韓 磊，唐 琳，隋永錕，張 濤，滕 飛

(國(guó)網(wǎng)山東省電力公司建設(shè)公司，山東 濟(jì)南 250001)

0 引言

“十四五”期間，國(guó)網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)特高壓工程“24交14直”，涉及線路達(dá)3萬(wàn)余km，變電換流容量3.4億kVA，總投資3 800億元[1]。伴隨著國(guó)內(nèi)特高壓電網(wǎng)建設(shè)的步伐逐漸加快，對(duì)特高壓變電站工程建設(shè)安全管理提出了新的要求和挑戰(zhàn)[2-3]。

在Q/GDW 11957.1—2020《國(guó)家電網(wǎng)有限公司電力建設(shè)安全工作規(guī)程第1部分：變電》4.5中規(guī)定：遇有六級(jí)及以上風(fēng)或暴雨、雷電、冰雹、大雪、大霧、沙塵暴等惡劣氣候時(shí)，應(yīng)停止露天高處作業(yè)、水上運(yùn)輸、露天吊裝等作業(yè)[4]。現(xiàn)有變電站環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置只將數(shù)據(jù)傳輸至站級(jí)監(jiān)控，未對(duì)監(jiān)測(cè)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行有效利用[5-10]。近年高溫、暴雨等極端天氣頻發(fā)，環(huán)境因素對(duì)特高壓變電站工程建設(shè)期間施工計(jì)劃安排和組織有很大影響。

在上述背景下，設(shè)計(jì)變電站施工作業(yè)環(huán)境智慧監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)，通過(guò)對(duì)特高壓變電站環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)與電力施工作業(yè)環(huán)境要求計(jì)算分析，將環(huán)境因素顯示并動(dòng)態(tài)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)日常施工。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

變電站施工作業(yè)環(huán)境智慧監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)實(shí)時(shí)采集施工現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度、風(fēng)力和雨量數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至系統(tǒng)后臺(tái)，系統(tǒng)后臺(tái)根據(jù)安規(guī)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器中環(huán)境計(jì)算條件，進(jìn)行施工條件判斷，并將判斷結(jié)果下發(fā)至現(xiàn)場(chǎng)主控終端。

設(shè)計(jì)的變電站施工作業(yè)環(huán)境智慧監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)具有環(huán)境數(shù)據(jù)采集處理、4G無(wú)線傳輸、后臺(tái)計(jì)算分析預(yù)警等功能。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)包括感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。感知層主要進(jìn)行環(huán)境數(shù)據(jù)的采集和預(yù)處理，通過(guò)4G無(wú)線網(wǎng)上傳信息。網(wǎng)絡(luò)層通過(guò)廣域無(wú)線網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)至系統(tǒng)后臺(tái)服務(wù)器。應(yīng)用層系統(tǒng)監(jiān)控后臺(tái)對(duì)網(wǎng)絡(luò)層接收數(shù)據(jù)加以處理，進(jìn)行變電站現(xiàn)場(chǎng)施工安全預(yù)警。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 安規(guī)知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

特高壓變電站建設(shè)應(yīng)遵守電力安規(guī)，即Q/GDW 11957.1—2020《國(guó)家電網(wǎng)有限公司電力建設(shè)安全工作規(guī)程第1部分：變電》，因此根據(jù)電力安規(guī)提取環(huán)境因素影響施工的知識(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)，為預(yù)警裝置提供數(shù)據(jù)支撐。電力安規(guī)包括施工現(xiàn)場(chǎng)、通用作業(yè)、施工機(jī)械及工器具、運(yùn)輸、裝卸、建筑工程、電氣裝置安裝和改擴(kuò)建工程的各項(xiàng)安全管理規(guī)范文本數(shù)據(jù)[4]。為了利用這些非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析環(huán)境參數(shù)對(duì)施工作業(yè)的影響，首先對(duì)電力安規(guī)數(shù)據(jù)進(jìn)行信息抽取，將非結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為JavaScript對(duì)象簡(jiǎn)譜(JavaScript object notation，JSON)格式，進(jìn)而設(shè)計(jì)彈性搜索引擎實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效存儲(chǔ)[11]。

變電站施工涉及多個(gè)部門、單位，也涉及多種施工器具，是電力建設(shè)的專業(yè)化工作，環(huán)境因素影響施工作業(yè)參數(shù)較多。雖然有相關(guān)的電力安規(guī)對(duì)施工作業(yè)環(huán)境進(jìn)行了總結(jié)，但影響因素情況復(fù)雜多樣，電力安規(guī)中的表格難以進(jìn)行全面歸納。

變電站環(huán)境因素影響文本是一種特殊的非結(jié)構(gòu)化文檔，形式上具有半結(jié)構(gòu)化文檔的特征，但數(shù)據(jù)流實(shí)際上是非結(jié)構(gòu)化的。電力安規(guī)中涉及環(huán)境因素的條目，抽取形成環(huán)境作業(yè)預(yù)警表格，從數(shù)據(jù)類別看，非結(jié)構(gòu)化表格文檔中數(shù)據(jù)分為標(biāo)題區(qū)和數(shù)據(jù)區(qū)，標(biāo)題區(qū)表示數(shù)據(jù)的性質(zhì)和類別，數(shù)據(jù)區(qū)表示實(shí)際條款。數(shù)據(jù)抽取流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)抽取流程

由于變電站建設(shè)施工環(huán)境因素較為固定，根據(jù)電力安規(guī)數(shù)據(jù)抽取流程，形成知識(shí)數(shù)據(jù)索引表，索引示例如圖3所示。將系統(tǒng)監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)和目前現(xiàn)場(chǎng)施工類型進(jìn)行結(jié)合，將數(shù)據(jù)中的詞進(jìn)行拆分，提取關(guān)鍵詞，當(dāng)監(jiān)測(cè)到暴雨時(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行高空吊裝時(shí)，會(huì)檢索到“雨后吊裝前，應(yīng)先試吊，確認(rèn)制動(dòng)器靈敏可靠后方可進(jìn)行作業(yè)”，并將結(jié)果返回到系統(tǒng)中。

圖3 知識(shí)數(shù)據(jù)索引示例

3 硬件設(shè)計(jì)

變電站施工作業(yè)環(huán)境智慧監(jiān)測(cè)預(yù)警裝置硬件包括主控CPU、4G通信電路、環(huán)境采集裝置和LED顯示屏字庫(kù)控制卡，硬件架構(gòu)如圖4所示。

圖4 硬件架構(gòu)

主控CPU選用STM32F103RET6處理器，該處理器基于ARMCortex-M3內(nèi)核，采用高效的哈佛結(jié)構(gòu)三級(jí)流水線，達(dá)到1.25 DMIPS/MHz。STM32F103RET6系統(tǒng)時(shí)鐘頻率72 MHz，閃存程序存儲(chǔ)器512 kB，64 kBSRAM、8個(gè)定時(shí)器、3個(gè)12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、1個(gè)數(shù)模轉(zhuǎn)換器，1個(gè)CAN接口、7通道DMA控制器，以及SPI、USART、I2C、I2S、USB接口等[12-14]。該控制器具有豐富的外設(shè)和較強(qiáng)的抗干擾能力，適合用于變電站強(qiáng)電磁場(chǎng)場(chǎng)景。

為保證環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)性和字庫(kù)卡大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性，采用4G通信進(jìn)行無(wú)線傳輸，4G通信模塊型號(hào)為Air 724，該模塊是一款基于UIS8910DM芯片組的物聯(lián)網(wǎng)通信模塊。模塊通信性能符合Cat1通信標(biāo)準(zhǔn)，支持最大下行速率10 Mbps和最大上行速率5 Mbps數(shù)據(jù)傳輸。具有全功能音頻輸入輸出接口，LCD接口，Camera接口，內(nèi)存卡接口，矩陣鍵盤接口，ADC接口，外設(shè)齊全[15]。

環(huán)境采集裝置采集變電站現(xiàn)場(chǎng)的溫濕度、風(fēng)速風(fēng)力和雨量，環(huán)境傳感器采用型號(hào)為RS-BYH-M的百葉盒，可采集溫度、濕度和顆粒物(PM2.5和PM10)及光照等；風(fēng)速變送器采用型號(hào)RSFSJT-N01，量程：0～70 m/s，分辨率：0.1 m/s，動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)間小于等于0.5 s；雨量采用脈沖型雨量計(jì)進(jìn)行雨量采集。

LED顯示屏字庫(kù)控制卡驅(qū)動(dòng)單色LED顯示屏，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示環(huán)境監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及安規(guī)內(nèi)容。

4 軟件設(shè)計(jì)

現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)裝置通過(guò)環(huán)境采集裝置實(shí)時(shí)采集現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，并通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)傳輸至系統(tǒng)后臺(tái)，裝置聯(lián)網(wǎng)軟件流程如圖5所示。

系統(tǒng)后臺(tái)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)人員輸入的作業(yè)類型結(jié)合環(huán)境因素，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)環(huán)境因素的動(dòng)態(tài)提示，系統(tǒng)預(yù)警軟件流程如圖6所示。

圖6 后臺(tái)預(yù)警軟件流程

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)變電站施工作業(yè)受環(huán)境影響較大問(wèn)題，提出了一種基于多傳感器數(shù)據(jù)融合的環(huán)境預(yù)警系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了基于該方法的環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置電路。實(shí)際使用中，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)類型，可在惡劣環(huán)境下及時(shí)在現(xiàn)場(chǎng)提示安規(guī)知識(shí)庫(kù)內(nèi)容，提高現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的安全水平，方便現(xiàn)場(chǎng)人員的高效管理，減少安全事故發(fā)生，實(shí)現(xiàn)變電站現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)的本質(zhì)安全。