基于RK3568開發(fā)板和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的電力系統(tǒng)智能化思路設(shè)計(jì)

羅杰

關(guān)鍵詞：RK3568 開發(fā)板；卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法；電力系統(tǒng)智能化

中圖分類號(hào)：TN409 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1研究背景

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)對(duì)于一個(gè)國家的國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展起著關(guān)鍵作用，而電力系統(tǒng)是基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域的重要一環(huán)。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行對(duì)于農(nóng)業(yè)、工業(yè)、商業(yè)服務(wù)業(yè)等一二三產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展至關(guān)重要。其中，農(nóng)業(yè)勞動(dòng)力短缺是農(nóng)業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)狀，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)越來越依賴于各種農(nóng)業(yè)機(jī)械，而農(nóng)業(yè)領(lǐng)域的大規(guī)模機(jī)械化生產(chǎn)離不開電力系統(tǒng)的支持，如農(nóng)業(yè)排灌、農(nóng)作物脫粒，以及農(nóng)產(chǎn)品的生產(chǎn)、加工和包裝等。

農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用的電價(jià)明顯低于工商業(yè)用電的價(jià)格，一般工商業(yè)的售電均價(jià)在0.6 元/（kW·h）以上，而農(nóng)業(yè)方面1 ～ 10 kV 的售電均價(jià)只有0.59 元/（kW·h），10 kV 以上的售電電價(jià)更是低于這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)。

在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)領(lǐng)域，農(nóng)業(yè)排灌和農(nóng)作物脫粒用電在1 ～ 10 kV 層面的售電均價(jià)更是低至0.439 0元/（kW·h），其中的尖峰電價(jià)不超過0.602 0 元/（kW·h），高峰電價(jià)也才0.541 8 元/（kW·h），低谷電價(jià)更是低到0.301 0 元/（kW·h）。電力系統(tǒng)為農(nóng)業(yè)生產(chǎn)提供質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的電力支持，這對(duì)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率的提升無疑是巨大的。

2 電力系統(tǒng)智能化的意義

2.1 幫助解決電網(wǎng)布局復(fù)雜的問題

電力系統(tǒng)的電網(wǎng)布局非常復(fù)雜。智能化的電力系統(tǒng)運(yùn)用數(shù)據(jù)模型可以應(yīng)對(duì)復(fù)雜的電網(wǎng)布局問題，構(gòu)建精密的模型可以保障電網(wǎng)系統(tǒng)的長久穩(wěn)定運(yùn)行。

2.2 應(yīng)對(duì)電網(wǎng)覆蓋面廣的問題

電力系統(tǒng)的電網(wǎng)覆蓋面非常廣泛，考慮到我國國土面積遼闊以及地形地貌復(fù)雜多樣的實(shí)際情況，電力系統(tǒng)全覆蓋會(huì)面臨現(xiàn)實(shí)困難。智能化的電力系統(tǒng)可以在廣袤的國土上實(shí)現(xiàn)智能運(yùn)行、智慧監(jiān)控，有效應(yīng)對(duì)電網(wǎng)布局廣的問題。

2.3 增強(qiáng)電網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)對(duì)自然災(zāi)害的能力

電網(wǎng)系統(tǒng)易遭受臺(tái)風(fēng)、雨雪冰凍天氣等自然災(zāi)害的侵襲，且易造成嚴(yán)重的破壞性后果。智能化的電力系統(tǒng)通過傳感器和物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)可以提前感知災(zāi)害的發(fā)生并且精準(zhǔn)捕捉問題的發(fā)生點(diǎn)，高效處理問題，提高了電網(wǎng)系統(tǒng)的抗風(fēng)險(xiǎn)能力。

2.4 降低人力成本

在低出生率的老齡化時(shí)代大背景下，如果單純依靠增加勞動(dòng)力的方式來建設(shè)電力系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)并解決問題，無疑會(huì)產(chǎn)生巨額成本并在一定程度上降低效率。電力系統(tǒng)智能化可以有效解決人力成本過高和工作效率低的問題。

2.5 提高管理效率

智能化電力系統(tǒng)利用變電智能巡視圖像算法可以實(shí)現(xiàn)一鍵順控、圖像判別、破損變形場(chǎng)景識(shí)別、表計(jì)狀態(tài)識(shí)別等多個(gè)功能。這對(duì)于全面把控電力系統(tǒng)和高效解決實(shí)際問題意義重大。

2.6 提供安全便捷服務(wù)

智能化電力系統(tǒng)可以提供智能化的服務(wù)，即使用戶是文化素質(zhì)不高的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者，智能化電力系統(tǒng)也可以提供安全、穩(wěn)定、便捷的電力服務(wù)。

2.7 助力農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化發(fā)展

農(nóng)業(yè)現(xiàn)代化離不開水肥一體化、植保無人機(jī)、全自動(dòng)收割脫粒烘干機(jī)以及農(nóng)業(yè)物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代農(nóng)業(yè)系統(tǒng)的支持，也離不開智能化電力系統(tǒng)的支持?，F(xiàn)代化的農(nóng)業(yè)系統(tǒng)和智能化電力系統(tǒng)相互配合，可以有效提升農(nóng)業(yè)生產(chǎn)效率，緩解農(nóng)業(yè)用工成本過高和勞動(dòng)力短缺的問題。

3 RK3568開發(fā)板介紹

RK3568 開發(fā)板作為電力系統(tǒng)智能化的核心組件（圖1），功能強(qiáng)大。RK3568 開發(fā)板和變電智能巡視圖像算法相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)線路跟蹤、視頻監(jiān)控、線路破損判別、電網(wǎng)管理輔助等多個(gè)功能。RK3568 開發(fā)板可以連接多個(gè)不同模塊，如射頻識(shí)別（radio frequency identification， RFID）模塊、高速串行計(jì)算機(jī)擴(kuò)展總線標(biāo)準(zhǔn)（peripheral componentinterconnect express， PCIE）千兆網(wǎng)卡、串口模塊、全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）模塊、SG90 舵機(jī)、步進(jìn)電機(jī)模塊、繼電器模塊、超聲波傳感器測(cè)距模塊、測(cè)溫傳感器模塊、DHT11溫濕度傳感器、姿態(tài)傳感器、有機(jī)發(fā)光二極管（organic light-emitting diode，OLED） 模塊、全彩LED 模塊、矩陣鍵盤模塊等，這對(duì)于實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)通信傳輸、智能定位、電力供應(yīng)、距離測(cè)算、信息感知、圖像識(shí)別、問題判別、信號(hào)展示、操控等功能的智能化非常重要。

4 卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法介紹

卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法是變電智能巡視圖像算法中的核心算法。卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的優(yōu)點(diǎn)在于大大壓縮了原始輸入圖像的信息體量，對(duì)于電網(wǎng)系統(tǒng)，利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法可以有效處理海量圖像并且實(shí)現(xiàn)快速提取、精準(zhǔn)識(shí)別和高效輸出。

4.1 選取輸入層

圖2 是輸入層的位置板。本文應(yīng)選取經(jīng)過卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法處理的圖像，一般是包含RGB[ 一種顏色模型，代表了紅色（red）、綠色（green）和藍(lán)色（blue）3 個(gè)顏色通道] 的二維彩色圖像。

4.2 挑選卷積核

圖3 為卷積核示例。根據(jù)梯度下降和逆向傳播的原則，一般會(huì)挑選體積較小的卷積核，盡量接近3×3×n，其中，n 是層數(shù)，這樣可以盡可能地提高計(jì)算精度。

4.3 特征提取

如圖4 所示，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法選擇圖像中最重要的信息點(diǎn)作為特征，如電力系統(tǒng)中線纜是否破損、變形，同時(shí)剔除無用的信息，如背景、其他設(shè)備等信息。

4.4 最大池化操作

需要指定池化區(qū)域大小和步幅大小，按照規(guī)定的步幅在輸入特征圖上滑動(dòng)，如圖5 所示，將輸入特征圖池化區(qū)域內(nèi)的數(shù)值和卷積核的數(shù)值相乘并加總，將最終結(jié)果輸出到新區(qū)域內(nèi)。式（1）～（3）是最大池化的公式。

4.5 扁平化處理

圖6 為扁平化處理流程，主要是將最大池化操作處理后新區(qū)域內(nèi)的數(shù)值按照順序從上到下排列成一維的數(shù)據(jù)條。

4.6 全連接層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)操作

全連接層對(duì)應(yīng)的是1×1 大小的濾波器卷積層，這樣可以和輸出層一一對(duì)應(yīng)，形成全連接。在該過程中將扁平化處理后得到的數(shù)據(jù)條作為輸入向量，乘以各自的權(quán)重，得到全連接層的輸出結(jié)果（y），其計(jì)算公式如下：

4.8 損失函數(shù)

利用交叉熵?fù)p失函數(shù)（L）進(jìn)一步減輕異常像素點(diǎn)的散列分步對(duì)于結(jié)果判定的干擾，有助于提高最終結(jié)果的精確性。交叉熵?fù)p失函數(shù)的計(jì)算如式（6）所示，側(cè)面輸出的損失函數(shù)的計(jì)算如式（7）所示。

5 RK3568開發(fā)板的優(yōu)勢(shì)

在電力系統(tǒng)智能化的時(shí)代背景之下，RK3568開發(fā)板是保障電力系統(tǒng)全網(wǎng)線路高效運(yùn)轉(zhuǎn)的關(guān)鍵一環(huán)，對(duì)電力系統(tǒng)各模塊之間的密切配合具有重要作用。在智能化電力系統(tǒng)中，RK3568 開發(fā)板可以應(yīng)用在各類電表的數(shù)據(jù)采集分析、繼電器保護(hù)、網(wǎng)關(guān)鏈路、回路巡檢、邊緣計(jì)算和AI 部署等功能設(shè)計(jì)中，幫助電器設(shè)備升級(jí)。

5.1 數(shù)據(jù)采集分析及控制管理

RK3568 開發(fā)板可以用于數(shù)據(jù)采集分析及控制管理，對(duì)于電力系統(tǒng)智能化意義重大。通過RS485、控制器局域網(wǎng)（controller area network，CAN）以及以太網(wǎng)等接口接入各類傳感器，借助強(qiáng)大的中央處理器（central processing unit，CPU），對(duì)配電變壓器和終端用電數(shù)據(jù)進(jìn)行解析計(jì)算。利用RK3568 開發(fā)板可以實(shí)現(xiàn)用電監(jiān)控、階梯定價(jià)、負(fù)荷管理、線損分析，還可以完成自動(dòng)抄表、錯(cuò)峰用電、用電檢查、負(fù)荷預(yù)測(cè)和節(jié)約用電成本等目標(biāo)[1]。

5.2 性能穩(wěn)定可靠

RK3568 開發(fā)板可以承受-40 ～ 85℃ 的溫度環(huán)境，可以用于配電管理系統(tǒng)終端，且面向的器件包括集中器、采集器、能源控制器、融合終端等智能終端，具備高性能、低功耗、溫度提升幅度低的特點(diǎn)。RK3568 開發(fā)板采用28 nm 四核A35 芯片，計(jì)算能力可達(dá)10 000 DMIPS（每秒測(cè)整數(shù)的計(jì)算能力）。與40 nm 四核A7 芯片相比，RK3568 開發(fā)板在同等條件下可將系統(tǒng)綜合性能提升40%，功耗降低10%，整體優(yōu)勢(shì)明顯，且長時(shí)間工作時(shí)的升溫幅度較小，性能穩(wěn)定可靠[2]。

5.3 安全防護(hù)和回路巡檢

RK3568 開發(fā)板在智能化電力系統(tǒng)中的安全防護(hù)和回路巡檢方面具有重要作用。因?yàn)殡娏ο到y(tǒng)對(duì)于生產(chǎn)、消費(fèi)以及運(yùn)營管理有著極為嚴(yán)格的要求，RK3568 開發(fā)板可以有效提升供電設(shè)備和用電設(shè)備的安全系數(shù)。通過傳感器、攝像頭、直流穩(wěn)壓電源等智能硬件設(shè)備，其可以采集環(huán)境數(shù)據(jù)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)溫濕度調(diào)控、人臉識(shí)別、煙霧報(bào)警、火災(zāi)應(yīng)急響應(yīng)等功能[3]。

在安全防護(hù)和回路巡檢方面，RK3568 開發(fā)板采用先進(jìn)制程，具備高性能、低功耗的特點(diǎn)，可以滿足不同場(chǎng)景下電力系統(tǒng)設(shè)備器件的安全等級(jí)需求。其可以進(jìn)行高安全系數(shù)的圖像信號(hào)處理（image signal processing，ISP）工作，支持圖像像素多級(jí)降噪，可進(jìn)行黑光全彩拍攝，內(nèi)置獨(dú)立的嵌入式神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)處理器（neural-network processingunit，NPU），支持山林防火、電網(wǎng)線路異常檢測(cè)等現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用智能算法，并且可以應(yīng)用在配電房、供電服務(wù)站、電網(wǎng)監(jiān)測(cè)運(yùn)行管理站房等現(xiàn)場(chǎng)[4]。

5.4 助力邊緣計(jì)算與AI 部署

RK3568 開發(fā)板可以助力邊緣計(jì)算與AI 部署。電網(wǎng)系統(tǒng)布局了規(guī)模龐大的設(shè)備器件，如電表設(shè)備、保護(hù)裝置、采集裝置、控制設(shè)備等。對(duì)于分布式發(fā)電、智慧儲(chǔ)能、用戶端產(chǎn)生的問題，邊緣計(jì)算與AI 部署可以滿足“端側(cè)本地化”高效運(yùn)行的需求，大大提高了運(yùn)行效率[5]。

RK3568 開發(fā)板內(nèi)置獨(dú)立的NPU，具有極高的算力并支持接口擴(kuò)展，便于快速進(jìn)行各類應(yīng)用場(chǎng)景的AI 部署，快速處理終端數(shù)據(jù)，有效支持?jǐn)?shù)據(jù)采集分析、數(shù)據(jù)系統(tǒng)管理等功能，可以緩解本地服務(wù)端面臨的壓力[6]。

RK3568 開發(fā)板采用8 nm 64 位高性能的CPU，可快速實(shí)現(xiàn)AI 部署[7]。

5.5 保障終端系統(tǒng)安全

RK3568 開發(fā)板可以提高電力系統(tǒng)終端的安全性能。電力系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)智能化對(duì)于提供安全、穩(wěn)定、可靠的電力系統(tǒng)至關(guān)重要，必須保障讀取控制、隱私保護(hù)、用戶認(rèn)證等領(lǐng)域的數(shù)據(jù)安全。除了數(shù)據(jù)安全以外，軟件層的及時(shí)響應(yīng)能力和穩(wěn)定可靠性也非常重要。RK3568 開發(fā)板對(duì)電力系統(tǒng)的應(yīng)用層軟件也進(jìn)行了有效保障，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

（1） 系統(tǒng)包容性。RK3568 開發(fā)板支持多種系統(tǒng)的組合形式，可以支持AMP（Alternate MACand PHY layer extension，是指交替使用的MAC 層和PHY 層擴(kuò)展）形式的嵌入式系統(tǒng)、全裸機(jī)系統(tǒng)、裸機(jī)系統(tǒng)+ 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（real time operatingsystem，RTOS）、裸機(jī)系統(tǒng)+Linux 以及裸機(jī)系統(tǒng)+RTOS+Linux 等情況。

（2）實(shí)時(shí)響應(yīng)能力。RK3568 開發(fā)板可以實(shí)現(xiàn)微秒級(jí)別的定時(shí)、通用輸入/ 輸出（general purposeinput/output，GPIO）接口中斷、任務(wù)調(diào)度響應(yīng)等功能。

（3）協(xié)同適配性。RK3568 開發(fā)板支持多種操作系統(tǒng)，如Android、Linux 以及統(tǒng)信、麒麟、翼輝、科東等國產(chǎn)操作系統(tǒng)。

（4）數(shù)據(jù)安全性。數(shù)據(jù)安全性已達(dá)國密級(jí)別，具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①采用通用漏洞披露（common vulnerabilities & exposures，CVE） 的運(yùn)行機(jī)制，在出現(xiàn)安全漏洞時(shí)及時(shí)打補(bǔ)丁，支持磁盤加密，保證數(shù)據(jù)不被竊取；②實(shí)行固件加密以及防回滾、全鏈路的安全機(jī)制；③可以啟動(dòng)SecureBoot（安全啟動(dòng)），防止固件參數(shù)被篡改；④使用基于Trustzone（信任區(qū)）的硬件隔離機(jī)制；⑤對(duì)開放便攜式的可信任執(zhí)行環(huán)境（open portable trustedexecution environment，OPTEE） 實(shí)施可信授權(quán)；⑥對(duì)于數(shù)據(jù)的訪問、硬件加密模塊，支持哈希、高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（advanced encryption standard，AES）、RSA（一種非對(duì)稱加密算法）、SM4 等加密算法；⑦對(duì)于存儲(chǔ)密鑰等關(guān)鍵敏感信息，支持安全的一次性密碼（one time password，OTP）[8] 。

6 結(jié)語與展望

現(xiàn)代化強(qiáng)國建設(shè)需要電力系統(tǒng)的支撐。智能化運(yùn)作有助于實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)全面布局、快速建設(shè)和高效管理的目標(biāo)。RK3568 開發(fā)板作為電力系統(tǒng)智能化的硬件，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法作為電力系統(tǒng)智能化的軟件算法，二者協(xié)同配合，可以提升電力系統(tǒng)智能化的水平。隨著電力系統(tǒng)智能化的應(yīng)用場(chǎng)景多元化、客戶需求高級(jí)化，RK3568 開發(fā)板和卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法對(duì)于電力系統(tǒng)領(lǐng)域人力成本的節(jié)約以及管理效率的提升更有意義。

當(dāng)前，國內(nèi)的電力系統(tǒng)面臨電網(wǎng)布局復(fù)雜度高、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)和用戶需求嚴(yán)格，以及數(shù)字化升級(jí)的挑戰(zhàn)。RK3568 開發(fā)板可以將數(shù)字技術(shù)應(yīng)用于電力系統(tǒng)智能化領(lǐng)域，有助于電力系統(tǒng)提升自身的感知能力、管理水平和運(yùn)行效率，促進(jìn)電力強(qiáng)國智能化建設(shè)。而且隨著智能化電力系統(tǒng)的完善，農(nóng)業(yè)生產(chǎn)也會(huì)從中受益良多，不僅可使人們享受較為低廉的電力價(jià)格，而且還會(huì)推動(dòng)越來越多的新型農(nóng)業(yè)生產(chǎn)設(shè)備投入使用，促進(jìn)農(nóng)業(yè)產(chǎn)量的提高、品質(zhì)的優(yōu)化、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)資源的整合、農(nóng)業(yè)產(chǎn)業(yè)的優(yōu)化布局。