杜 珂,蘇淑敏,于樹海,國家棟,羅 喜
(廣西電網(wǎng)公司南寧供電局,廣西 南寧 530000)
電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到國計(jì)民生,在運(yùn)行過程中出現(xiàn)任何錯(cuò)誤都將會造成無法估量的損失[1-2]。變電站是智能電網(wǎng)中不可或缺的一個(gè)環(huán)節(jié),傳統(tǒng)的變電站巡視巡檢系統(tǒng)普遍存在效率低下以及準(zhǔn)確性偏低等缺點(diǎn),無法滿足現(xiàn)階段電網(wǎng)發(fā)展需求。因此,需要研究一套集智能化和自動化于一體的變電站巡檢巡視系統(tǒng)。
國內(nèi)相關(guān)專家給出了一些比較滿意的研究成果。王強(qiáng)[3]分析工作面一線工人的勞動強(qiáng)度,將遠(yuǎn)程人員監(jiān)視作為自動化設(shè)計(jì)目標(biāo),同時(shí)結(jié)合系統(tǒng)需求構(gòu)建智能巡檢系統(tǒng);班福忱等[4]對企業(yè)科技化需求進(jìn)行分析,同時(shí)結(jié)合現(xiàn)代化技術(shù)構(gòu)建移動端巡檢系統(tǒng),通過UML對系統(tǒng)應(yīng)有模塊進(jìn)行詳細(xì)的介紹和分析。在上述已有系統(tǒng)基礎(chǔ)上,本文設(shè)計(jì)并提出一種基于視頻監(jiān)控的變電站巡檢巡視系統(tǒng)。
分析當(dāng)前變電站的運(yùn)行情況,獲取變電站巡檢巡視系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo),具體如下所述:
a.實(shí)現(xiàn)延伸巡視。當(dāng)人工進(jìn)行現(xiàn)場巡視的過程中[5-6],由于部分設(shè)備安裝在比較高的位置,所以部分值班人員無法達(dá)到正常巡視的目的,對巡視質(zhì)量產(chǎn)生影響。借助有針對性的視頻監(jiān)控以及變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng),變電站的相關(guān)工作人員可以清楚觀察變電站的運(yùn)行情況,及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常進(jìn)行報(bào)警。
b.開關(guān)柜內(nèi)安裝監(jiān)控設(shè)備。實(shí)時(shí)掌握電纜的出線狀態(tài),可以對有效電纜進(jìn)行無死角巡查,有效避免人工巡檢過程中出現(xiàn)的盲區(qū)。
c.變電站設(shè)備實(shí)時(shí)全面監(jiān)測。根據(jù)設(shè)備構(gòu)建預(yù)置位和在線監(jiān)測以及保護(hù)信息之間映射關(guān)系,確保變電站可以有效實(shí)現(xiàn)視頻以及在線監(jiān)測等相關(guān)功能,同時(shí)還可以實(shí)現(xiàn)全景化監(jiān)測,確保巡視巡檢質(zhì)量得到有效增強(qiáng)。
d.工作效率的提升。確保變電站巡視巡檢任務(wù)高效以及快速地完成,同時(shí)還能夠?qū)⒀矙z報(bào)表以及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳和下載。
在進(jìn)行變電站巡檢巡視系統(tǒng)設(shè)計(jì)前期,需要通過電網(wǎng)統(tǒng)一監(jiān)測平臺得到對應(yīng)的變電站視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。以此為依據(jù),構(gòu)建基于視頻監(jiān)控的變電站巡檢巡視系統(tǒng)[7-8]。在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上,對系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析,系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理流程為:登錄系統(tǒng);獲取變電站設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù);對狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理;編制巡檢巡視策略;視數(shù)聯(lián)動;數(shù)據(jù)上傳。
變電站巡檢巡視系統(tǒng)主要?jiǎng)澐譃槎鄠€(gè)不同的模塊,每個(gè)模塊都有針對性的進(jìn)行設(shè)計(jì)和描述,具體組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 基于視頻監(jiān)控的變電站巡檢巡視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
a.初始化設(shè)置模塊。根據(jù)變電站工作人員的權(quán)限和排班順序進(jìn)行用戶合理化安排,同時(shí)將模塊中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行初始化處理,如變電站設(shè)備和智能化改造以及工作的錄入和刪除等。
b.巡檢巡視維護(hù)模塊。定期對變電站進(jìn)行巡檢巡視,同時(shí)制定對應(yīng)的維護(hù)策略,確保變電站的穩(wěn)定運(yùn)行。
c.巡檢巡視方式選擇模塊。根據(jù)巡檢巡視系統(tǒng)的運(yùn)行情況和相關(guān)工作人員的巡視路線,需要制定合理的輪訓(xùn)方案,同時(shí)選取滿足變電站對應(yīng)的巡檢巡視方式。
d.記錄查詢模塊。對巡檢工作人員的巡檢日志以及狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)上傳的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢,同時(shí)還能夠查看巡檢巡視任務(wù)的完成情況。
e.系統(tǒng)報(bào)警模塊。對變電站巡檢巡視過程中出現(xiàn)的異常情況及時(shí)進(jìn)行報(bào)警處理,相關(guān)工作人員給出對應(yīng)的處理措施。
a.紅外成像在線分析模塊。獲取變電站設(shè)備的熱力圖,當(dāng)圖像溫度正常時(shí)繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測,在圖像發(fā)生異常時(shí)需要定位故障發(fā)生的具體坐標(biāo)位置,同時(shí)進(jìn)行報(bào)警,將數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)服務(wù)器。
b.變電站異常檢測模塊。采用智能巡視巡檢方式判定系統(tǒng)是否發(fā)生故障,如果系統(tǒng)發(fā)生故障[9-10],則直接切換到人工巡檢模式。
c.容性設(shè)備絕緣監(jiān)測模塊。對變電站設(shè)備中各種容性設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和分析,同時(shí)制定對應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)表。一旦出現(xiàn)異常,系統(tǒng)會立即啟動報(bào)警服務(wù),同時(shí)將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)服務(wù)器。
d.避雷器在線監(jiān)測模塊。對避雷器的泄漏電流或者阻性電流等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測,制定避雷器運(yùn)行參數(shù)表,當(dāng)避雷器發(fā)生異常時(shí)及時(shí)進(jìn)行報(bào)警,同時(shí)將異常數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)服務(wù)器。
e.變壓器在線監(jiān)測模塊。對變壓器內(nèi)部含油量的各種成分進(jìn)行檢測,形成參數(shù)報(bào)表,當(dāng)任意一項(xiàng)指標(biāo)低于設(shè)定的閾值,則說明變壓器異常,發(fā)生報(bào)警,同時(shí)將數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)服務(wù)器。
a.視頻一體化聯(lián)動模塊。對變電站設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控,當(dāng)接收一次設(shè)備故障信息,故障點(diǎn)附近的攝像頭會形成聯(lián)動反應(yīng),轉(zhuǎn)向故障點(diǎn),記錄變電站設(shè)備具體故障情況,同時(shí)將故障視頻信息進(jìn)行上傳。
b.變電站燈光遠(yuǎn)控模塊。當(dāng)打開視頻后,通過遠(yuǎn)控指令或者預(yù)定義的打開時(shí)間自動開啟燈光,在晚間會有自動補(bǔ)光功能。
c.變電站安防監(jiān)測模塊。重點(diǎn)針對變電站區(qū)域中沒有獲取訪問權(quán)限的人或者物進(jìn)行檢測和報(bào)警。
d.變電站空調(diào)遠(yuǎn)控模塊。根據(jù)初始化空調(diào)自動開啟的模式,定時(shí)或者遠(yuǎn)程開啟,同時(shí)還需要對空調(diào)的運(yùn)行模式以及溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。
e.變電站環(huán)境監(jiān)測模塊。對變電站研究區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度以及污染物的分布情況等相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。
對變電站紅外圖像進(jìn)行RGB值進(jìn)行校正以及映射等相關(guān)操作,最終獲取聚類所需要的數(shù)據(jù)集。
對于1個(gè)含有n個(gè)數(shù)據(jù)集的m維數(shù)據(jù)集而言,需要將其進(jìn)行聚類,組成k個(gè)簇,即變電站紅外圖像的多層分割,獲取最大類內(nèi)緊湊度取值S,計(jì)算式為
(1)
xi為第i個(gè)簇中心對應(yīng)的坐標(biāo);δ為任意常數(shù);dn為聚類相似度。
核函數(shù)主要是將線性不可分的數(shù)據(jù)映射到高維空間,同時(shí)放大數(shù)據(jù)之間的差異性,全面提升數(shù)據(jù)分類結(jié)果的準(zhǔn)確性[11-12]。
如果輸入空間樣本已經(jīng)被映射到特征空間中,則特征空間的歐幾里德距離dn(x,y)可以表示為
(2)
φ(x)和φ(y)為空間樣本的內(nèi)積。
通過核函數(shù)fk(x,y)替換式(2)中的內(nèi)積,即
(3)
dH(x,y)為聚類相似度。
以下主要通過高斯核函數(shù)進(jìn)行聚類,利用核貓群算法進(jìn)行優(yōu)化處理[13-14],詳細(xì)的操作步驟如下所述:
a.在系統(tǒng)內(nèi)輸入相關(guān)參數(shù),其中主要包含聚類數(shù)據(jù)集X以及簇的總數(shù)等相關(guān)參數(shù)。
b.對貓群算法中的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行初始化處理。
c.通過分組率M隨機(jī)將貓分配到搜尋和跟蹤2種模式。其中,M為百分比。
d.判定貓?zhí)幱谒褜み€是跟蹤模式,判定是哪種模式則繼續(xù)執(zhí)行該模式。
e.假設(shè)貓所在的位置為聚類中心,對各個(gè)數(shù)據(jù)對象進(jìn)行聚類劃分,更新適應(yīng)度。
f.尋找并且記錄全局當(dāng)前最優(yōu)解。
g.假設(shè)滿足約束條件,則停止計(jì)算;反之,則返回至步驟c。
其中,貓所在位置主要包含2種搜尋模式,分別為搜尋模式和跟蹤模式。
搜尋模式操作流程為:
a.將貓的自身位置復(fù)制j份到記憶池中,同時(shí)將當(dāng)前位置設(shè)定為候選位置之一。
b.通過CDC的大小,對SRD的大小進(jìn)行改進(jìn),同時(shí)通過以下表達(dá)式調(diào)整貓的位置,即:
k=c∪(1-c)
(4)
(5)
k為貓所在位置的向量維數(shù);D為SRD;c為需要進(jìn)行改變的維的集合;r為[0,1]之間的隨機(jī)數(shù)。
c.對記憶池中全部候選位置的適應(yīng)度取值進(jìn)行計(jì)算。
d.假設(shè)不是全部候選位置的適應(yīng)度取值都相同,需要根據(jù)式(6)計(jì)算出每個(gè)候選位置被選中的概率p1,即
(6)
Fmax和Fmin分別為最大和最小適應(yīng)度取值;Fb為第b個(gè)候選位置的適應(yīng)度取值。
跟蹤模式主要通過速度模型對貓的速度和位置進(jìn)行更新,詳細(xì)的操作步驟如下所述:
a.設(shè)定貓群所經(jīng)過的最好位置即目標(biāo)搜索到的最優(yōu)解。
b.檢測搜尋模式下的貓是否超過設(shè)定的最大速度,假設(shè)超過,則需要將其設(shè)定為最大速度。
c.根據(jù)式(7)對更新模式下貓的坐標(biāo)位置進(jìn)行更新,即
(7)
在上述分析的基礎(chǔ)上,主要通過搜尋和跟蹤2種模式對貓群中貓所在的位置進(jìn)行更新,同時(shí)采用函數(shù)組建對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù),根據(jù)多次迭代尋優(yōu)獲取紅外變電站設(shè)備的多層分割聚類結(jié)果[15],最終實(shí)現(xiàn)變電站紅外圖像異常檢測。
為了驗(yàn)證所提基于視頻監(jiān)控的變電站巡檢巡視系統(tǒng)的有效性,需要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)從變電站巡檢巡視性能、平均測試時(shí)間以及誤報(bào)率3個(gè)方面展開。
為了有效測試本文系統(tǒng)的優(yōu)越性,優(yōu)先將變電站巡檢巡視性能作為測試指標(biāo),分別采用3種不同的系統(tǒng)對變電站進(jìn)行巡視巡檢實(shí)驗(yàn)測試,具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。
圖2 測試對象1的測試結(jié)果
圖3 測試對象2的測試結(jié)果
由圖2和圖3可知,相比另外2種系統(tǒng),本文系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)變電站中存在的異常,充分證明本文系統(tǒng)具有良好的巡視巡檢性能。
為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性,將平均測試時(shí)間設(shè)定為測試指標(biāo),選取20個(gè)不同的方案對不同系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,詳細(xì)的測試對比結(jié)果如表1所示。
表1 不同系統(tǒng)的平均測試時(shí)間對比結(jié)果
表1(續(xù))
由表1可知,相比另外2種系統(tǒng),本文系統(tǒng)的平均測試時(shí)間明顯更低一些。由于本文系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中,加入了變電站紅外圖像異常檢測環(huán)節(jié),這樣可以有效降低平均測試時(shí)間,以更快的速度完成變電站巡檢巡視。
為了方便測試,選取本文系統(tǒng)和另外2種系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試,將誤報(bào)率作為測試指標(biāo),具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
表2 不同系統(tǒng)的誤報(bào)率測試結(jié)果對比結(jié)果
由表2可知,由于本文系統(tǒng)引入了核貓群優(yōu)化算法對變電站紅外圖像進(jìn)行異常檢測,可以在變電站巡檢巡視過程中及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常,進(jìn)行報(bào)警。相比另外2種系統(tǒng),本文系統(tǒng)的誤報(bào)率得到有效降低,同時(shí)整體的巡檢巡視性能得到十分明顯的改善,充分驗(yàn)證了本文系統(tǒng)的優(yōu)越性。
變電站巡檢巡視系統(tǒng)主要通過不同的監(jiān)測以及通信技術(shù)完成不同類型輸電站設(shè)備的實(shí)時(shí)感知以及智能巡視功能。結(jié)合視頻監(jiān)控結(jié)果,設(shè)計(jì)并提出一種基于視頻監(jiān)控的變電站巡檢巡視系統(tǒng)。和已有測試系統(tǒng)相比,本文系統(tǒng)具有良好的巡檢巡視性能,同時(shí)還能夠有效降低系統(tǒng)的誤報(bào)率和平均測試時(shí)間。
由于研究時(shí)間有限,本文系統(tǒng)仍然存在一定得到的不足,后續(xù)將重點(diǎn)針對以下幾方面的內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn):
a.在變電站巡檢巡視系統(tǒng)中加入全新的通信技術(shù)。
b.對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析,同時(shí)將引入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù),在已有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上,提出全新的設(shè)備檢修和維護(hù)策略。