人工智能技術(shù)視角下變電站二次設(shè)備智能巡檢技術(shù)

盧乾坤

摘? 要：電網(wǎng)系統(tǒng)安全性與可靠性直接關(guān)系到社會發(fā)展水平，在科技的進步與助力下，如今我國的變電站設(shè)備越發(fā)先進，性能越來越突出。電網(wǎng)系統(tǒng)以人工智能技術(shù)為核心，開發(fā)變電站二次設(shè)備智能巡檢技術(shù)，極大地提高變電站設(shè)備安全性，有效應(yīng)對變電站二次設(shè)備監(jiān)控與巡視需求。該文以人工智能技術(shù)視角下變電站二次設(shè)備智能巡檢技術(shù)為研究對象，從技術(shù)的裝置功能、特點、組成切入，分析該技術(shù)在變電站的應(yīng)用方法。通過深入分析得知，依靠人工智能技術(shù)的變電站二次設(shè)備智能巡檢技術(shù)能夠有效減少事故發(fā)生率，提高故障檢出率。

關(guān)鍵詞：人工智能；變電站；二次設(shè)備；智能巡檢；電網(wǎng)系統(tǒng)

中圖分類號：TM63? ? ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? 文章編號：2095-2945（2024）19-0171-04

Abstract： The security and reliability of power grid system are directly related to the level of social development. With the progress and help of science and technology， the substation equipment in our country is becoming more and more advanced and the performance is more and more outstanding. The power grid system takes artificial intelligence technology as the core， and develops the intelligent inspection technology of substation secondary equipment， which greatly improves the safety of substation equipment and effectively meets the needs of substation secondary equipment monitoring and inspection. This paper takes the intelligent inspection technology of secondary equipment in substation from the perspective of artificial intelligence technology as the research object， and analyzes the application method of this technology in substation from the function， characteristics and composition of the technology. Through in-depth analysis， it is found that the intelligent inspection technology of substation secondary equipment relying on artificial intelligence technology can effectively reduce the incidence of accidents and improve the fault detection rate.

Keywords： artificial intelligence; substation; secondary equipment; intelligent patrol; power grid system

能源對社會的發(fā)展影響是十分顯著的，電力作為社會能源的重要構(gòu)成，其可靠性、安全性是人們最關(guān)注的話題。電力系統(tǒng)中變電站屬于重要設(shè)施，肩負著電能轉(zhuǎn)化任務(wù)。長期運行中，變電站會出現(xiàn)故障、老化及磨損等問題，導(dǎo)致設(shè)備性能受到影響。對此，為確保電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運行，需要加強變電站的二次設(shè)備巡檢工作。過去人工巡檢方式不僅效率低，同時隱患排查不徹底。依托人工智能技術(shù)開發(fā)的智能巡檢技術(shù)能夠有效應(yīng)對效率低、排查不徹底問題，為電力系統(tǒng)高效、可靠運行提供支持。

1? 依托人工智能開發(fā)的變電站二次設(shè)備智能巡檢技術(shù)構(gòu)成

1.1? 狀態(tài)監(jiān)聽設(shè)備

1.1.1? 設(shè)備功能

設(shè)備包括6項功能，分別是：①采集狀態(tài)。能夠?qū)崟r采集與上送把手、空開、壓板信息。②誤動告警。當(dāng)誤動設(shè)備時，監(jiān)聽設(shè)備能夠發(fā)出聲光警報，上報設(shè)備異常信號。③操作指引。防誤系統(tǒng)與監(jiān)聽設(shè)備相結(jié)合，為設(shè)備操作提供燈光指引。④測量電壓。壓板上下端可以測量對地電壓。⑤智能巡視。自動化巡檢二次設(shè)備狀態(tài)，自動生成巡檢報告。⑥智能分析。智能識別設(shè)備運行狀況和異常。

1.1.2? 設(shè)備特征

狀態(tài)監(jiān)聽設(shè)備特點如下：①帶電安裝。安裝時可以帶電，對設(shè)備運行不會造成影響。②可靠與安全。電壓測量和狀態(tài)監(jiān)測采用非接觸方式，完全隔離二次回路，不會對二次回路運行造成不良影響。③靈活組網(wǎng)?？梢允褂脽o線或有線的組網(wǎng)方式，可靠、穩(wěn)定與方便。④通用性強。適用于各類把手、空開與壓板的狀態(tài)監(jiān)聽。⑤標準接口。使用同上位機規(guī)格相同的接口，按照標準規(guī)約運行。

1.1.3? 設(shè)備構(gòu)成

監(jiān)測裝置構(gòu)成主要為電壓采集裝置與狀態(tài)采集裝置。電壓采集裝置擁有2種檢測方式，包括接觸檢測與非接觸檢測，能夠從壓板的上下兩端測量對地電壓。狀態(tài)采集裝置擁有無線與有線2種模式，變電站改造使用導(dǎo)軌傳感器，新建變電站適合使用智能壓板。

1.2? 導(dǎo)軌傳感器

變電站改造中使用導(dǎo)軌傳感器，可以在不停電的狀態(tài)下安裝傳感器。使用UT-0355E、UT-0355F、UT-0355A等裝置配合實現(xiàn)相應(yīng)功能。采集器可以使用無線或有線2種通信模式。UT-0355E使用非浸入式設(shè)計，可以在不停電狀態(tài)下安裝，能夠采集空開或壓板狀態(tài)，用于各種型號空開和壓板，應(yīng)對各種設(shè)備間距和設(shè)備數(shù)量，出現(xiàn)異常時提供告警提示與燈光指引。UT-0355A集中采集設(shè)備狀態(tài)，同時支持有線與無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，可以讀取電腦鑰匙操作序列操作，出現(xiàn)壓板異常時可以發(fā)出聲光告警。

1.3? 智能壓板

新建變電站使用UT-0352智能壓板。UT-0352智能壓板使用紅外對射原理對壓板狀態(tài)進行檢測，其使用線簧壓板結(jié)構(gòu)，可以隨意拆卸壓板本體與檢測模塊，具有操作提示與告警功能，能自動下載地址。保護屏柜在出廠前需要完成智能壓板的安裝，構(gòu)成包括UT-0352和UT-0351。UT-0351包括UT-0351B和UT-0351C。UT-0351B使用集中采集——面屏，可以讀取電腦鑰匙操作序列，當(dāng)出現(xiàn)壓板異常時，UT-0351B可以發(fā)出聲光告警。UT-0351B安裝于保護屏，使用1U標準機箱。UT-0351C在開關(guān)柜中使用，使用抽屜式安裝，其他功能特點同UT-0351B一樣。

1.4? 二次遙控裝置

1.4.1? 設(shè)備功能

二次設(shè)備控制裝置包括下述功能：①遙控操作?？梢赃b控操作把手、空開與壓板，具備一鍵順控功能。②采集狀態(tài)。采集端電壓與設(shè)備狀態(tài)，上送信息。③手動操作。同時具備遙控操作與手動操作能力。④異常反饋。裝置機構(gòu)出現(xiàn)異常時，設(shè)備可以自動檢測與告警。

1.4.2? 設(shè)備特點

二次設(shè)備控制裝置特點包括如下內(nèi)容：①強適用性?？梢杂糜诟鞣N類型的把手、空開、壓板遙控改造。②閉環(huán)控制?？梢允褂眠b控操作檢測與反饋二次設(shè)備的運行狀態(tài)，具備閉環(huán)控制能力。③高可靠性。可以達到99.9%的遙控操作成功率。④短響應(yīng)時間。2 s內(nèi)完成遙控操作，第一時間上傳反饋信號。⑤長壽命。部件可使用10 000次以上，具有極高壽命。

2? 人工智能技術(shù)在變電站二次設(shè)備巡檢中的應(yīng)用

變電站二次設(shè)備巡檢技術(shù)中，人工智能技術(shù)的應(yīng)用依靠網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)切片的定義，將智能機器人、邊緣資源、無線通信網(wǎng)絡(luò)和5G網(wǎng)絡(luò)作為設(shè)備。使用邊緣節(jié)點控制智能機器人[1]。同時邊緣節(jié)點也可以用于智能機器人位置的實時繪制及運行軌跡解釋，依靠云端邊緣平臺達到相應(yīng)功能。云端邊緣平臺為網(wǎng)絡(luò)切片提供擴展，改進智能機器人性能，賦予智能機器人防撞功能[2]。架構(gòu)選擇中，所有邊緣節(jié)點都可以當(dāng)作COTS硬件平臺，于固定地面位置配置邊緣平臺。另外，邊緣節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)智能機器人上傳的數(shù)據(jù)，由電力公司傳輸處理智能機器人數(shù)據(jù)。依靠蜂窩網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)信息在邊緣節(jié)點之間的轉(zhuǎn)發(fā)[3]。

電力公司中心包含云端平臺，陰暗環(huán)境中依舊可以進行任務(wù)控制和管理車隊，具備可擴展能力。智能機器人在變電站的大部分區(qū)域應(yīng)用和覆蓋，根據(jù)需要提前對監(jiān)測區(qū)域進行劃分，實時監(jiān)控與檢測故障。使用人工智能算法搜集邊緣及節(jié)點數(shù)據(jù)，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

檢查期間智能機器人自主運行，需要自動充電能力。因此智能機器人需要配置自動識別充電設(shè)備功能，靠預(yù)設(shè)系統(tǒng)自動尋路，用無線傳輸?shù)姆绞綖橹悄軝C器人提供充電。云端平臺具備人工智能算法功能，不僅能自主學(xué)習(xí)，同時還能為智能機器人提供導(dǎo)航指導(dǎo)和充電指導(dǎo)。當(dāng)電池滿負荷的時候，告知智能機器人停止充電。通過算法技術(shù)支持，有效控制電磁效應(yīng)[4]。

本次開發(fā)的巡檢技術(shù)依托于5G網(wǎng)絡(luò)切片，保障云端平臺、邊緣節(jié)點、智能機器人通信可用、可靠。技術(shù)體系包括智能機器人、邊緣資源、無線通信和5G網(wǎng)絡(luò)，具備數(shù)據(jù)交換與處理能力[5]。使用網(wǎng)絡(luò)功能虛化編排與管理網(wǎng)絡(luò)切片，切片使用用戶面功能——網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化處理用戶數(shù)據(jù)，提供流量處理功能，包括更改、重定向、分組分類、分組檢查及防火墻。5G網(wǎng)絡(luò)切片具備控制平面優(yōu)化能力，可以為用戶提供豐富的資源，具備極強的數(shù)據(jù)傳輸速率。

因為邊緣節(jié)點和智能機器人使用電池供電，所以檢查期間應(yīng)確保智能機器人自主運行和連續(xù)運行。當(dāng)智能機器人不受控制或是中途斷電就會影響變電站正常運行[6]。

智能機器人與云端平臺在識別變電站二次設(shè)備損壞與故障中，需要依靠人工智能技術(shù)大量訓(xùn)練，以防出現(xiàn)誤報情況。當(dāng)出現(xiàn)誤報問題將影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性[7]。

邊緣節(jié)點在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)過程中，應(yīng)保障數(shù)據(jù)包傳輸可靠性與低延遲，使數(shù)據(jù)能夠順利發(fā)送到操作中心。為保障效果，應(yīng)使用路由協(xié)議定義。

2.1? 本地平臺

作為集中實體的云端平臺包括本地平臺和邊緣平臺。本地平臺主要負責(zé)5G設(shè)施與資源網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)，使用工具包達成網(wǎng)絡(luò)功能。本地平臺可以用于變電站二次設(shè)備的故障檢測，具有人工智能算法。使用實體管理的方式，處理數(shù)據(jù)問題。依靠非監(jiān)督與監(jiān)督學(xué)習(xí)技術(shù)訓(xùn)練算法，具備變電站二次設(shè)備結(jié)構(gòu)故障、電力線故障、自主巡檢故障識別能力，依靠精準識別技術(shù)消除故障。人工智能算法的體現(xiàn)，表現(xiàn)為機器人安裝的多光譜傳感器、激光雷達傳感器與熱傳感器，搜集空間數(shù)據(jù)后進行訓(xùn)練。

識別故障的過程中，在應(yīng)用算法對設(shè)施故障檢測前，需要經(jīng)歷一系列的初始訓(xùn)練，用于學(xué)習(xí)判斷正常行為與異常行為的區(qū)別，依靠下述模塊進行操作。

第一，分析時間間隔。時間間隔的預(yù)定義窗口中查看電子設(shè)備組件，對組件數(shù)據(jù)和狀態(tài)進行診斷。數(shù)據(jù)可以用于有效荷載的響應(yīng)與學(xué)習(xí)，計算響應(yīng)組件分數(shù)。根據(jù)響應(yīng)荷載情況，當(dāng)發(fā)生改變會出現(xiàn)更高分數(shù)。相較于學(xué)習(xí)階段窗口分數(shù)，高分數(shù)表明電子器件存在異常。

第二，圖像檢查。分析智能機器人所取得的空間數(shù)據(jù)信息，可以健康檢測各種設(shè)施的非電子部件。本地平臺檢測中的度量指標為故障發(fā)生率，使用

式中：Tn為故障例外；Tp為實際故障；Dc為數(shù)據(jù)總量。Tn異常并不會導(dǎo)致故障檢測被觸發(fā)。故障發(fā)現(xiàn)率完全按照本地平臺規(guī)則操作，可以防止故障誤報問題發(fā)生。另外，假故障率同樣是未發(fā)現(xiàn)故障率的參考指標。本地平臺不僅可以分析數(shù)據(jù)，診斷智能機器人運行情況，同時還能隨時更新智能機器人的組件。

2.2? 邊緣平臺

將邊緣平臺設(shè)置在邊緣節(jié)點，使用超可靠的低延遲通信（URLLC）切片對其進行擴展，邊緣平臺按照ETSI MEC ISG體系結(jié)構(gòu)操作。Vi IMproved編輯器（VIM）同平臺NFV MANO交互，接受節(jié)點網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化與虛擬鏈路指令。如圖2所示。

初始環(huán)節(jié)智能機器人同資源結(jié)構(gòu)組件交換數(shù)據(jù)，接口的擴展以Linux Foundation Fledge框架為基礎(chǔ)，具備隔離應(yīng)用程序能力，不僅可以用于VIM，同時也可以用于中軌道地球衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)（MEO）。另外，數(shù)據(jù)交換與處理使用多接入邊緣計算（MEC）平臺，平臺包括用戶面功能（UPF）。平臺與GPS衛(wèi)星建立通信功能，可以為智能機器人的運行提供準確軌跡和地理位置，保障了GPS穩(wěn)定性，避免了外界因素造成的干擾和路徑衰落。尤其是城市地區(qū)，依靠GPS衛(wèi)星通信，可以保障智能機器人發(fā)揮應(yīng)有作用。智能機器人同邊緣節(jié)點靠專用天線通信。除此之外，邊緣節(jié)點擁有交通路由能力，避免智能機器人巡檢期間碰撞。邊緣平臺匯總各種機器人數(shù)據(jù)，減少通信回路，保障數(shù)據(jù)決策效率。通過封裝機器人數(shù)據(jù)到互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議實現(xiàn)目標，使用邊緣平臺Fledge接口解釋。邊緣平臺可以對數(shù)據(jù)傳輸頻率進行調(diào)節(jié)，保障資源利用率，進而延長電池壽命。邊緣平臺擁有API，可以與NFV MANO通信。使用該接口時，可以對切片屬性進行轉(zhuǎn)換，將其變成AppD指令，用于邊緣實體虛擬連接配置的指導(dǎo)。結(jié)束操作后，NFV MANO啟動并激活切片。虛擬網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（VNF）部署于本地平臺與所有邊緣節(jié)點。VNF可以用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)奶幚怼?/p>

2.3? 安全機制

本次設(shè)計的巡檢技術(shù)具備抵御網(wǎng)絡(luò)攻擊能力。網(wǎng)絡(luò)切片資源造成的網(wǎng)絡(luò)攻擊通常會導(dǎo)致5G設(shè)施被破壞，出現(xiàn)數(shù)據(jù)泄露情況。未授權(quán)實體能夠取得本地平臺控制權(quán)，進而依靠橫向移動技術(shù)訪問智能機器人或邊緣節(jié)點，導(dǎo)致城市停電。為避免上述問題發(fā)生，本地平臺使用授權(quán)機制，依靠基于角色權(quán)限的模型（RBAC）策略，用于限制用戶和平臺的各種操作，包括命令觸發(fā)、數(shù)據(jù)訪問。此外本次設(shè)計的系統(tǒng)使用對稱加密庫，可以為物聯(lián)網(wǎng)提供輕量級安全傳輸層協(xié)議（TLS），支持各種大小對稱會話密鑰。為避免MA VLink協(xié)議漏洞導(dǎo)致Dos攻擊和智能機器人被攻擊，本次所用技術(shù)使用本地平臺、邊緣節(jié)點VNF，用于監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)安全，負責(zé)控制命令和交換數(shù)據(jù)監(jiān)控。

本次所用技術(shù)使用威脅情報平臺協(xié)議與規(guī)則，以網(wǎng)絡(luò)流量分析和安全監(jiān)控框架（Zeek）規(guī)范模塊，按照智能機器人網(wǎng)絡(luò)協(xié)議規(guī)范進行異常狀況監(jiān)測，包括不支持，錯誤的消息、代碼及消息序列。由于許多協(xié)議為專有協(xié)議，不同制造商的規(guī)范不一致，所以使用反向工程交換控制命令與數(shù)據(jù)。應(yīng)用人工智能技術(shù)中的行為學(xué)習(xí)算法，在無線充電及設(shè)施檢查中，讓智能機器人形成控制命令基線與合法數(shù)據(jù)。當(dāng)巡檢中發(fā)現(xiàn)電力設(shè)施遭受網(wǎng)絡(luò)攻擊，邊緣平臺使用觸發(fā)防火墻、隔離受損節(jié)點等辦法應(yīng)對惡意實體與未授權(quán)攻擊。從檢測結(jié)果可知，智能巡檢效果遠好于傳統(tǒng)巡檢技術(shù)，見表1。

3? 結(jié)束語

綜上，本文以人工智能技術(shù)為基礎(chǔ)所運用的變電站二次設(shè)備智能巡檢技術(shù)，能夠使用實時監(jiān)測手段對變電站二次設(shè)備進行識別檢測，應(yīng)用深度學(xué)習(xí)技術(shù)診斷設(shè)備故障，實時檢測設(shè)備運行狀態(tài)。使用網(wǎng)絡(luò)功能虛擬化與邊緣計算手段，改善巡檢準確率，保障巡檢效果。結(jié)合實例分析可證，本次所用的巡檢技術(shù)在巡檢頻率、誤判量、準確率方面優(yōu)勢顯著，能夠顯著提高變電站設(shè)備安全性、可靠性，為人們提供高質(zhì)量的穩(wěn)定電力資源，值得大力推廣。

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