電力集控站人機(jī)交互體系及關(guān)鍵技術(shù)研究

許花， 蘆玉英， 程億強(qiáng)， 王一帆， 黃昆,3

(1. 南瑞集團(tuán) (國網(wǎng)電力科學(xué)研究院)有限公司, 江蘇, 南京 211106；2. 國電南瑞科技股份有限公司, 江蘇， 南京 211106；3. 智能電網(wǎng)保護(hù)和運(yùn)行控制國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇， 南京 211106)

0 引言

近年來電力行業(yè)的人機(jī)交互體系在不斷改進(jìn)，建立了許多高效的系統(tǒng)[1]。文獻(xiàn)[2]對特定電壓下的變電站智能化系統(tǒng)進(jìn)行研究和實(shí)現(xiàn)，搭建了基于SCADA系統(tǒng)的電力系統(tǒng)，并對人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，完善了集控系統(tǒng)的運(yùn)行和管理，但該文獻(xiàn)缺乏管理單元的改進(jìn)，總控效率較為低下，可能會出現(xiàn)運(yùn)維事件相互沖突的可能。文獻(xiàn)[3]建立了一種集控站監(jiān)控人機(jī)交互系統(tǒng)，與傳統(tǒng)人機(jī)交互體系相比，該系統(tǒng)解決了運(yùn)維工作的干擾問題，搭建的人機(jī)交互界面可以實(shí)現(xiàn)多窗口同時管理，但是該系統(tǒng)在事故處理過程中的決策準(zhǔn)確率無法保證，容易影響電力系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。為此，本文提出一種電力集控站人機(jī)交互體系及關(guān)鍵技術(shù)，下文將對該系統(tǒng)進(jìn)行詳述。

1 集控站人機(jī)交互體系及其架構(gòu)

本文針對電力系統(tǒng)集控站的應(yīng)用場景，對人機(jī)交互體系及其關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)。首先，對電力集控站的管理單元進(jìn)行設(shè)計，在硬件結(jié)構(gòu)部分，通過STM32微控制器實(shí)現(xiàn)變電站的信息采集[4]、對外通信、數(shù)據(jù)儲存以及人機(jī)交互等功能，在軟件部分，對電力集控站管理進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)了上述功能的模塊化。其次，對集控站多通道人機(jī)交互系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計，在傳統(tǒng)單通道信息采集的基礎(chǔ)上，通過Bayes算法實(shí)現(xiàn)動作、圖像、聲音、觸覺等場景的信息融合，有效提升了集控站的管控能力。電力集控站人機(jī)交互體系示意圖如圖1所示。

圖1 集控站人機(jī)交互體系架構(gòu)

由圖1可知，集控站人機(jī)交互系統(tǒng)可以分為四層。下面進(jìn)行細(xì)化表達(dá)。

檢測層即變電站基礎(chǔ)設(shè)備層，主要負(fù)責(zé)電力的信息采集及整合、電路保護(hù)、故障報警和動作執(zhí)行等任務(wù)。設(shè)備包括保護(hù)裝置、變壓器、智能電表、變壓器、溫控儀、環(huán)境傳感器和監(jiān)測語音攝像[5]。整個系統(tǒng)分為主電源系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)，主電源系統(tǒng)負(fù)責(zé)開關(guān)裝置、保護(hù)裝置和變壓器的狀態(tài)檢測、輔助系統(tǒng)負(fù)責(zé)開關(guān)量調(diào)節(jié)和電源狀態(tài)檢測等。

集控層作為該體系的核心系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)檢測層和調(diào)度中心層之間的信息傳遞，包括監(jiān)測層的電力數(shù)據(jù)采集及控制，調(diào)度中心層的通信協(xié)議轉(zhuǎn)換等。根據(jù)集控層管控需求，針對不同的功能模塊配備獨(dú)立的集控設(shè)備，包括PLC、OPC和通信管理設(shè)備。各子系統(tǒng)均配有相應(yīng)的上位機(jī)OPC接口[6-7]，集控層的電力信息通過上層軟件的OPC接口與調(diào)度中心層交互。

網(wǎng)絡(luò)通信層在數(shù)據(jù)交互中起著重要作用，為調(diào)度中心層和集控層之間電力信息的交互提供了通信通道。該系統(tǒng)利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過光纖環(huán)網(wǎng)和移動4G/5G信道[8-9]進(jìn)行傳輸，并以環(huán)網(wǎng)的形式接入集控站內(nèi)的交換機(jī)。集控站的主交換機(jī)與系統(tǒng)構(gòu)成環(huán)形網(wǎng)絡(luò)，建立防火墻以防止外源非法入侵，通信管理器負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)信息轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過后的數(shù)據(jù)通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行傳輸。

調(diào)度中心層是電力系統(tǒng)的最終決策層，負(fù)責(zé)將集控層中的所有信息進(jìn)行整合、處理、顯示和管理，實(shí)現(xiàn)集控站的人機(jī)交互。調(diào)度中心層主要由采集顯示、數(shù)據(jù)存儲、綜合控制、視頻語音和數(shù)據(jù)報表等模塊組成，從而實(shí)現(xiàn)工作人員的電力遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，是電力集控站人機(jī)交互體系的最后一層，方便用戶根據(jù)實(shí)時數(shù)據(jù)及線路狀態(tài)圖實(shí)現(xiàn)電力遠(yuǎn)程部署。

2 電力集控站人機(jī)交互體系及關(guān)鍵技術(shù)

2.1 電力集控站管理單元設(shè)計

由于電力建設(shè)規(guī)模不斷擴(kuò)大，變電站信息量也大幅增加，需要對集控站人機(jī)交互系統(tǒng)的管理單元進(jìn)行改進(jìn)，方便調(diào)度中心實(shí)施決策。

本裝置采用基于ARM Cortex-M內(nèi)核的STM32控制器作為集控站管理單元的核心芯片，硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電力集控站管理單元的硬件框架

人機(jī)交互模塊包括鼠標(biāo)、按鍵、話筒和顯示屏，分別和微控制器的I/O段和I2C端相連。其中，按鍵和鼠標(biāo)通過上拉電阻與電源相連，實(shí)現(xiàn)單獨(dú)和組合命令的執(zhí)行。由于顯示器信息讀寫效率較低，為了保障保護(hù)功能的正常運(yùn)作，本文配置了89C51單片機(jī)負(fù)責(zé)對液晶顯示器、鼠標(biāo)、話筒和鍵盤進(jìn)行控制，通過串行UART實(shí)現(xiàn)51單片機(jī)與ARM的數(shù)據(jù)交換功能[10-11]。

電力測量模塊主要采用ADE7758集成芯片。它是一種微型的功率測量集成電路，動態(tài)范圍可達(dá)1 000∶1。它配有嵌入式高精度A/D轉(zhuǎn)換器和數(shù)字信號處理器，并具有數(shù)字集成、數(shù)字濾波和許多高效的電力監(jiān)控和計算功能。該芯片主要有電流和電壓共6個模擬輸入通道。電壓和電流由芯片測量和計算后，可以轉(zhuǎn)換成其他電力數(shù)據(jù)。

保護(hù)模塊包括電壓電流互感器，有源濾波和比例放大電路，由于電力系統(tǒng)的電壓電流信號對于該管理單元來說并不匹配，因此需要對電流電壓互感器輸出的信號進(jìn)行調(diào)整，加入調(diào)理電路將輸出信號轉(zhuǎn)換成適當(dāng)范圍的信號，最終與STM32的模數(shù)轉(zhuǎn)換引腳相連[12]。

對外通信模塊通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)電力集控站的通信管理，網(wǎng)絡(luò)管理芯片采用Realtek的RTL8019AS，該芯片在全雙工模式下可以同時以10M/bits的速度實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)工作[13]。

另外，ARM外部選擇CY7C1041作為儲存芯片，該芯片是一種高速低功耗的SRAM，存儲容量能達(dá)到256KB，通常用于存儲采樣數(shù)據(jù)、計算結(jié)果、設(shè)定數(shù)據(jù)以及歷史故障等內(nèi)容。

在軟件部分，軟件系統(tǒng)設(shè)計如圖3所示。

由圖3可知，對交互系統(tǒng)進(jìn)行功能劃分，分別為① 實(shí)時數(shù)據(jù)采集；② 數(shù)據(jù)處理，主要負(fù)責(zé)電力速斷保護(hù)、過流保護(hù)、零序保護(hù)和重合閘等部分的數(shù)據(jù)處理，并將數(shù)據(jù)上傳至調(diào)度中心；③ 控制和執(zhí)行功能，用來接收站調(diào)度中心指令，并根據(jù)指令對斷路器開關(guān)、分閘等采取執(zhí)行動作；④ 通信功能，通過以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)調(diào)度中心層和集控層的PC通信功能，通過顯示器和管理單元對變電設(shè)備等進(jìn)行控制。

圖3 電力集控站管理單元的軟件框架

該軟件系統(tǒng)基于嵌入式系統(tǒng)軟件進(jìn)行設(shè)計，該軟件框架的特點(diǎn)是具有較好的擴(kuò)展性和可移植性。根據(jù)任務(wù)隊(duì)列的形式，可以有效調(diào)用系統(tǒng)的功能模塊，實(shí)現(xiàn)電力集控站的管控功能，為人機(jī)交互系統(tǒng)提供邏輯支撐。

2.2 集控站多通道人機(jī)交互系統(tǒng)

傳統(tǒng)單一通道信息處理在集控站人機(jī)交互系統(tǒng)的效果較低，而多通道信息融合的人機(jī)交互體系可以將工作人員處理得到的信息進(jìn)行融合加工。工作人員通過感知通道獲得信息，包括動作、圖像、聲音、觸覺等信號，完成特征表示和編碼[14]，有選擇地進(jìn)入工作記憶區(qū)，針對特征進(jìn)行關(guān)聯(lián)，針對具體集控站指令，主動處理根據(jù)具體任務(wù)調(diào)用注意、聯(lián)想、推理等機(jī)制，得到最終的判斷結(jié)果。

單一通道信號的表現(xiàn)形式為

(1)

然后在傳統(tǒng)單一通道的信息形式基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)融合，可得到多通道信息表現(xiàn)形式如下

(2)

設(shè)第k個通道信號服從高斯分布，記作sk～N(uk,δk)

假設(shè)單個通道信號的置信度可表示為

(3)

則某時刻的多道信號融合后信息可以表示為

(4)

根據(jù)多個高斯通道的最大似然估計值，可以構(gòu)建多通道感知場景的深度信息融合實(shí)驗(yàn)，置信度越高，則該通道在信息融合后所占比重越大。

根據(jù)信息融合算法來進(jìn)行多通道的數(shù)據(jù)統(tǒng)計和機(jī)器學(xué)習(xí)，本文選擇Bayes決策算法模型，該算法可以對各種集控站電力場景發(fā)生的概率進(jìn)行計算修正，并根據(jù)期望值做出最優(yōu)決策。

Bayes算法可根據(jù)多種人機(jī)交互通道概率對歷史故障進(jìn)行反演得到整個人機(jī)交互系統(tǒng)的最佳評估策略，設(shè)不同通道信號分布概率集合為

P(S)=P(s1,s2,…,sd)

(5)

其中，d表示通道個數(shù)。

若已知某通道信號的邊緣概率為

Po(d)=Po(d|S)×P(S)

(6)

其中，Po(d|S)表示第d個通道的觀測值。

則該通道的聯(lián)合分布概率可以表示為

(7)

(8)

由此，根據(jù)Po(d)，Po(d|S)以及P(S)的先驗(yàn)信息，可以得到精確迭代后的通道信息。

因?yàn)?Bayes 決策方法根據(jù)不完全情報反演出部分觀測條件下的最優(yōu)決策的優(yōu)點(diǎn), 其在多通道信息整合分析、多通道觀測手段聯(lián)合建模分析上體現(xiàn)出一定優(yōu)勢, 其在魯棒人臉跟蹤、用戶行為感知、機(jī)器人姿態(tài)估計和避障、情感理解、多源傳感器信息對齊及觀測數(shù)據(jù)分析等方面得到非常好的應(yīng)用。

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)環(huán)境

本實(shí)驗(yàn)對集控站監(jiān)控管理數(shù)據(jù)進(jìn)行分析計算，操作系統(tǒng)為Windows 7，使用的軟件為MATLAB 2014和LabVIEW虛擬儀器，總控部分使用Scada服務(wù)器。

3.2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果分析

首先對集控站的人機(jī)交互體系的可行性進(jìn)行驗(yàn)證，選取某變電站110 kV下任意時段的監(jiān)控處理數(shù)據(jù)顯示人機(jī)交互中心項(xiàng)目瀏覽如圖4所示。

圖4 集控站人機(jī)交互系統(tǒng)項(xiàng)目

該人機(jī)交互界面主要分為用戶登錄界面、系統(tǒng)選擇界面、系統(tǒng)調(diào)試界面、系統(tǒng)自動運(yùn)行界面以及數(shù)據(jù)處理界面。通過這5個子vi實(shí)現(xiàn)電力及集控站的人機(jī)交互系統(tǒng)。

然后對電力集控站人機(jī)交互系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和效率進(jìn)行驗(yàn)證。固定實(shí)驗(yàn)時間為24 h，將設(shè)計前后的集控站對變電站的監(jiān)控管理進(jìn)行對比，統(tǒng)計結(jié)果如表1所示。

表1 集控站監(jiān)管方式比較

由表1中數(shù)據(jù)可知，相比人工管理電力集控站，人機(jī)交互系統(tǒng)能夠大大提高電力事故判斷速度與準(zhǔn)確率，而相比較單通道人機(jī)交互系統(tǒng)，多通道人機(jī)交互系統(tǒng)不僅在處理件數(shù)上得到了提升，在準(zhǔn)確率上也明顯提高，達(dá)到了97.2%。

由于集控站人機(jī)交互體系的好壞與變電站維護(hù)人員的體驗(yàn)感直接相關(guān)，為了評估該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中的交互體驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)邀請了30名相關(guān)工作人員對3個集控站的系統(tǒng)進(jìn)行體驗(yàn)和打分，將打分結(jié)果用區(qū)間和平均值的形式進(jìn)行表示，得到結(jié)果如圖5所示。

圖5 三種集控站下人機(jī)交互系統(tǒng)評分

由圖5可知，改進(jìn)后的多通道人機(jī)交互系統(tǒng)不論是在評分區(qū)間還是平均值均顯著大于單通道人機(jī)交互系統(tǒng)，說明工作人員在使用本文構(gòu)建的交互體系時有更好的用戶體驗(yàn)感。

4 總結(jié)

結(jié)合近年來電力網(wǎng)絡(luò)的快速建設(shè)，本文提出一種可行的集控站人機(jī)交互系統(tǒng)及其關(guān)鍵技術(shù)研究。在集控站管理單元部分對硬件部分進(jìn)行設(shè)計改進(jìn)，通過ARM微控制器實(shí)現(xiàn)對無人變電站的監(jiān)控管理，并根據(jù)硬件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對軟件部分進(jìn)行搭建，為人機(jī)交互系統(tǒng)的操作奠定基礎(chǔ)。在人機(jī)交體系方面，對關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，改變以往單通道人機(jī)交互模式，對多種監(jiān)控信息進(jìn)行融合，利用Bayes對不同屬性的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，為調(diào)度中心提出解決方案，本研究保證了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可靠性。