國家管網(wǎng)集團深圳天然氣有限公司 龔 亮

在人工智能技術(shù)興起初始，已在變電站上進行了“智能化”嘗試，研究的側(cè)重點在專家系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術(shù)方面，簡單來說就是引用拍攝場景來實現(xiàn)一些簡單的在線監(jiān)測和故障診斷工作，但由于初始時的算法、數(shù)據(jù)及算力等方面還不夠成熟，網(wǎng)絡傳輸延遲、傳感器精度不足、拍攝像素低等因素制約，導致在實際應用中未能獲得預想中的效果。隨著“5G網(wǎng)絡”數(shù)據(jù)傳輸、傳感器技術(shù)、云計算技術(shù)和AR呈現(xiàn)技術(shù)等多種人工智能技術(shù)的研發(fā)逐漸成熟，以往的技術(shù)難題都得到不同程度的突破，這些技術(shù)驅(qū)使傳統(tǒng)變電站走向高自動化、智能化及數(shù)字化的方向發(fā)展。

3D數(shù)據(jù)平臺主要是通過構(gòu)建起三維模型方式，再運用多圖層立體可視化將變電站中所有的設施設備展示出來，主要是構(gòu)建成了三維立體數(shù)字化和可視化的物理模型，該模型中的各項坐標都與實際場景呈現(xiàn)一一對應，切實展現(xiàn)出變電站的全景，實現(xiàn)實時監(jiān)控與數(shù)據(jù)共享，做到實景交互及同景感知。3D數(shù)據(jù)平臺也會與在線監(jiān)測系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)等實現(xiàn)融合，在平臺中可視化展示出設備運行狀態(tài)、遙測信息、檢修狀態(tài)、電網(wǎng)遙測及異常告警狀態(tài)等，進一步提升了變電站多系統(tǒng)間的交互水平，促進著變電站智能運行管理的有效性[1]。

1 以3D數(shù)據(jù)平臺為基礎的變電站智能系統(tǒng)分析

1.1 以3D數(shù)據(jù)平臺為基礎的變電站智能巡檢系統(tǒng)

多數(shù)傳統(tǒng)的變電站都搭配了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但由于攝像機視角受限，以及無法有效的識別設備是否存在異常和故障，因此主要還是依賴人工來完成巡檢工作，但不確定因素較多：巡檢質(zhì)量受巡檢人員的責任心影響，加上長時間同樣的工作容易導致精神疲勞和工作懈怠，導致設備問題無法被及時發(fā)現(xiàn)；如廠區(qū)內(nèi)存在多個變電站且路途較遠，則需耗費較多的時間和精力去完成巡檢工作；人工巡檢會受到外部環(huán)境、氣候等因素的影響，巡檢效果波動大，后續(xù)管理的成本較高。此外工作人員在變電站內(nèi)巡檢，必然會穿行在帶電設備之間，甚至需觸碰電氣設備外殼，當電氣設備出現(xiàn)漏電等故障時可能會對巡檢人員造成傷害。

隨著近年高新技術(shù)的發(fā)展，不僅計算機設備本身的性能得到提升，人工智能技術(shù)、通信技術(shù)、圖片識別技術(shù)、高清攝像技術(shù)及視頻監(jiān)控技術(shù)等都廣泛運用到多個領域中。這些技術(shù)運用在變電站巡檢工作中能大幅度提升巡檢的力度、效率及質(zhì)量，使綜合性智能技術(shù)很大程度上可替代人工巡檢。基于3D數(shù)據(jù)平臺的變電站智能巡檢系統(tǒng)主要功能，是采用智能巡視機器人在既定軌道或線路上對主控室、配電室進行自動巡檢，當發(fā)現(xiàn)設備出現(xiàn)異常狀態(tài)或安全隱患時能主動上報，對于一些已錄入程序的簡單故障也可自行處理，保障整個電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，進一步提升輸配電的可靠性。因此，智能巡檢系統(tǒng)雖是較基礎的智能化手段，但也是智能變電站中必不可少的一項技術(shù)。

智能巡檢系統(tǒng)與變電站SCADA系統(tǒng)進行信息交互時，可遠程智能化識別刀閘設備狀態(tài)和異常情況，方便對設備狀態(tài)進行綜合判斷。在這種智能系統(tǒng)的作用下巡檢發(fā)現(xiàn)設備異常變得更加敏銳，能根據(jù)故障類別及時做出相應預警。當開關設備發(fā)生倒閘操作時，該系統(tǒng)可控制機器人根據(jù)管理人員的需要調(diào)整站位進行遠程監(jiān)控，甚至可根據(jù)遠程命令對開關設備進行分合斷路器、操縱地刀等操作，避免了可能出現(xiàn)的人身傷害。通過3D數(shù)據(jù)平臺來實現(xiàn)變電站智能化不僅可作用在巡檢，再配合其他高新技術(shù)給予的賦能，智能化變電站相較于傳統(tǒng)變電站的優(yōu)勢越來越明顯。

1.2 以3D數(shù)據(jù)平臺為基礎的變電站智能操作系統(tǒng)

如今的智能化變電站開始陸續(xù)引入AR技術(shù)、人工智能技術(shù)及UWB定位技術(shù)等較為成熟的技術(shù)，使電力系統(tǒng)也開發(fā)出智能操作系統(tǒng)，具體對該系統(tǒng)的功能研究方向在于智能化檢修功能、對變電站的多種現(xiàn)場作業(yè)進行智能監(jiān)控功能等。

以變電站智能操作的檢修系統(tǒng)為例，其主要是綜合應用智能系統(tǒng)當中的多種數(shù)據(jù)，再進一步結(jié)合激光雷達定位技術(shù)、AR技術(shù)等實現(xiàn)變電站的智能操作。變電站智能操作系統(tǒng)的功能還包括智能化編制檢修方案、智能化管理檢修計劃、智能化把控檢修過程、對檢修提前進行預演等，優(yōu)勢就在于能進一步提升設計檢修的效率與質(zhì)量，還能盡可能降低操作的安全風險。

變電站的智能檢修系統(tǒng)在設計過程中，還應充分利用站內(nèi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)反映出設備運行狀態(tài)的原則，以便更好地開展設備檢修工作，這種智能化系統(tǒng)打破了以往各系統(tǒng)當中數(shù)據(jù)獨立性的特點，實現(xiàn)站內(nèi)數(shù)據(jù)交互并進行數(shù)據(jù)深入分析，最終的分析結(jié)果即能反映出變電站的所有設備運行狀態(tài)，將故障設備識別出來并發(fā)出警報，最后該系統(tǒng)會結(jié)合激光雷達技術(shù)及AR技術(shù)進一步制定出相應故障處理方案，其中基于AR技術(shù)的設備會直接鏈接3D數(shù)據(jù)平臺，進行數(shù)據(jù)的交互共享，能向管理人員反映出現(xiàn)場檢修工作開展的情況，也便于進行遠程指導，保障設備故障的順利排除[2]。

以變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)為例，該操作系統(tǒng)主要是運用UMB信號定位技術(shù)，再結(jié)合所有變電站的監(jiān)控設備，最終實現(xiàn)了基于3D數(shù)據(jù)平臺的智能化監(jiān)督模式。變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)能對整個作業(yè)區(qū)域進行三維可視化呈現(xiàn)，具有較高的定位水平，其定位的對象包括作業(yè)人員、作業(yè)設備等，同時還具備了誤碰報警響應的功能，進一步監(jiān)督相關作業(yè)人員的規(guī)范工作，避免由于監(jiān)管不到位而出現(xiàn)作業(yè)效率低問題，實際監(jiān)督具有實時性。

變電站的智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合UMB信號定位技術(shù)還采用了交點質(zhì)心的三維定位算法，直接將原本的二維監(jiān)控拔高到三維精準定位、可視化顯示以及監(jiān)控的形式，再結(jié)合電子安全圍欄技術(shù)進一步確定作業(yè)的圍欄，最后結(jié)果會被反饋到智能終端，同時在3D數(shù)據(jù)平臺顯示出來，智能終端能判定作業(yè)人員是否跨出了規(guī)定區(qū)域，避免人員出現(xiàn)過于危險的作業(yè)行為。

1.3 以3D數(shù)據(jù)平臺為基礎的變電站智能安全系統(tǒng)

為方便電能的輸電、變電、配電，電壓等級多、規(guī)模較大的工廠往往會設置多個變電站，導致變電站管理難度較大。若變電站管理上只依賴于人工，不僅難以做到電氣設備的有效管理，也會使安全管理效果降低。因此研發(fā)了變電站的智能安全監(jiān)控系統(tǒng)，其結(jié)合智能視頻識別技術(shù)與智能監(jiān)控技術(shù)，再搭配卷積神經(jīng)網(wǎng)絡算法，利用智能系統(tǒng)當中的數(shù)據(jù)交互可保證智能視頻的識別做到全覆蓋。智能安全監(jiān)控系統(tǒng)的核心技術(shù)為智能視頻識別技術(shù)，所有進入變電站的人員、包括表露出來的工具都可經(jīng)過大數(shù)據(jù)進行識別。

智能安全系統(tǒng)還可與其他系統(tǒng)進行交互，進一步確保作業(yè)人員進入到哪個作業(yè)區(qū)域及在該區(qū)域內(nèi)的權(quán)限，如與SCADA系統(tǒng)間的交互可進一步識別當天入站的所有工作人員及作業(yè)區(qū)域，其中還結(jié)合運用了人臉識別技術(shù)，通過人臉特征向量的獲取來識別身份，此外還具有區(qū)域化權(quán)限管理與監(jiān)控的功能，避免不經(jīng)過身份確認的人員進入到作業(yè)區(qū)域內(nèi)，會做出對應的異常報警響應，從而提升變電站的安全管理水平。

變電站的安全監(jiān)控系統(tǒng)另外一個主要功能是監(jiān)控整個作業(yè)過程中作業(yè)人員的危險行為，尤其是跨出安全作業(yè)區(qū)域、不佩戴安全裝備行為等。系統(tǒng)在判斷存在危險行為時會首先做出現(xiàn)場聲光警示，當不安全行為在一定的時間內(nèi)未更改，系統(tǒng)將異常信息直接反饋到監(jiān)控平臺，從而提醒運行管理人員進行人為干預，達到風險管控目的。

2 基于3D數(shù)據(jù)平臺的變電站智能系統(tǒng)關鍵技術(shù)分析

2.1 視頻監(jiān)控技術(shù)

變電站的智能安全監(jiān)控系統(tǒng)運行過程中，主要是在變電站的各個位置上安裝監(jiān)控相關區(qū)域的攝像機，這些攝像機作為拍攝終端，會將監(jiān)控到的影像數(shù)據(jù)傳輸給分析服務器，最后由分析服務器與其他系統(tǒng)間形成交互，對人員的實際身份、作業(yè)行為等進行識別，而為了盡可能提升識別的準確性以及實時性，關鍵在于3D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡的視頻監(jiān)控技術(shù)。

在視頻監(jiān)控技術(shù)中，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡會結(jié)合樣本量來構(gòu)建相應模型，同時還會獲得模型的相應適應參數(shù)，然后經(jīng)卷積層作用進一步激活函數(shù)，最后是池化層與全連接層發(fā)揮作用，反復進行上述操作，會確定輸入數(shù)據(jù)的特征向量。該輸入數(shù)據(jù)包括人員身份、行為等外在表現(xiàn)數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)特征向量還能夠進行對比運算，若是其運算結(jié)果比閾值小時該數(shù)據(jù)就是正常的，若運算結(jié)果比閾值大時就表示輸入數(shù)據(jù)存在異常情況，比如說操作行為異?；蛏矸菘梢?，這種異常結(jié)果也會傳送到與3D數(shù)據(jù)平臺當中，最后做出告警提醒[3]。

2.2 AR技術(shù)

是變電站智能系統(tǒng)的關鍵技術(shù)之一，能對攝影機影像實時位置、角度進行計算，同時還能加上相應的圖像技術(shù)。AR技術(shù)的運用能將虛擬的物體和真實的環(huán)境疊加起來，從而在一個畫面當中呈現(xiàn)出來。通過對整個變電站的三維建模來進一步實現(xiàn)變壓器、開關柜等固定電氣設備的AR作業(yè)。如，相應的檢修工作人員可直接手持AR移動作業(yè)平板來識別設備，AR技術(shù)還能將設備的一些相關聯(lián)數(shù)據(jù)展示出來，同時也提供著查詢工作計劃、作業(yè)方案、JSA分析、安全技術(shù)交底、作業(yè)許可和確認檢修對象的服務。

AR技術(shù)也能對整個檢修流程開展預演，主要是結(jié)合其移動作業(yè)平板構(gòu)建三維零部件模型來預演，可視化呈現(xiàn)出設備的拆解操作、安裝操作、調(diào)試操作及試驗操作等。作業(yè)前先將相關的作業(yè)方案信息導入，結(jié)合系統(tǒng)中已有的設備結(jié)構(gòu)、原理等數(shù)據(jù)，通過AR技術(shù)預演對其中的關鍵步驟、重要流程等加以控制，協(xié)作工作人員順利完成檢修工作。此外，基于大數(shù)據(jù)平臺，AR極速的移動作業(yè)平板還能對檢修對象的歷史缺陷記錄、檢修臺賬信息、歷史試驗記錄、檢修記錄，以及同類檢修案例等進行全面查詢，以便為實際檢修工作的開展提供更多有用數(shù)據(jù)信息。

2.3 UWB三維定位技術(shù)

主要是在智能安全系統(tǒng)中發(fā)揮作用。在變電站智能安全系統(tǒng)中，其可在安全作業(yè)區(qū)域內(nèi)對移動的目標進行有效定位并建立起三維坐標系，同時在該坐標系中設置好相應的目標坐標、參考節(jié)點及定位基站等。參考節(jié)點在整個三維空間內(nèi)是呈現(xiàn)隨機分散狀態(tài)的，先對三維空間內(nèi)的多種物理量數(shù)據(jù)進行收集，再通過鏈路傳遞方式將這些數(shù)據(jù)傳到定位基站上，最后定位基站會通過以太網(wǎng)來與智能終端實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。智能終端接收到數(shù)據(jù)后，還會產(chǎn)生響應的控制信號，反饋給定位基站，而定位基站在接收到信號之后會進一步生成新的檢測任務，向檢測的移動目標開展數(shù)據(jù)收集工作，最后將收集到的數(shù)據(jù)信息與原本智能終端的身份數(shù)據(jù)信息進行比對識別，確定人員身份和位置。

對人員實際位置的確定主要是基于交點質(zhì)心的三維定位算法，其原理是發(fā)送信號并測得信號到達目標的時間來計算出距離。簡單來說，需要在三維空間內(nèi)設置四個參考節(jié)點，這四個節(jié)點的選擇要求是盡可能地靠近移動目標，然后將移動目標與每個參考節(jié)點間的距離當作半徑構(gòu)建相應的球體模型，再通過計算得出四個球的交點，其也是該三維空間內(nèi)，移動目標的相應定位坐標點。UWB三維定位技術(shù)的這種定位方式精準度較高，同時還以智能終端的相應數(shù)據(jù)庫為核心開展數(shù)據(jù)共享，準確進行目標的身份確認及授權(quán)管理，若出現(xiàn)異常則會告警，最后在3D數(shù)據(jù)平臺上顯示出來，保證對安全作業(yè)的監(jiān)控落實。

3 結(jié)語

當前變電站智能化發(fā)展的過程中運用了多種智能技術(shù)，且這些技術(shù)結(jié)合3D數(shù)據(jù)平臺運用，能進一步提升變電站的綜合管理水平與運行效率?；?D數(shù)據(jù)平臺的變電站智能系統(tǒng)關鍵技術(shù)主要包括視頻監(jiān)控技術(shù)、AR技術(shù)以及UWB三維定位技術(shù)等，基于這些技術(shù)可構(gòu)建成變電站多種智能系統(tǒng)，包括操作系統(tǒng)、巡檢系統(tǒng)以及安全系統(tǒng)。