變電站施工作業(yè)環(huán)境智慧監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計

韓 磊，唐 琳，隋永錕，張 濤，滕 飛

(國網(wǎng)山東省電力公司建設(shè)公司，山東 濟南 250001)

0 引言

“十四五”期間，國網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)特高壓工程“24交14直”，涉及線路達3萬余km，變電換流容量3.4億kVA，總投資3 800億元[1]。伴隨著國內(nèi)特高壓電網(wǎng)建設(shè)的步伐逐漸加快，對特高壓變電站工程建設(shè)安全管理提出了新的要求和挑戰(zhàn)[2-3]。

在Q/GDW 11957.1—2020《國家電網(wǎng)有限公司電力建設(shè)安全工作規(guī)程第1部分：變電》4.5中規(guī)定：遇有六級及以上風(fēng)或暴雨、雷電、冰雹、大雪、大霧、沙塵暴等惡劣氣候時，應(yīng)停止露天高處作業(yè)、水上運輸、露天吊裝等作業(yè)[4]。現(xiàn)有變電站環(huán)境監(jiān)測裝置只將數(shù)據(jù)傳輸至站級監(jiān)控，未對監(jiān)測的環(huán)境數(shù)據(jù)進行有效利用[5-10]。近年高溫、暴雨等極端天氣頻發(fā)，環(huán)境因素對特高壓變電站工程建設(shè)期間施工計劃安排和組織有很大影響。

在上述背景下，設(shè)計變電站施工作業(yè)環(huán)境智慧監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，通過對特高壓變電站環(huán)境實時監(jiān)測進行環(huán)境數(shù)據(jù)與電力施工作業(yè)環(huán)境要求計算分析，將環(huán)境因素顯示并動態(tài)指導(dǎo)現(xiàn)場日常施工。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

變電站施工作業(yè)環(huán)境智慧監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)通過實時采集施工現(xiàn)場的溫濕度、風(fēng)力和雨量數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至系統(tǒng)后臺，系統(tǒng)后臺根據(jù)安規(guī)知識數(shù)據(jù)庫服務(wù)器中環(huán)境計算條件，進行施工條件判斷，并將判斷結(jié)果下發(fā)至現(xiàn)場主控終端。

設(shè)計的變電站施工作業(yè)環(huán)境智慧監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)具有環(huán)境數(shù)據(jù)采集處理、4G無線傳輸、后臺計算分析預(yù)警等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。感知層主要進行環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理，通過4G無線網(wǎng)上傳信息。網(wǎng)絡(luò)層通過廣域無線網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至系統(tǒng)后臺服務(wù)器。應(yīng)用層系統(tǒng)監(jiān)控后臺對網(wǎng)絡(luò)層接收數(shù)據(jù)加以處理，進行變電站現(xiàn)場施工安全預(yù)警。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 安規(guī)知識數(shù)據(jù)庫設(shè)計

特高壓變電站建設(shè)應(yīng)遵守電力安規(guī)，即Q/GDW 11957.1—2020《國家電網(wǎng)有限公司電力建設(shè)安全工作規(guī)程第1部分：變電》，因此根據(jù)電力安規(guī)提取環(huán)境因素影響施工的知識數(shù)據(jù)庫，為預(yù)警裝置提供數(shù)據(jù)支撐。電力安規(guī)包括施工現(xiàn)場、通用作業(yè)、施工機械及工器具、運輸、裝卸、建筑工程、電氣裝置安裝和改擴建工程的各項安全管理規(guī)范文本數(shù)據(jù)[4]。為了利用這些非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)動態(tài)分析環(huán)境參數(shù)對施工作業(yè)的影響，首先對電力安規(guī)數(shù)據(jù)進行信息抽取，將非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為JavaScript對象簡譜(JavaScript object notation，JSON)格式，進而設(shè)計彈性搜索引擎實現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效存儲[11]。

變電站施工涉及多個部門、單位，也涉及多種施工器具，是電力建設(shè)的專業(yè)化工作，環(huán)境因素影響施工作業(yè)參數(shù)較多。雖然有相關(guān)的電力安規(guī)對施工作業(yè)環(huán)境進行了總結(jié)，但影響因素情況復(fù)雜多樣，電力安規(guī)中的表格難以進行全面歸納。

變電站環(huán)境因素影響文本是一種特殊的非結(jié)構(gòu)化文檔，形式上具有半結(jié)構(gòu)化文檔的特征，但數(shù)據(jù)流實際上是非結(jié)構(gòu)化的。電力安規(guī)中涉及環(huán)境因素的條目，抽取形成環(huán)境作業(yè)預(yù)警表格，從數(shù)據(jù)類別看，非結(jié)構(gòu)化表格文檔中數(shù)據(jù)分為標(biāo)題區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)，標(biāo)題區(qū)表示數(shù)據(jù)的性質(zhì)和類別，數(shù)據(jù)區(qū)表示實際條款。數(shù)據(jù)抽取流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)抽取流程

由于變電站建設(shè)施工環(huán)境因素較為固定，根據(jù)電力安規(guī)數(shù)據(jù)抽取流程，形成知識數(shù)據(jù)索引表，索引示例如圖3所示。將系統(tǒng)監(jiān)測環(huán)境參數(shù)和目前現(xiàn)場施工類型進行結(jié)合，將數(shù)據(jù)中的詞進行拆分，提取關(guān)鍵詞，當(dāng)監(jiān)測到暴雨時，在現(xiàn)場進行高空吊裝時，會檢索到“雨后吊裝前，應(yīng)先試吊，確認制動器靈敏可靠后方可進行作業(yè)”，并將結(jié)果返回到系統(tǒng)中。

圖3 知識數(shù)據(jù)索引示例

3 硬件設(shè)計

變電站施工作業(yè)環(huán)境智慧監(jiān)測預(yù)警裝置硬件包括主控CPU、4G通信電路、環(huán)境采集裝置和LED顯示屏字庫控制卡，硬件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 硬件架構(gòu)

主控CPU選用STM32F103RET6處理器，該處理器基于ARMCortex-M3內(nèi)核，采用高效的哈佛結(jié)構(gòu)三級流水線，達到1.25 DMIPS/MHz。STM32F103RET6系統(tǒng)時鐘頻率72 MHz，閃存程序存儲器512 kB，64 kBSRAM、8個定時器、3個12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、1個數(shù)模轉(zhuǎn)換器，1個CAN接口、7通道DMA控制器，以及SPI、USART、I2C、I2S、USB接口等[12-14]。該控制器具有豐富的外設(shè)和較強的抗干擾能力，適合用于變電站強電磁場場景。

為保證環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)實時性和字庫卡大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，采用4G通信進行無線傳輸，4G通信模塊型號為Air 724，該模塊是一款基于UIS8910DM芯片組的物聯(lián)網(wǎng)通信模塊。模塊通信性能符合Cat1通信標(biāo)準(zhǔn)，支持最大下行速率10 Mbps和最大上行速率5 Mbps數(shù)據(jù)傳輸。具有全功能音頻輸入輸出接口，LCD接口，Camera接口，內(nèi)存卡接口，矩陣鍵盤接口，ADC接口，外設(shè)齊全[15]。

環(huán)境采集裝置采集變電站現(xiàn)場的溫濕度、風(fēng)速風(fēng)力和雨量，環(huán)境傳感器采用型號為RS-BYH-M的百葉盒，可采集溫度、濕度和顆粒物(PM2.5和PM10)及光照等；風(fēng)速變送器采用型號RSFSJT-N01，量程：0～70 m/s，分辨率：0.1 m/s，動態(tài)響應(yīng)時間小于等于0.5 s；雨量采用脈沖型雨量計進行雨量采集。

LED顯示屏字庫控制卡驅(qū)動單色LED顯示屏，實時動態(tài)顯示環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)及安規(guī)內(nèi)容。

4 軟件設(shè)計

現(xiàn)場監(jiān)測裝置通過環(huán)境采集裝置實時采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并通過4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至系統(tǒng)后臺，裝置聯(lián)網(wǎng)軟件流程如圖5所示。

系統(tǒng)后臺根據(jù)現(xiàn)場人員輸入的作業(yè)類型結(jié)合環(huán)境因素，進行現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境因素的動態(tài)提示，系統(tǒng)預(yù)警軟件流程如圖6所示。

圖6 后臺預(yù)警軟件流程

5 結(jié)束語

針對變電站施工作業(yè)受環(huán)境影響較大問題，提出了一種基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)，并設(shè)計了基于該方法的環(huán)境監(jiān)測裝置電路。實際使用中，結(jié)合現(xiàn)場施工作業(yè)類型，可在惡劣環(huán)境下及時在現(xiàn)場提示安規(guī)知識庫內(nèi)容，提高現(xiàn)場作業(yè)的安全水平，方便現(xiàn)場人員的高效管理，減少安全事故發(fā)生，實現(xiàn)變電站現(xiàn)場施工作業(yè)的本質(zhì)安全。