趙冀寧張 寧祖樹濤楊世博劉曉飛

(國網(wǎng)河北省電力有限公司超高壓分公司,河北 石家莊 050000)

0 引言

近年來,“新基建”得到進(jìn)一步發(fā)展,5G 基建、特高壓、大數(shù)據(jù)中心、工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域加快建設(shè)步伐[1],大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)、人工智能等技術(shù)也逐漸應(yīng)用于電力系統(tǒng)各個(gè)環(huán)節(jié)[2],尤其在電力營銷服務(wù)[3]、調(diào)度運(yùn)維監(jiān)控[4]、設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測[5]等方面,已經(jīng)能夠做到對大量信息的快速篩選、高效處理和對各類在運(yùn)設(shè)備狀態(tài)的實(shí)時(shí)感知。而在電力運(yùn)維檢修作業(yè)管控的高效性、實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性方面與其他專業(yè)相比仍存在較大差距[6]。

電力運(yùn)維檢修主要包括設(shè)備驗(yàn)收、例行檢修、缺陷處理、大修技改等。目前,檢修專業(yè)的作業(yè)質(zhì)量主要依賴于檢修人員現(xiàn)場把控,“應(yīng)修必修,修必修好”這一檢修理念只能通過痕跡化的紙面記錄來保證[7]。此外,檢修用工器具、儀器儀表及設(shè)備所能反映出的檢修質(zhì)量(如可量化的力矩值、試驗(yàn)數(shù)據(jù)、真空度等關(guān)鍵信息)缺乏實(shí)時(shí)感知[8];檢修質(zhì)量缺乏遠(yuǎn)程傳輸及監(jiān)控手段,僅記錄于紙質(zhì)文檔中,管理人員無法及時(shí)了解現(xiàn)場檢修情況,導(dǎo)致現(xiàn)階段的管控效率低,各層級(jí)管理缺乏穿透性。

在變電站運(yùn)維檢修管控方面,國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[9]提出了一種“傳統(tǒng)安全+物聯(lián)網(wǎng)安全”的新型管控模式,建立基于RFID 的可移動(dòng)電子圍欄檢測系統(tǒng)、基于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測的人員行為軌跡監(jiān)控系統(tǒng)、基于便攜式設(shè)備的安全監(jiān)控系統(tǒng)、基于GPS的車輛定位監(jiān)控系統(tǒng)以及一體化智慧監(jiān)管云平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了對作業(yè)現(xiàn)場全方位、一體化的遠(yuǎn)程管控;文獻(xiàn)[10]利用可穿戴設(shè)備無線傳感自組網(wǎng)技術(shù),實(shí)現(xiàn)了人體與環(huán)境的信息反饋以及工作人員的精準(zhǔn)定位,提升了電力施工安全性;文獻(xiàn)[11]提出了一種變電站施工作業(yè)人員安全管控方法,并開發(fā)了相應(yīng)的安全管控系統(tǒng),提升了變電站人員安全管控的效率和可靠性,增強(qiáng)了變電站施工作業(yè)的整體安全性;文獻(xiàn)[12]提出了一種基于北斗定位的變電站作業(yè)人員行為安全管控系統(tǒng),利用三維激光掃描技術(shù)對變電站進(jìn)行三維建模,并構(gòu)建三維數(shù)字地圖,利用超寬帶UWB+北斗的一體化定位技術(shù),實(shí)現(xiàn)變電站作業(yè)人員室內(nèi)外高精度定位,最后將智能手環(huán)、北斗定位終端與電力工作票結(jié)合,實(shí)現(xiàn)了對變電站作業(yè)人員的實(shí)時(shí)定位以及行為安全的實(shí)時(shí)監(jiān)測,提升了變電站作業(yè)現(xiàn)場的安全管控水平。上述方法大都完成對變電站巡檢人員行動(dòng)軌跡及位置信息的管理,未實(shí)現(xiàn)對變電站內(nèi)檢修質(zhì)量及過程的有效管控,無法滿足當(dāng)今新型電力系統(tǒng)背景下輸變電數(shù)字化轉(zhuǎn)型的趨勢[13]。

為解決電力運(yùn)維檢修管控中存在的問題,針對變電站應(yīng)用需求,結(jié)合先進(jìn)傳感技術(shù)、系統(tǒng)集成技術(shù)、無線通信技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)等,從檢測裝備、管控系統(tǒng)等方面入手,實(shí)現(xiàn)對作業(yè)現(xiàn)場檢修質(zhì)量及過程的智能精益化管理。

1 變電站運(yùn)維檢修管控系統(tǒng)總體方案

變電站運(yùn)維檢修管控系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示,本系統(tǒng)主要由智能檢修裝備、檢修現(xiàn)場空間定位系統(tǒng)、檢修作業(yè)智能終端設(shè)備和后臺(tái)智能檢修質(zhì)量實(shí)時(shí)管控系統(tǒng)四部分組成,其功能流程如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

圖2 功能流程

智能檢修裝備為本系統(tǒng)監(jiān)測檢修質(zhì)量信息的硬件基礎(chǔ),主要包括智能檢修扳手、智能刀閘操作手柄和真空度測量裝置,具有檢修質(zhì)量信息精準(zhǔn)測量與無線數(shù)據(jù)回傳功能?；诔瑤抂1415](Ultra Wide Band,UWB)定位技術(shù),通過在檢修工況現(xiàn)場搭建定位基站,并將定位標(biāo)簽裝配于檢修裝備及巡檢人員,而后通過相關(guān)算法,實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位,便捷了檢修現(xiàn)場智能檢修裝備及巡檢人員的管理?；趲в蠷FID 功能的10.1 寸Android[16-17]平板,通過開發(fā)管控APP 軟件,構(gòu)建了檢修作業(yè)智能終端設(shè)備,可實(shí)現(xiàn)檢修裝備管理、檢修質(zhì)量評估、檢修任務(wù)派發(fā)、作業(yè)流程管控等功能。智能檢修質(zhì)量實(shí)時(shí)管控系統(tǒng)為后端綜合管控系統(tǒng)平臺(tái),可完成對智能檢修裝備及檢修作業(yè)智能終端的設(shè)備管理、檢修現(xiàn)場空間精準(zhǔn)定位與可視化展示、檢修作業(yè)信息的分析存儲(chǔ)、檢修任務(wù)的歸檔記錄等功能。

2 智能檢修裝備開發(fā)

2.1 方案概述

基于電力運(yùn)維檢修應(yīng)用需求,開發(fā)智能檢修扳手、智能檢修刀閘操作手柄和真空度測量裝置。結(jié)合現(xiàn)代先進(jìn)傳感技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、UWB 空間定位技術(shù)、射頻識(shí)別技術(shù)等技術(shù)支持,最終實(shí)現(xiàn)檢修質(zhì)量信息的精準(zhǔn)測量與無線數(shù)據(jù)回傳、檢修裝備的分米級(jí)空間定位、檢修裝備信息的識(shí)別獲取及設(shè)備管理等功能。

2.2 智能檢修扳手

在傳統(tǒng)檢修扳手基礎(chǔ)上內(nèi)嵌入高精度扭矩傳感器,當(dāng)檢修作業(yè)施加扭矩時(shí),可將施加扭矩轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào),實(shí)現(xiàn)扭力扭矩的精準(zhǔn)測量;引入NBIo T[18-19]技術(shù),采用WH-NB73-BA 型號(hào)NBIo T模塊,將所測扭矩信息數(shù)據(jù)加密處理,并按照既定通信協(xié)議通過數(shù)據(jù)透傳方式發(fā)送至Io T 平臺(tái),后臺(tái)智能檢修質(zhì)量實(shí)時(shí)管控系統(tǒng)可從Io T 平臺(tái)二次開發(fā)接口獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析校驗(yàn),從而實(shí)現(xiàn)扭力扭矩信息的高效無線數(shù)據(jù)回傳。此外,在檢修扳手上加裝空間定位標(biāo)簽與超高頻抗金屬電子標(biāo)簽,實(shí)現(xiàn)了智能檢修扳手在檢修工況現(xiàn)場的精準(zhǔn)定位與設(shè)備管理。智能檢修扳手擁有扭力設(shè)定、單位設(shè)定、數(shù)值儲(chǔ)存、數(shù)值清除、數(shù)值輸出、用戶校正、聲光報(bào)警以及無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?如圖3所示。

圖3 智能檢修扳手

智能檢修扳手屬性如表1所示。

表1 智能檢修扳手屬性

2.3 智能檢修刀閘操作手柄

在傳統(tǒng)刀閘操作手柄機(jī)械結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上串接入雙法蘭靜態(tài)扭矩傳感器,將其與外置JN-BSQDG 數(shù)字模擬變送器連接,并輸出4～20 m A、1～5 V 標(biāo)準(zhǔn)電流電壓信號(hào),完成扭矩信號(hào)至電信號(hào)的轉(zhuǎn)變,實(shí)現(xiàn)刀閘操作手柄靜態(tài)扭矩的精準(zhǔn)測量。

與上述智能檢修扳手同理,引入NBIo T 技術(shù),并加裝空間定位標(biāo)簽與超高頻抗金屬電子標(biāo)簽,以實(shí)現(xiàn)檢修扭矩信息的高效無線數(shù)據(jù)回傳、設(shè)備空間定位以及設(shè)備管理等功能,其實(shí)物結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 智能檢修刀閘操作手柄

智能檢修刀閘操作手柄屬性如表2所示。

表2 智能檢修刀閘操作手柄屬性

2.4 真空度測量裝置

真空度測量裝置的核心部件為Pirani電阻真空計(jì)[20]PRV101,其具有準(zhǔn)確度高、靈敏度高、抗電磁干擾等優(yōu)點(diǎn),可實(shí)現(xiàn)變電站內(nèi)油浸式變壓器油箱真空度的精準(zhǔn)測量。

與上述兩裝備同理,加裝NBIo T 模塊、空間定位標(biāo)簽與超高頻抗金屬電子標(biāo)簽等,以實(shí)現(xiàn)真空度數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)無線數(shù)據(jù)回傳、真空度測量裝置精準(zhǔn)定位以及設(shè)備管理等功能,其屬性參數(shù)如表3所示,圖5為真空度測量裝置實(shí)物結(jié)構(gòu)。

圖5 真空度測量裝置

表3 真空度測量裝置屬性

3 檢修現(xiàn)場空間定位系統(tǒng)開發(fā)

3.1 方案概述

基于超帶寬定位技術(shù),開發(fā)檢修現(xiàn)場空間定位系統(tǒng)。UWB技術(shù)具有系統(tǒng)簡單化、對信道衰落不敏感、低截獲能力、高定位精度等優(yōu)點(diǎn),可滿足電力檢修現(xiàn)場工況的應(yīng)用需求。

本系統(tǒng)采用“4基站+N 標(biāo)簽”定位模式,在檢修現(xiàn)場作業(yè)區(qū)域內(nèi)搭建定位基站,其中A0、A1和A2基站高于地表1 m,A3基站高于地表1.5 m,并將定位標(biāo)簽裝配于檢修裝備及巡檢人員,基站A0可將定位系統(tǒng)中所有的測距以及時(shí)間信息進(jìn)行數(shù)據(jù)加密處理,并按照既定通信協(xié)議通過數(shù)據(jù)透傳方式發(fā)送至Io T 平臺(tái),后臺(tái)智能檢修質(zhì)量實(shí)時(shí)管控系統(tǒng)可從Io T 平臺(tái)二次開發(fā)接口獲取數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析校驗(yàn),而后通過飛行時(shí)間測距ToF(Time of Flight)以及基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差TDOA(Time Different of Arrival)算法解算出定位區(qū)域內(nèi)所有定位標(biāo)簽的位置信息[2122],最終實(shí)現(xiàn)檢修現(xiàn)場智能檢修裝備及巡檢人員的實(shí)時(shí)精準(zhǔn)定位與可視化展示,系統(tǒng)示意如圖6所示。

圖6 檢修現(xiàn)場空間定位系統(tǒng)示意

3.2 檢修現(xiàn)場空間定位原理

UWB技術(shù)的測距原理為飛行時(shí)間測距法。ToF 為雙向測距技術(shù),其通過測量信號(hào)往返2個(gè)異步收發(fā)機(jī)的飛行時(shí)間從而計(jì)算得出節(jié)點(diǎn)間的距離。本系統(tǒng)采用基于信號(hào)到達(dá)時(shí)間差(TDOA)定位算法,根據(jù)信號(hào)到達(dá)待測目標(biāo)節(jié)點(diǎn)與定位基站的時(shí)間差來進(jìn)行定位;與其他定位算法相比,TDOA 定位算法精度較高,配置較為靈活,應(yīng)用較為廣泛。

3.3 檢修現(xiàn)場空間定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在檢修現(xiàn)場空間定位系統(tǒng)中,核心組件為采用“底板+模塊”架構(gòu)的UWB 定位模塊,其相關(guān)參數(shù)如表4所示。其既可以作為基站,也可以作為標(biāo)簽,可通過USB指令進(jìn)行設(shè)置。

表4 UWB定位模塊主要參數(shù)

4 檢修作業(yè)現(xiàn)場智能終端設(shè)備開發(fā)

4.1 方案概述

檢修作業(yè)現(xiàn)場智能終端設(shè)備在CENAVA A11T3型號(hào)三防安卓平板的硬件支撐基礎(chǔ)上開發(fā)APP軟件,并結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)以及射頻識(shí)別技術(shù),實(shí)現(xiàn)與智能檢修裝備以及后臺(tái)智能檢修質(zhì)量管控端的多端通信互聯(lián),為檢修作業(yè)現(xiàn)場實(shí)現(xiàn)智能檢修裝備管理、檢修質(zhì)量評估、檢修任務(wù)派發(fā)、作業(yè)流程管控等功能奠定了基礎(chǔ),研制方案如圖7所示。

圖7 智能終端設(shè)備研制方案

4.2 智能終端設(shè)備屬性

智能終端設(shè)備基本屬性如表5所示。

表5 智能終端設(shè)備基本屬性

4.3 智能終端設(shè)備APP軟件開發(fā)

4.3.1 智能終端檢修管控APP軟件開發(fā)

基于智能終端設(shè)備作為硬件支撐,開發(fā)智能終端檢修管控APP 軟件。開發(fā)中嚴(yán)格遵循實(shí)用性、安全性、先進(jìn)性、穩(wěn)定性以及可靠性等原則。

本軟件針對Android系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行開發(fā),綜合應(yīng)用Uni-App安卓開發(fā)技術(shù)、JSON 數(shù)據(jù)交換技術(shù)、C/S技術(shù)、Axios技術(shù)、MariaDB數(shù)據(jù)管理技術(shù)、Nodejs-Koa網(wǎng)絡(luò)框架等,最終實(shí)現(xiàn)了智能終端檢修管控APP軟件的開發(fā)與功能應(yīng)用。

4.3.2 智能終端檢修管控APP軟件功能實(shí)現(xiàn)

智能終端檢修管控APP軟件可實(shí)現(xiàn)對智能檢修扳手、智能刀閘操作手柄以及真空度測量裝置等智能檢修裝備的設(shè)備管理;可將檢修作業(yè)質(zhì)量信息進(jìn)行可視化展示與質(zhì)量評估;還可實(shí)現(xiàn)檢修任務(wù)的設(shè)定與派發(fā)以及作業(yè)流程的管控等功能。

5 智能檢修質(zhì)量實(shí)時(shí)管控系統(tǒng)開發(fā)

基于云服務(wù)器,開發(fā)智能檢修質(zhì)量實(shí)時(shí)管控系統(tǒng),其性能參數(shù)如表6 所示。本系統(tǒng)平臺(tái)在Ubuntu操作系統(tǒng)下進(jìn)行開發(fā),綜合運(yùn)用HTTP和WebSocket網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、MariaDB 數(shù)據(jù)管理技術(shù)、Nginx Web 服務(wù)器、Vue2+Echarts技術(shù),最終實(shí)現(xiàn)了對智能檢修裝備及智能終端的設(shè)備管理、檢修現(xiàn)場空間精準(zhǔn)定位與可視化展示、檢修作業(yè)信息的分析存儲(chǔ)、檢修任務(wù)的歸檔記錄等功能。

表6 服務(wù)器參數(shù)

6 結(jié)束語

基于電力運(yùn)維檢修管控現(xiàn)狀和應(yīng)用需求開發(fā)了變電站運(yùn)維檢修管控系統(tǒng)。本系統(tǒng)通過在變電站工況現(xiàn)場“硬件裝置+軟件系統(tǒng)”的整合應(yīng)用,實(shí)現(xiàn)了檢修質(zhì)量信息的實(shí)時(shí)反饋、結(jié)果可視化以及作業(yè)流程的有效管控,提高了變電站檢修管控的效率與智能化水平。本系統(tǒng)與以往的管控系統(tǒng)相比有一定的優(yōu)勢,可滿足檢修現(xiàn)場作業(yè)應(yīng)用需求,可實(shí)現(xiàn)對作業(yè)現(xiàn)場檢修質(zhì)量及過程的遠(yuǎn)程化、數(shù)字化、穿透式管理,有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。在后續(xù)的研究工作中,可嘗試增強(qiáng)監(jiān)測檢修質(zhì)量信息的多樣性,并改善與上級(jí)運(yùn)維系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)共享與融合應(yīng)用。