杜 珂，蘇淑敏，于樹海，國家棟，羅 喜

(廣西電網(wǎng)公司南寧供電局，廣西 南寧 530000)

0 引言

電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行關(guān)系到國計(jì)民生，在運(yùn)行過程中出現(xiàn)任何錯誤都將會造成無法估量的損失[1-2]。變電站是智能電網(wǎng)中不可或缺的一個環(huán)節(jié)，傳統(tǒng)的變電站巡視巡檢系統(tǒng)普遍存在效率低下以及準(zhǔn)確性偏低等缺點(diǎn)，無法滿足現(xiàn)階段電網(wǎng)發(fā)展需求。因此，需要研究一套集智能化和自動化于一體的變電站巡檢巡視系統(tǒng)。

國內(nèi)相關(guān)專家給出了一些比較滿意的研究成果。王強(qiáng)[3]分析工作面一線工人的勞動強(qiáng)度，將遠(yuǎn)程人員監(jiān)視作為自動化設(shè)計(jì)目標(biāo)，同時結(jié)合系統(tǒng)需求構(gòu)建智能巡檢系統(tǒng)；班福忱等[4]對企業(yè)科技化需求進(jìn)行分析，同時結(jié)合現(xiàn)代化技術(shù)構(gòu)建移動端巡檢系統(tǒng)，通過UML對系統(tǒng)應(yīng)有模塊進(jìn)行詳細(xì)的介紹和分析。在上述已有系統(tǒng)基礎(chǔ)上，本文設(shè)計(jì)并提出一種基于視頻監(jiān)控的變電站巡檢巡視系統(tǒng)。

1 基于視頻監(jiān)控的變電站巡檢巡視系統(tǒng)

分析當(dāng)前變電站的運(yùn)行情況，獲取變電站巡檢巡視系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)目標(biāo)，具體如下所述：

a.實(shí)現(xiàn)延伸巡視。當(dāng)人工進(jìn)行現(xiàn)場巡視的過程中[5-6]，由于部分設(shè)備安裝在比較高的位置，所以部分值班人員無法達(dá)到正常巡視的目的，對巡視質(zhì)量產(chǎn)生影響。借助有針對性的視頻監(jiān)控以及變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)，變電站的相關(guān)工作人員可以清楚觀察變電站的運(yùn)行情況，及時發(fā)現(xiàn)異常進(jìn)行報警。

b.開關(guān)柜內(nèi)安裝監(jiān)控設(shè)備。實(shí)時掌握電纜的出線狀態(tài)，可以對有效電纜進(jìn)行無死角巡查，有效避免人工巡檢過程中出現(xiàn)的盲區(qū)。

c.變電站設(shè)備實(shí)時全面監(jiān)測。根據(jù)設(shè)備構(gòu)建預(yù)置位和在線監(jiān)測以及保護(hù)信息之間映射關(guān)系，確保變電站可以有效實(shí)現(xiàn)視頻以及在線監(jiān)測等相關(guān)功能，同時還可以實(shí)現(xiàn)全景化監(jiān)測，確保巡視巡檢質(zhì)量得到有效增強(qiáng)。

d.工作效率的提升。確保變電站巡視巡檢任務(wù)高效以及快速地完成，同時還能夠?qū)⒀矙z報表以及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳和下載。

在進(jìn)行變電站巡檢巡視系統(tǒng)設(shè)計(jì)前期，需要通過電網(wǎng)統(tǒng)一監(jiān)測平臺得到對應(yīng)的變電站視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)。以此為依據(jù)，構(gòu)建基于視頻監(jiān)控的變電站巡檢巡視系統(tǒng)[7-8]。在統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，對系統(tǒng)的需求進(jìn)行分析，系統(tǒng)的業(yè)務(wù)處理流程為：登錄系統(tǒng)；獲取變電站設(shè)備的狀態(tài)數(shù)據(jù)；對狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理；編制巡檢巡視策略；視數(shù)聯(lián)動；數(shù)據(jù)上傳。

變電站巡檢巡視系統(tǒng)主要劃分為多個不同的模塊，每個模塊都有針對性的進(jìn)行設(shè)計(jì)和描述，具體組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于視頻監(jiān)控的變電站巡檢巡視系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)管理子系統(tǒng)

a.初始化設(shè)置模塊。根據(jù)變電站工作人員的權(quán)限和排班順序進(jìn)行用戶合理化安排，同時將模塊中的各個參數(shù)進(jìn)行初始化處理，如變電站設(shè)備和智能化改造以及工作的錄入和刪除等。

b.巡檢巡視維護(hù)模塊。定期對變電站進(jìn)行巡檢巡視，同時制定對應(yīng)的維護(hù)策略，確保變電站的穩(wěn)定運(yùn)行。

c.巡檢巡視方式選擇模塊。根據(jù)巡檢巡視系統(tǒng)的運(yùn)行情況和相關(guān)工作人員的巡視路線，需要制定合理的輪訓(xùn)方案，同時選取滿足變電站對應(yīng)的巡檢巡視方式。

d.記錄查詢模塊。對巡檢工作人員的巡檢日志以及狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)上傳的設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)進(jìn)行查詢，同時還能夠查看巡檢巡視任務(wù)的完成情況。

e.系統(tǒng)報警模塊。對變電站巡檢巡視過程中出現(xiàn)的異常情況及時進(jìn)行報警處理，相關(guān)工作人員給出對應(yīng)的處理措施。

1.2 狀態(tài)監(jiān)測子系統(tǒng)

a.紅外成像在線分析模塊。獲取變電站設(shè)備的熱力圖，當(dāng)圖像溫度正常時繼續(xù)進(jìn)行監(jiān)測，在圖像發(fā)生異常時需要定位故障發(fā)生的具體坐標(biāo)位置，同時進(jìn)行報警，將數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)服務(wù)器。

b.變電站異常檢測模塊。采用智能巡視巡檢方式判定系統(tǒng)是否發(fā)生故障，如果系統(tǒng)發(fā)生故障[9-10]，則直接切換到人工巡檢模式。

c.容性設(shè)備絕緣監(jiān)測模塊。對變電站設(shè)備中各種容性設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和分析，同時制定對應(yīng)的運(yùn)行參數(shù)表。一旦出現(xiàn)異常，系統(tǒng)會立即啟動報警服務(wù)，同時將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)服務(wù)器。

d.避雷器在線監(jiān)測模塊。對避雷器的泄漏電流或者阻性電流等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，制定避雷器運(yùn)行參數(shù)表，當(dāng)避雷器發(fā)生異常時及時進(jìn)行報警，同時將異常數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)服務(wù)器。

e.變壓器在線監(jiān)測模塊。對變壓器內(nèi)部含油量的各種成分進(jìn)行檢測，形成參數(shù)報表，當(dāng)任意一項(xiàng)指標(biāo)低于設(shè)定的閾值，則說明變壓器異常，發(fā)生報警，同時將數(shù)據(jù)上傳至系統(tǒng)服務(wù)器。

1.3 智能輔助控制子系統(tǒng)

a.視頻一體化聯(lián)動模塊。對變電站設(shè)備進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控，當(dāng)接收一次設(shè)備故障信息，故障點(diǎn)附近的攝像頭會形成聯(lián)動反應(yīng)，轉(zhuǎn)向故障點(diǎn)，記錄變電站設(shè)備具體故障情況，同時將故障視頻信息進(jìn)行上傳。

b.變電站燈光遠(yuǎn)控模塊。當(dāng)打開視頻后，通過遠(yuǎn)控指令或者預(yù)定義的打開時間自動開啟燈光，在晚間會有自動補(bǔ)光功能。

c.變電站安防監(jiān)測模塊。重點(diǎn)針對變電站區(qū)域中沒有獲取訪問權(quán)限的人或者物進(jìn)行檢測和報警。

d.變電站空調(diào)遠(yuǎn)控模塊。根據(jù)初始化空調(diào)自動開啟的模式，定時或者遠(yuǎn)程開啟，同時還需要對空調(diào)的運(yùn)行模式以及溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

e.變電站環(huán)境監(jiān)測模塊。對變電站研究區(qū)域內(nèi)的溫度、濕度以及污染物的分布情況等相關(guān)信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

2 變電站紅外圖像異常檢測方法

對變電站紅外圖像進(jìn)行RGB值進(jìn)行校正以及映射等相關(guān)操作，最終獲取聚類所需要的數(shù)據(jù)集。

對于1個含有n個數(shù)據(jù)集的m維數(shù)據(jù)集而言，需要將其進(jìn)行聚類，組成k個簇，即變電站紅外圖像的多層分割，獲取最大類內(nèi)緊湊度取值S，計(jì)算式為

(1)

xi為第i個簇中心對應(yīng)的坐標(biāo)；δ為任意常數(shù)；dn為聚類相似度。

核函數(shù)主要是將線性不可分的數(shù)據(jù)映射到高維空間，同時放大數(shù)據(jù)之間的差異性，全面提升數(shù)據(jù)分類結(jié)果的準(zhǔn)確性[11-12]。

如果輸入空間樣本已經(jīng)被映射到特征空間中，則特征空間的歐幾里德距離dn(x,y)可以表示為

(2)

φ(x)和φ(y)為空間樣本的內(nèi)積。

通過核函數(shù)fk(x,y)替換式(2)中的內(nèi)積，即

(3)

dH(x,y)為聚類相似度。

以下主要通過高斯核函數(shù)進(jìn)行聚類，利用核貓群算法進(jìn)行優(yōu)化處理[13-14]，詳細(xì)的操作步驟如下所述：

a.在系統(tǒng)內(nèi)輸入相關(guān)參數(shù)，其中主要包含聚類數(shù)據(jù)集X以及簇的總數(shù)等相關(guān)參數(shù)。

b.對貓群算法中的各個參數(shù)進(jìn)行初始化處理。

c.通過分組率M隨機(jī)將貓分配到搜尋和跟蹤2種模式。其中，M為百分比。

d.判定貓?zhí)幱谒褜み€是跟蹤模式，判定是哪種模式則繼續(xù)執(zhí)行該模式。

e.假設(shè)貓所在的位置為聚類中心，對各個數(shù)據(jù)對象進(jìn)行聚類劃分，更新適應(yīng)度。

f.尋找并且記錄全局當(dāng)前最優(yōu)解。

g.假設(shè)滿足約束條件，則停止計(jì)算；反之，則返回至步驟c。

其中，貓所在位置主要包含2種搜尋模式，分別為搜尋模式和跟蹤模式。

2.1 搜尋模式

搜尋模式操作流程為：

a.將貓的自身位置復(fù)制j份到記憶池中，同時將當(dāng)前位置設(shè)定為候選位置之一。

b.通過CDC的大小，對SRD的大小進(jìn)行改進(jìn)，同時通過以下表達(dá)式調(diào)整貓的位置，即：

k=c∪(1-c)

(4)

(5)

k為貓所在位置的向量維數(shù)；D為SRD；c為需要進(jìn)行改變的維的集合；r為[0,1]之間的隨機(jī)數(shù)。

c.對記憶池中全部候選位置的適應(yīng)度取值進(jìn)行計(jì)算。

d.假設(shè)不是全部候選位置的適應(yīng)度取值都相同，需要根據(jù)式(6)計(jì)算出每個候選位置被選中的概率p1，即

(6)

Fmax和Fmin分別為最大和最小適應(yīng)度取值；Fb為第b個候選位置的適應(yīng)度取值。

2.2 跟蹤模式

跟蹤模式主要通過速度模型對貓的速度和位置進(jìn)行更新，詳細(xì)的操作步驟如下所述：

a.設(shè)定貓群所經(jīng)過的最好位置即目標(biāo)搜索到的最優(yōu)解。

b.檢測搜尋模式下的貓是否超過設(shè)定的最大速度，假設(shè)超過，則需要將其設(shè)定為最大速度。

c.根據(jù)式(7)對更新模式下貓的坐標(biāo)位置進(jìn)行更新，即

(7)

在上述分析的基礎(chǔ)上，主要通過搜尋和跟蹤2種模式對貓群中貓所在的位置進(jìn)行更新，同時采用函數(shù)組建對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)，根據(jù)多次迭代尋優(yōu)獲取紅外變電站設(shè)備的多層分割聚類結(jié)果[15]，最終實(shí)現(xiàn)變電站紅外圖像異常檢測。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證所提基于視頻監(jiān)控的變電站巡檢巡視系統(tǒng)的有效性，需要進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)測試。實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)從變電站巡檢巡視性能、平均測試時間以及誤報率3個方面展開。

3.1 變電站巡檢巡視系統(tǒng)巡檢巡視性能測試

為了有效測試本文系統(tǒng)的優(yōu)越性，優(yōu)先將變電站巡檢巡視性能作為測試指標(biāo)，分別采用3種不同的系統(tǒng)對變電站進(jìn)行巡視巡檢實(shí)驗(yàn)測試，具體實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2 測試對象1的測試結(jié)果

圖3 測試對象2的測試結(jié)果

由圖2和圖3可知，相比另外2種系統(tǒng)，本文系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)變電站中存在的異常，充分證明本文系統(tǒng)具有良好的巡視巡檢性能。

3.2 平均測試時間測試結(jié)果

為了進(jìn)一步驗(yàn)證本文系統(tǒng)的有效性，將平均測試時間設(shè)定為測試指標(biāo)，選取20個不同的方案對不同系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，詳細(xì)的測試對比結(jié)果如表1所示。

表1 不同系統(tǒng)的平均測試時間對比結(jié)果

表1(續(xù))

由表1可知，相比另外2種系統(tǒng)，本文系統(tǒng)的平均測試時間明顯更低一些。由于本文系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，加入了變電站紅外圖像異常檢測環(huán)節(jié)，這樣可以有效降低平均測試時間，以更快的速度完成變電站巡檢巡視。

3.3 誤報率測試結(jié)果

為了方便測試，選取本文系統(tǒng)和另外2種系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，將誤報率作為測試指標(biāo)，具體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

表2 不同系統(tǒng)的誤報率測試結(jié)果對比結(jié)果

由表2可知，由于本文系統(tǒng)引入了核貓群優(yōu)化算法對變電站紅外圖像進(jìn)行異常檢測，可以在變電站巡檢巡視過程中及時發(fā)現(xiàn)異常，進(jìn)行報警。相比另外2種系統(tǒng)，本文系統(tǒng)的誤報率得到有效降低，同時整體的巡檢巡視性能得到十分明顯的改善，充分驗(yàn)證了本文系統(tǒng)的優(yōu)越性。

4 結(jié)束語

變電站巡檢巡視系統(tǒng)主要通過不同的監(jiān)測以及通信技術(shù)完成不同類型輸電站設(shè)備的實(shí)時感知以及智能巡視功能。結(jié)合視頻監(jiān)控結(jié)果，設(shè)計(jì)并提出一種基于視頻監(jiān)控的變電站巡檢巡視系統(tǒng)。和已有測試系統(tǒng)相比，本文系統(tǒng)具有良好的巡檢巡視性能，同時還能夠有效降低系統(tǒng)的誤報率和平均測試時間。

由于研究時間有限，本文系統(tǒng)仍然存在一定得到的不足，后續(xù)將重點(diǎn)針對以下幾方面的內(nèi)容進(jìn)行改進(jìn)：

a.在變電站巡檢巡視系統(tǒng)中加入全新的通信技術(shù)。

b.對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，同時將引入數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，在已有數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，提出全新的設(shè)備檢修和維護(hù)策略。