備就能實現(xiàn)遠距離識別，可解放巡檢人員雙手。

2 基于電力4G專網(wǎng)的智能巡檢系統(tǒng)功能介紹

2.1 電力4G專網(wǎng)簡述

第4代移動通信技術，即4G，有TD-LTE和FDD-LTE兩種制式，其性能優(yōu)勢包括通信速率高、覆蓋范圍廣、系統(tǒng)部署靈活等。4G網(wǎng)絡屬于開放性網(wǎng)絡，面對所有人開放，為了保證傳輸數(shù)據(jù)時的安全性，將采用專網(wǎng)來進行數(shù)據(jù)傳輸［7］，電力無線專網(wǎng)的主要架構如圖2所示。

圖2 電力無線專網(wǎng)架構

在電網(wǎng)中有多種中低壓配用電設施，這些設備的“三遙”等業(yè)務將會在運行過程中產(chǎn)生不同類型的電力信息數(shù)據(jù)。為實現(xiàn)配電自動化與用電信息采集，這些電力信息數(shù)據(jù)將承載在無線信號上發(fā)射出去，由相應的遠端射頻信號單元（Radio Remote Unit，RRU）負責接收，之后通過光纖回傳至基帶單元（Building Base band Unit，BBU），最后由基帶單元進行解調(diào)處理恢復電力信息數(shù)據(jù)后傳輸至電力主站系統(tǒng)進行處理。電力4G專網(wǎng)主要用于配電及計量自動化、視頻監(jiān)控等電力生產(chǎn)類終端的無線接入，具有高帶寬、低時延等諸多優(yōu)勢，且作為專用無線通信網(wǎng)，可靠性高、安全性強［8］。

2.2 谷歌眼鏡及手持智能設備的基本功能

作為可穿戴便攜設備，谷歌眼鏡集智能終端設備、GPS、相機于一身，可將信息實時展現(xiàn)給巡檢人員，能及時、直觀地觀察到變電站一次設備的運行數(shù)據(jù)，彌補了傳統(tǒng)巡檢無法獲得現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的不足，為巡檢人員進行現(xiàn)場設備檢修及綜合情況評估提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。谷歌眼鏡的基本特性及可視化應用功能如圖3所示。

圖3 谷歌眼鏡的基本特性及可視化應用功能

在對設備的局部及整體進行拍照及錄像后，會在谷歌眼鏡的棱鏡屏上顯示，且在儲存時可編輯設備名稱。此外，利用谷歌眼鏡掃描電氣設備的二維碼進行識別，由于編碼的唯一性，因此可從后臺數(shù)據(jù)服務器獲取與該設備相關的信息數(shù)據(jù)，如電壓、電流、有功及無功功率、溫度及檢修記錄等，且數(shù)據(jù)會實時顯示在棱鏡屏上，便于巡檢人員作業(yè)。谷歌眼鏡還內(nèi)置藍牙，可以此將所拍圖像、視頻同步傳輸?shù)绞殖种悄茉O備，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)共享，無需進行二次獲取設備圖像的繁瑣操作。總的來說，由于谷歌眼鏡無需手持操作且具有與手持智能設備相類似的功能，極大地簡化了巡檢工作，提高了巡檢效率。

手持智能設備的功能與谷歌眼鏡大致相同。雖然手持智能設備攜帶沒有谷歌眼鏡方便，但其具有對谷歌眼鏡以及該終端所獲得的一次信息進行預處理的優(yōu)勢，例如可對圖像及數(shù)據(jù)進行簡單預處理，包括邊緣檢測、繪制RGB及Hue柱狀圖等，從而便于巡檢人員及后臺專家進行數(shù)據(jù)分析，因此，手持智能設備可作為日常巡檢的設備補充。

2.3 后臺服務器的基本功能

集中式處理框架。能做到集中式任務調(diào)度、計算及文件存儲，從而達到高速處理、靈活擴展的目標。

數(shù)據(jù)查詢。具有統(tǒng)一的數(shù)據(jù)查詢接口，包含SQL的查詢方式。

運維管理。大數(shù)據(jù)及計算服務后臺及其組件的安裝、移除、監(jiān)控及配置管理應當由統(tǒng)一的運維系統(tǒng)管理，可以做到可視化的配置、啟停、安裝、卸載服務。對常用系統(tǒng)監(jiān)控項目有圖形化監(jiān)控界面、良好的日志保存和跟蹤的能力。

多用戶管理。大數(shù)據(jù)及計算服務后臺支持多用戶的功能分配和管理。用戶之間不應存在資源競爭。

數(shù)據(jù)權限管理。能按用戶配置數(shù)據(jù)訪問權限，不同用戶訪問相同主題數(shù)據(jù)可配置顯示不同的列，同時可以設置行過濾條件。

算法庫支持。具有常用的統(tǒng)計算法庫（至少包含聚類、圖像分割、圖像特征提取、時間序列和邏輯回歸等算法），并可通過加載模塊的方式進行算法庫的擴展。

3 智能巡檢的實現(xiàn)方法與應用

3.1 實現(xiàn)方法

現(xiàn)場巡檢人員佩戴谷歌眼鏡，掃描一次設備的二維碼，該二維碼是每個設備唯一對應的，因此可以自動識別相關電氣設備編號并自動轉發(fā)給智能化一體單元。智能化一體單元通過電力4G專網(wǎng)，從后臺數(shù)據(jù)服務器中獲取相關電氣參數(shù)，將其同步到谷歌眼鏡中，并根據(jù)需要進行選擇性投影，以備巡檢人員參考，顯示信息主要包括：電氣設備廠家、銘牌、檢修記錄及設備實時運行數(shù)據(jù)等。巡檢人員根據(jù)這些信息及現(xiàn)場情況進行評估后，利用谷歌眼鏡進行圖像、音頻采集，后臺服務系統(tǒng)自動將圖像、音頻與設備ID關聯(lián)并記錄在日志中，巡檢結束時自動上傳日志至后臺服務器。具體操作流程如圖4所示。

圖4 變電站實時雙向智能巡檢實現(xiàn)流程

3.2 實際應用

3.2.1 實時信息顯示

二維碼為設備唯一編號，利用谷歌眼鏡掃碼，由手持智能設備通過電力4G專網(wǎng)從后臺服務數(shù)據(jù)庫中搜索并獲取設備運行及檢測等數(shù)據(jù)，并將最終結果顯示在棱鏡屏上，具體數(shù)據(jù)顯示如圖5所示。

3.2.2 信息交互

電力系統(tǒng)巡檢人員在實際巡檢過程中，后臺專家能夠實時觀察到現(xiàn)場實際情況并及時給予技術支持，通過谷歌眼鏡進行現(xiàn)場視頻采集和實時傳送可以實現(xiàn)專家遠程診斷功能，具體實現(xiàn)過程如圖6所示。

圖5 實時狀態(tài)數(shù)據(jù)展示

圖6 后臺專家遠程診斷實現(xiàn)過程

谷歌眼鏡通過藍牙或無線網(wǎng)絡與手持智能設備進行連接，通過手持智能設備實時上傳圖像、視頻或錄音到后臺服務器，后臺服務器可實現(xiàn)實時點播和視頻存儲。專家可通過網(wǎng)絡瀏覽器在后臺查看由各個變電站谷歌眼鏡所上傳的實時視頻，進行遠程專家指導，具體如圖7所示。如果變電站巡檢人員啟動谷歌眼鏡實時視頻上傳功能，后臺服務器所對應的變電站視頻窗口將實時播放視頻，后臺專家可以點擊對應窗口，放大至全屏觀看。

圖7 后臺服務器接收現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)

手持智能設備通過電力4G專網(wǎng)與后臺服務系統(tǒng)獲得同步聯(lián)系，突破了以往專家難以獲取現(xiàn)場實時數(shù)據(jù)的障礙，可以實現(xiàn)專家遠程診斷功能，有助于提高智能變電站巡檢的自動化水平。

4 結語

新型變電站智能巡檢方式以谷歌眼鏡及智能一體化單元為基礎，通過電力4G專網(wǎng)和后臺數(shù)據(jù)庫進行信息交互，將變電站的實時數(shù)據(jù)傳遞到數(shù)據(jù)庫，以便巡檢人員獲得電氣設備的實時運行情況，并可實現(xiàn)后臺專家運程指導處理變電站中存在問題，從而制定最佳的保養(yǎng)維修方案。