變電站智能測(cè)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與分析

遲 娜

（煙臺(tái)仲伯企業(yè)管理咨詢有限公司，山東 煙臺(tái) 264003）

雖然變配電站正逐步向高水平發(fā)展，并在開展階段性工作后引進(jìn)了自動(dòng)控制、互聯(lián)網(wǎng)信息化以及設(shè)備集成等先進(jìn)的科技作為變電站運(yùn)維管理的支撐，但是現(xiàn)階段電力系統(tǒng)管理的覆蓋面較小、統(tǒng)籌性較低，設(shè)備之間、設(shè)備與控制中心之間的信息交流方式還需要完善，當(dāng)面對(duì)突發(fā)狀況時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)的反應(yīng)速度較慢。雖然已經(jīng)對(duì)變電所和配電系統(tǒng)進(jìn)行綜合、自動(dòng)化改造，但是仍然存在一些問(wèn)題[1]。例如，當(dāng)電氣一次和二次設(shè)備與控制中心進(jìn)行信息交互時(shí)，一般都采用光纖有線的方式進(jìn)行通信，該方法費(fèi)用較高且布線比較煩瑣，不易排除線路的故障。另外，其通信接口和通信協(xié)議也沒(méi)有固定的模式，沒(méi)有達(dá)到較高的信息化水 平[2]。電氣設(shè)備彼此之間沒(méi)有太多的聯(lián)系，就如同一個(gè)個(gè)孤立的小島，需要人工才能將其運(yùn)行并建立連接。當(dāng)發(fā)生大量故障時(shí)，由于不能對(duì)其進(jìn)行自動(dòng)處理，因此必須由專門人員進(jìn)行干預(yù)，才能將其恢復(fù)到正常的狀態(tài)。綜上所述，現(xiàn)階段的變電站測(cè)控工作存在自動(dòng)化和智能化程度較低的問(wèn)題[3]。因此，采用一種可靠的智能測(cè)控系統(tǒng)可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)變電站在運(yùn)行中存在的問(wèn)題，從而減少電力事故的危害，保證電力設(shè)備順利運(yùn)行。

1 變電站測(cè)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

智能測(cè)控系統(tǒng)以各種不同功能的傳感器終端為監(jiān)測(cè)單元，以低功耗無(wú)線傳輸為信息交換方式，實(shí)現(xiàn)了集成變電站環(huán)境參數(shù)監(jiān)測(cè)、自動(dòng)報(bào)警、智能處理、視頻監(jiān)控以及目標(biāo)識(shí)別等功能的目標(biāo)，可以對(duì)整個(gè)變電站進(jìn)行智能化、自動(dòng)化管理[4]。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

該文設(shè)計(jì)的變配電站運(yùn)行環(huán)境智能測(cè)控系統(tǒng)由6個(gè)部分構(gòu)成，其目標(biāo)是對(duì)變電站環(huán)境中的溫度、濕度、SF6氣體濃度、水浸、燈光、局部放電以及目標(biāo)圖像等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和報(bào)告。設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的目的是對(duì)變電所及配電網(wǎng)中的主要環(huán)境參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并與執(zhí)行器進(jìn)行聯(lián)動(dòng)作業(yè)[5]。子系統(tǒng)可以有效地收集各種環(huán)境參數(shù)的數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)將其匯總并上傳到控制中心，確保控制中心可以實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地掌握變配電站運(yùn)行環(huán)境的狀況[6]。為了保證系統(tǒng)設(shè)計(jì)達(dá)到預(yù)期效果，掌握系統(tǒng)基本架構(gòu)后，圍繞主控芯片設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)、軟件功能，如圖2、圖3所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖3 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

2 變電站智能測(cè)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

在系統(tǒng)LoRa 模塊中引入無(wú)線電接收裝置，該裝置采用TCXO 晶振，可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸功能。要求該硬件的有效頻率覆蓋范圍為200 MHz～1 000 MHz，無(wú)線電接收裝置引腳功能見表1。

表1 無(wú)線電接收裝置引腳功能說(shuō)明

采用溫濕度傳感器芯片檢測(cè)變電站溫度、濕度。要求溫度測(cè)量范圍為-40 ℃ ～+125 ℃，相對(duì)濕度測(cè)量范圍為0%～99%。采用I2C 通信協(xié)議接口[7]。在通信方面，利用CRC 校驗(yàn)產(chǎn)生器可以提高數(shù)據(jù)通信的穩(wěn)定性、可靠性，以滿足不同的要求。溫濕度傳感器芯片檢測(cè)的溫度如公式（1）所示。

式中：T為溫濕度傳感器芯片檢測(cè)到的溫度；ST為溫度輸出信號(hào)二進(jìn)制碼。

利用公式（1）得到的溫度參數(shù)不會(huì)受分辨率的影響。同理，將濕度輸出信號(hào)二進(jìn)制碼代入公式（2）就可以得到相對(duì)濕度。

式中：RH為溫濕度傳感器芯片檢測(cè)的濕度；SRH為濕度輸出信號(hào)二進(jìn)制碼。

在該文的測(cè)控系統(tǒng)中設(shè)計(jì)電源既要考慮效率，又要考慮經(jīng)濟(jì)性，而且輸出必須具有一定的抗干擾能力。該文設(shè)計(jì)的電源模塊采用降壓開關(guān)變壓器芯片，輸出范圍為0.8 V～4.5 V，能夠連續(xù)輸出2 A 的穩(wěn)定電流，限流保護(hù)和過(guò)溫保護(hù)的效果較好。電源模塊的輸入為12.0 V 直流電，輸出為3.3 V 直流電[8]。該系統(tǒng)中的傳感器采用有限RS485 的方式進(jìn)行通信和下載更新程序。RS485 為半雙工通信方式，根據(jù)總線接口的電氣特性表示邏輯信號(hào)“0”和“1”，采用差分信號(hào)傳輸方式，有助于抑制噪聲信號(hào)。

3 通信協(xié)議選擇

星型拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的整體可靠性更強(qiáng)，更適用于該測(cè)控系統(tǒng)中傳感器設(shè)備類型狀況。在通信協(xié)議中，通過(guò)FDMA 區(qū)分業(yè)務(wù)信道和控制信道，利用TDMA 將時(shí)間平均劃分為小時(shí)隙，將相同時(shí)長(zhǎng)的小時(shí)隙分配給不同的傳感器。每個(gè)信道都需要完成劃分時(shí)間、配置時(shí)間參數(shù)的任務(wù)。不同時(shí)間參數(shù)類型及對(duì)應(yīng)時(shí)長(zhǎng)見表2。

表2 不同時(shí)間參數(shù)類型及對(duì)應(yīng)時(shí)長(zhǎng)

4 傳感器誤差補(bǔ)償算法計(jì)算

要對(duì)傳感器誤差進(jìn)行補(bǔ)償，就需要對(duì)小波軟閾值進(jìn)行去噪處理。結(jié)合時(shí)間和頻率2 個(gè)不同尺度，分別在時(shí)域和頻域內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行正交小波分解，以獲取小波系數(shù)。通過(guò)時(shí)間窗使小波能夠在時(shí)間軸上進(jìn)行平移，從而突出信號(hào)局部和整體特征。假設(shè)閾值為λ，新的小波系數(shù)如公式（3）所示。

式中：wλ為新的小波系數(shù)；w為通過(guò)正交小波分解得到的小波系數(shù)。

通過(guò)小波逆變換的方式重構(gòu)小波系數(shù)，以解析有效信號(hào)。如果隨機(jī)變量X服從一個(gè)期望為μ、標(biāo)準(zhǔn)差為σ2的正態(tài)分布，那么X滿足（μ～σ2）的關(guān)系，根據(jù)這一關(guān)系對(duì)傳感器誤差進(jìn)行補(bǔ)償。將采集的測(cè)量值輸入高斯過(guò)程回歸數(shù)學(xué)模型中，得到更接近真實(shí)值的擬合結(jié)果，從而對(duì)測(cè)控誤差進(jìn)行補(bǔ)償。

5 智能監(jiān)控算法設(shè)計(jì)

高清相機(jī)獲取的人臉圖像多為彩色，這些彩色圖像中蘊(yùn)含豐富的信息量，但是并不適用于采用人臉識(shí)別技術(shù)進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。此外，灰度圖像還可以代表整幅圖像的亮度等級(jí)分布特征，因此要對(duì)彩色面部圖像進(jìn)行灰度化，只保留容易識(shí)別特征的圖像信息，這樣可以提高識(shí)別效率，減少后續(xù)處理的計(jì)算量。圖像灰度化是指三路彩色圖像中原有的RGB 色彩模式被轉(zhuǎn)換成單路灰度圖，其實(shí)質(zhì)是一種灰度值矩陣。R、G和B分別對(duì)應(yīng)紅色、綠色和藍(lán)色，其取值為0～255。灰度圖像上的每個(gè)像素點(diǎn)在0～255 變化，它代表圖像的亮度信息，通過(guò)對(duì)不同點(diǎn)之間亮度的差異進(jìn)行分析，就能識(shí)別面部輪廓。灰度轉(zhuǎn)換的函數(shù)如公式（4）所示。

式中：Grey為灰度轉(zhuǎn)換函數(shù)；R、G和B分別為RGB 值。

在測(cè)控系統(tǒng)中，防護(hù)檢測(cè)器主要以Pycharm 和Python 軟件為基礎(chǔ)，它的工作流程如下：將采集的圖像送入訓(xùn)練好的Yolo5.n 模型中進(jìn)行檢測(cè)，對(duì)圖像中的人體和防護(hù)安全帽進(jìn)行識(shí)別。如果識(shí)別失敗，就繼續(xù)進(jìn)行圖像采集。如果識(shí)別成功，就會(huì)進(jìn)入置信度判斷。該文設(shè)置的置信度閾值為0.3，當(dāng)置信度大于0.3 時(shí)，就會(huì)輸出結(jié)果；當(dāng)置信度小于0.3 時(shí)，就會(huì)返回，繼續(xù)進(jìn)行圖像采集。

6 系統(tǒng)測(cè)試

搭建測(cè)試平臺(tái)檢驗(yàn)該系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中是否能發(fā)揮預(yù)期的效果。在測(cè)試平臺(tái)中，將各類傳感器上電，并通過(guò)數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點(diǎn)與主機(jī)進(jìn)行無(wú)線通信，以前端監(jiān)控主機(jī)作為控制中心的核心管理設(shè)備，集成各種環(huán)境參數(shù)顯示報(bào)警。

在完成測(cè)試平臺(tái)的搭建工作后，使用該系統(tǒng)測(cè)試無(wú)線通信的準(zhǔn)確率，設(shè)定測(cè)試環(huán)境溫度為22 ℃，測(cè)試環(huán)境濕度為50%～60%，測(cè)試信號(hào)的發(fā)射信號(hào)為433 MHz。在規(guī)范環(huán)境下測(cè)試系統(tǒng)報(bào)文上傳、下發(fā)的準(zhǔn)確率，在測(cè)試過(guò)程中，將無(wú)線通信距離作為變量，將不同距離下傳感器的報(bào)文收發(fā)準(zhǔn)確率作為檢驗(yàn)指標(biāo)，結(jié)果見表3。

表3 不同距離下傳感器的報(bào)文收發(fā)準(zhǔn)確率

在完成上述測(cè)試后，對(duì)系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程進(jìn)行安全測(cè)試，測(cè)試結(jié)果見表4。

表4 系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的安全測(cè)試

7 結(jié)語(yǔ)

變電站是新時(shí)代智能電網(wǎng)中不可或缺的一部分，有效管理變電站的工作環(huán)境是確保變電站安全穩(wěn)定運(yùn)行的關(guān)鍵。變電站多位于邊遠(yuǎn)山區(qū)，所處自然環(huán)境復(fù)雜，各種電氣設(shè)備須長(zhǎng)時(shí)間滿負(fù)荷運(yùn)行。由于傳統(tǒng)變電站沒(méi)有對(duì)環(huán)境參數(shù)進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)，且視頻監(jiān)控的智能程度較低，因此在一定程度上給變電站的生產(chǎn)環(huán)境帶來(lái)了嚴(yán)重的影響。為了保障變電站的運(yùn)行安全，管理單位建立嚴(yán)格的電氣設(shè)備檢修制度，在每年或每季選擇數(shù)個(gè)工作日，由員工對(duì)變電站運(yùn)行設(shè)備進(jìn)行逐一檢查、排查。截至目前，雖然已有了一定的研究成果，但是仍然不能及時(shí)地反映電力系統(tǒng)的實(shí)際工作狀態(tài)。

該文設(shè)計(jì)相關(guān)系統(tǒng)并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，得出以下結(jié)論：由不同距離下傳感器的報(bào)文收發(fā)準(zhǔn)確率、系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的安全測(cè)試結(jié)果可知，該系統(tǒng)中的傳感器基本可以在＜1000m 條件下對(duì)報(bào)文信息進(jìn)行高精度無(wú)線傳輸；同時(shí)，系統(tǒng)中的各個(gè)傳感器與硬件設(shè)備均通過(guò)了安全測(cè)試，說(shuō)明根據(jù)該文設(shè)計(jì)的方法進(jìn)行測(cè)試系統(tǒng)開發(fā)可以提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性、連續(xù)性和穩(wěn)定性。