可視化配電站房智能輔助系統(tǒng)及關(guān)鍵技術(shù)研究

張 鵬

(江蘇澤宇電力設(shè)計有限公司，江蘇 南京 210018)

0 引言

傳統(tǒng)站房部署有源傳感器、視頻監(jiān)控設(shè)施和站房動環(huán)主機(jī)，傳感器需外接電源線、信號線，部署極不方便，視頻監(jiān)控僅作為事后回看等作用而不能充分發(fā)揮價值，動環(huán)主機(jī)采集匯聚協(xié)議未完全統(tǒng)一。數(shù)據(jù)之間相互割裂沒有有效融合，且未能發(fā)揮數(shù)據(jù)一次采集、多次利用的目標(biāo)。

隨著輸、變、配電物聯(lián)網(wǎng)無線傳感技術(shù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制定和智能巡視系統(tǒng)的推廣應(yīng)用，通過無源傳感器、高清視頻和導(dǎo)軌機(jī)器人等聯(lián)合監(jiān)測，邊緣可視化網(wǎng)關(guān)統(tǒng)一匯聚傳感數(shù)據(jù)，利用人工智能技術(shù)實時分析視頻圖像，能夠及時告警和聯(lián)動，實現(xiàn)區(qū)域自治。同時，通過無線公網(wǎng)或?qū)＞W(wǎng)，數(shù)據(jù)安全加密傳輸?shù)狡脚_應(yīng)用層，云邊協(xié)作發(fā)揮了數(shù)據(jù)的共享利用和融合管理。此套系統(tǒng)實現(xiàn)了環(huán)境監(jiān)測、環(huán)境聯(lián)動、安防監(jiān)測、安防聯(lián)動、設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測和視頻巡檢的功能目標(biāo)。

采取物聯(lián)網(wǎng)的層次架構(gòu)，感知層通過末端無線傳感和視頻監(jiān)控數(shù)字化實時采集，邊端智能化治理。網(wǎng)絡(luò)層視頻數(shù)據(jù)承載在無線公網(wǎng)5G/4G，傳感數(shù)據(jù)通過硬加密，業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)承載在電力無線專網(wǎng)，保證了數(shù)據(jù)傳輸實時性和安全性。平臺應(yīng)用層包括可視化平臺、物聯(lián)網(wǎng)管理平臺和智能輔助應(yīng)用平臺，采用標(biāo)準(zhǔn)的通信協(xié)議。

1 建設(shè)方案

系統(tǒng)總體架構(gòu)由配電站房智輔平臺、站內(nèi)外網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)、站端系統(tǒng)等部分構(gòu)成。配電站房智輔平臺面向運維人員，實現(xiàn)配電站房整體運行狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)測和巡視，通過信息內(nèi)網(wǎng)的物聯(lián)網(wǎng)數(shù)字化平臺和可視化平臺獲取傳感數(shù)據(jù)和視頻圖像信息。網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)通過站內(nèi)低功耗無線采集傳感和有線以太網(wǎng)采集視頻，站外無線5G和電力專網(wǎng)實現(xiàn)窄帶和寬帶業(yè)務(wù)需求。站端系統(tǒng)由傳感器、匯聚節(jié)點、視頻設(shè)備、巡檢機(jī)器人、邊緣網(wǎng)關(guān)組成，共計22類，其中：(1)傳感器分為：環(huán)境監(jiān)測和聯(lián)動實現(xiàn)對站房內(nèi)溫度、濕度、水位或水浸信息、SF6氣體濃度、煙霧濃度等環(huán)境信息的采集，根據(jù)設(shè)定規(guī)則聯(lián)動控制空調(diào)、風(fēng)機(jī)、水泵等調(diào)節(jié)站房環(huán)境；安防監(jiān)測和聯(lián)動實現(xiàn)對站房內(nèi)安防狀態(tài)的實時監(jiān)測，在發(fā)生非法入侵的情況下產(chǎn)生告警，聯(lián)動控制燈光和門鎖；設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測實現(xiàn)對站房內(nèi)配電變壓器運行噪聲、蓄電池狀態(tài)、中壓開關(guān)柜局放等電力設(shè)備信息的采集和告警。(2)匯聚節(jié)點實現(xiàn)無線傳感器的南向接入和北向傳輸，解決信號覆蓋盲區(qū)問題。(3)視頻監(jiān)控和巡檢機(jī)器人實現(xiàn)對配電站房內(nèi)運行情況的實時監(jiān)控和指定設(shè)備點位、區(qū)域的圖像分析，遠(yuǎn)程核查告警信息的準(zhǔn)確性并及時做出合理的檢修方案。(4)邊緣網(wǎng)關(guān)接收站內(nèi)設(shè)備狀態(tài)、環(huán)境信息、安防信息、視頻監(jiān)控等監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過區(qū)域自治能力實現(xiàn)預(yù)警處理和告警聯(lián)動控制等，同時通過雙無線上行分別上送傳感數(shù)據(jù)到物聯(lián)網(wǎng)管理平臺，將視頻監(jiān)控信息通上送到可視化平臺[1]。

根據(jù)配電站類型可以選擇不同配置方案。以基礎(chǔ)型為例，環(huán)境傳感器配置溫濕度傳感器4個、水浸傳感器3個、煙霧傳感器2個、SF6氣體監(jiān)測傳感器4個，環(huán)境聯(lián)動設(shè)備配置風(fēng)機(jī)聯(lián)動裝備2個、空調(diào)/除濕聯(lián)動裝置2個，安防監(jiān)測終端配置智能門鎖1個，安防聯(lián)動設(shè)備配置燈光聯(lián)動裝置1個，設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測配置蓄電池監(jiān)測1個、特高頻局放探測器1個、變壓器噪聲傳感器1個，視頻監(jiān)控設(shè)備配置球形攝像頭2個、槍型攝像頭2個、NVR視頻錄像機(jī)1個，無線匯聚節(jié)點1個，站房網(wǎng)關(guān)1個。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 LoRa

LoRa(Long Range)作為LPWAN(Low Power Wide Area，低功耗廣域技術(shù))中較為成熟的一種技術(shù)，具備接收靈敏度高(可達(dá)-140dBm)、抗干擾能力強(qiáng)、功耗低等特點，實現(xiàn)了供電“無源”和通信接口“無線”。LoRa是基于線性調(diào)制擴(kuò)頻(CSS)的一種物理層調(diào)制技術(shù)，可構(gòu)建Mesh、星型、點對點等網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。幾種LPWAN協(xié)議對比如表1所示。

表1 LPWAN協(xié)議對比

LoRa低功耗通過速率自適應(yīng)ADR (Adaptive Data Rate)和信道活動監(jiān)測CAD(channel active device)實現(xiàn)。ADR是一種算法，通過自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)路徑來改變通信速率和功率以保障可靠的傳輸，從而提高總體資源的利用率。此外，傳統(tǒng)接收信號強(qiáng)度指示RSSI (Received Signal Strength Indicator)不能有效區(qū)分噪聲還是數(shù)據(jù)信號，而CAD通過探測擴(kuò)頻序列存在的碼元數(shù)據(jù)，能夠把LoRa信號從噪聲中區(qū)分出來。例如，在一個采樣處理周期內(nèi)，通過擴(kuò)頻因子(SF)和擴(kuò)頻帶寬(BW)計算出碼元的持續(xù)時長，接收端進(jìn)行周期的喚醒和休眠循環(huán)模式，發(fā)射端通過持續(xù)發(fā)射該周期時長的喚醒碼以讓接收端在喚醒時可以探測到擴(kuò)頻碼元。

2.2 5G和1 800 MHz

配用電信息實時采集和視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)對網(wǎng)絡(luò)的大帶寬、低時延和安全性有著較高要求，無線寬帶網(wǎng)絡(luò)不僅適用于快速建站，同時還滿足接入要求，實現(xiàn)了配用電多業(yè)務(wù)的綜合接入[2]。

5G的增強(qiáng)移動帶寬(eMBB)、超高可靠低時延通信(uRLLC)、大規(guī)模連接通信(mMTC)等特點滿足了數(shù)據(jù)傳輸多樣性的要求，推動了產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級。大規(guī)模天線技術(shù)是提高系統(tǒng)容量和頻譜利用率的關(guān)鍵技術(shù)，采用Mini Slot和免授權(quán)調(diào)度傳輸滿足空口傳輸?shù)蜁r延的要求，無線網(wǎng)絡(luò)的PSM/eDRX技術(shù)實現(xiàn)了大連接和低功耗。

電力無線專網(wǎng)承載在1 785～1 805 MHz專用頻段，由電力公司建設(shè)運營，采取雙向鑒權(quán)認(rèn)證、安全性激活等安全措施。接入方案在物理上與無線公網(wǎng)隔離保證了電力特定業(yè)務(wù)的需求，同時TD-LTE技術(shù)滿足接入性能要求。

2.3 通信協(xié)議

傳感器分為單向上報的微功率傳感器和雙向傳輸?shù)牡凸墓?jié)點傳感器，分別與匯聚節(jié)點或站房網(wǎng)關(guān)之間采取國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)的輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)微功率無線網(wǎng)通信協(xié)議和輸變電設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點設(shè)備無線組網(wǎng)協(xié)議。其中，微功率無線協(xié)議僅支持短報文傳輸，CSS物理層工作在470～510 MHz頻段，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)為星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洌瑓f(xié)議棧結(jié)構(gòu)分為物理層和數(shù)據(jù)鏈路層；低功耗節(jié)點無線協(xié)議支持長報文傳輸和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)分片重傳，CSS物理層工作在2 400～2 483.5 MHz頻段，網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)分為樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜投嗵W(wǎng)絡(luò)拓?fù)?，協(xié)議棧結(jié)構(gòu)為頂層網(wǎng)絡(luò)層用于端到端的包傳輸交換、中間層為數(shù)據(jù)鏈路層支持從設(shè)備的接入和調(diào)度、底層為物理層負(fù)責(zé)處理比特流的物理傳輸，具有調(diào)制與解調(diào)、發(fā)送狀態(tài)和接收狀態(tài)的切換等功能。

視頻監(jiān)控設(shè)備與站房網(wǎng)關(guān)之間通信使用國標(biāo)GB/T28181—2016公共安全視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)協(xié)議，完成信息采集、傳輸、交換、控制、顯示、存儲、處理等功能。

站房網(wǎng)關(guān)與可視化平臺之間通信協(xié)議使用國網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)Q/GDW1517.1—2014電網(wǎng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)及接口中的B接口(SIP-B)，規(guī)定了注冊、資源信息上報和獲取、歷史查詢、錄像檢索和回看、實時視頻調(diào)閱、語音對講和廣播、云鏡控制、事件訂閱和通知等。

站房網(wǎng)關(guān)與物聯(lián)網(wǎng)管理平臺之間通信協(xié)議使用MQTT(消息隊列遙測傳輸)進(jìn)行各類業(yè)務(wù)報文的接收與發(fā)送、設(shè)備管理和容器管理。設(shè)備管理包括端設(shè)備的接入、刪除、狀態(tài)更新、事件主動上報。容器的管理包括容器和應(yīng)用的創(chuàng)建、刪除、升級、啟動、停止，容器資源如CPU核數(shù)、內(nèi)存、存儲、接口等查詢和配置。MQTT是ISO 標(biāo)準(zhǔn)(ISO/IEC PRF 20922)下基于發(fā)布/訂閱范式的輕量級字節(jié)流消息協(xié)議，廣泛應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)通信連接。

物聯(lián)網(wǎng)管理平臺對外提供API接口，采用HTTPS協(xié)議，接口使用遵循RESTful風(fēng)格API和MQ API。

2.4 容器虛擬化

邊緣網(wǎng)關(guān)采取軟硬件解耦設(shè)計，硬件平臺化、功能軟件化。容器技術(shù)是實現(xiàn)的關(guān)鍵，容器運行于操作系統(tǒng)之上，提供軟件應(yīng)用運行所需的環(huán)境，一個容器內(nèi)可以部署多個應(yīng)用程序及依賴的組件，實現(xiàn)在不同硬件環(huán)境運行同樣的應(yīng)用程序的目的，達(dá)到了功能軟件動態(tài)增刪按需安裝的要求。且各容器享有的資源權(quán)限可動態(tài)配置，運行相互隔離、互不影響。采取開源的應(yīng)用容器引擎Docker，使用C/S架構(gòu)，客戶端和服務(wù)端可以運行在一個機(jī)器上，也可通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。

2.5 智能巡檢

通過嵌入邊端人工智能芯片，利用深度學(xué)習(xí)模型提取特征，依據(jù)現(xiàn)場速度要求進(jìn)行并發(fā)識別。通過圖片標(biāo)注環(huán)境訓(xùn)練測試，模型檢出率、誤檢率和平均檢出時間滿足要求。支持4個場景的識別功能：對安全帽佩戴和摘帽行為、區(qū)域入侵、小動物入侵的生物識別，以及作業(yè)人員倒地識別；支持告警事件、圖片及視頻流截取上送[3]。

3 結(jié)語

系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于國網(wǎng)江蘇的智慧配電站房可視化項目，數(shù)字可視化技術(shù)實現(xiàn)了遠(yuǎn)程集中運維管理，能夠替代人工不間斷監(jiān)測各站點運行情況，發(fā)生故障自動預(yù)警聯(lián)動控制，遠(yuǎn)程巡視指揮現(xiàn)場消缺，同時系統(tǒng)可擴(kuò)展升級，避免重復(fù)投資。系統(tǒng)投入使用以來降低了運維成本，提升了運維效率，提高了突發(fā)故障處理能力，為配電設(shè)備穩(wěn)定運行提供了堅強(qiáng)的保障。在今后的發(fā)展中，引入數(shù)字孿生技術(shù)，更加有效實現(xiàn)數(shù)據(jù)的融合再生產(chǎn)價值，實現(xiàn)精準(zhǔn)巡視和檢修。