章杜錫，吳昱浩，楊 淇

(國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司寧波供電公司，浙江 寧波 310014)

0 引言

電力調(diào)度數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制(supervisory control and data acquisition，SCADA)系統(tǒng)作為電網(wǎng)運(yùn)行的核心技術(shù)支撐手段，是保障電網(wǎng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)。主廠站信息聯(lián)調(diào)工作是確保SCADA 系統(tǒng)精準(zhǔn)反應(yīng)變電站一二次設(shè)備運(yùn)行狀況的關(guān)鍵工序。傳統(tǒng)的信息聯(lián)調(diào)采用人工“逐一比對(duì)”方式，即調(diào)度主站人員一邊電話聯(lián)系變電站端觸發(fā)信號(hào)，一邊根據(jù)SCADA 系統(tǒng)確認(rèn)信息。該方式不僅耗費(fèi)時(shí)間和精力，還存在指令出錯(cuò)風(fēng)險(xiǎn)，給電網(wǎng)運(yùn)行埋下安全隱患。當(dāng)前的解決方案有兩種：一是基于現(xiàn)有調(diào)度自動(dòng)化體系架構(gòu)，利用數(shù)據(jù)庫(kù)關(guān)聯(lián)關(guān)系輔助開(kāi)展信息聯(lián)調(diào)；二是利用專用工具對(duì)數(shù)據(jù)通信網(wǎng)關(guān)機(jī)的遠(yuǎn)動(dòng)配置進(jìn)行靜態(tài)校核，通過(guò)報(bào)文比對(duì)，輔助開(kāi)展信息聯(lián)調(diào)。但上述方案均無(wú)法解決SCADA 系統(tǒng)前端圖形畫面顯示、告警信息上窗等環(huán)節(jié)的信息核驗(yàn)問(wèn)題，需要一種更智能、高效的電力信息聯(lián)調(diào)技術(shù)用于支持信息聯(lián)調(diào)驗(yàn)收。因此，提出應(yīng)用人工智能技術(shù)實(shí)現(xiàn)SCADA 系統(tǒng)各類電氣設(shè)備狀態(tài)信息的自動(dòng)辨識(shí)，并通過(guò)與廠站端智能對(duì)點(diǎn)裝置聯(lián)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)主廠站信息的自動(dòng)聯(lián)調(diào)。

1 方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需求，對(duì)人工業(yè)務(wù)流程重新進(jìn)行設(shè)計(jì)，利用視覺(jué)識(shí)別、機(jī)器學(xué)習(xí)等新技術(shù)，以人工智能方式自動(dòng)開(kāi)展信息校收，并形成符合電力規(guī)范要求的自動(dòng)信息校驗(yàn)機(jī)制和方法，智能對(duì)點(diǎn)信息校驗(yàn)機(jī)制架構(gòu)如圖1 所示。通過(guò)部署運(yùn)行在調(diào)度系統(tǒng)上的智能對(duì)點(diǎn)服務(wù)器，利用文字識(shí)別、電力圖像識(shí)別、機(jī)器人按鍵軌跡智能構(gòu)建、電力主備調(diào)同步驗(yàn)證等人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)點(diǎn)信號(hào)和畫面信息的自動(dòng)識(shí)別與分析處理，解決調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)中圖像圖元、告警信息、前置信息、設(shè)備信息等信息的校驗(yàn)問(wèn)題，提升主站端對(duì)點(diǎn)驗(yàn)收效率和智能化作業(yè)水平。

圖1 智能對(duì)點(diǎn)信息校驗(yàn)機(jī)制架構(gòu)

1.1 AI 控制鼠標(biāo)操作軌跡智能構(gòu)建技術(shù)

在電力系統(tǒng)管理自動(dòng)化流程中，當(dāng)收到信息聯(lián)調(diào)請(qǐng)求后，系統(tǒng)首先自動(dòng)檢索與請(qǐng)求相關(guān)的信號(hào)參數(shù)，并分析這些參數(shù)在電力接線圖上的具體位置；其次，系統(tǒng)會(huì)智能地規(guī)劃一個(gè)高效的鼠標(biāo)操作軌跡，確保鼠標(biāo)按照最短和最直接的路徑快速移動(dòng)到目標(biāo)位置；最后，基于移動(dòng)軌跡信息，系統(tǒng)可自動(dòng)控制鼠標(biāo)指針的行為，即按照預(yù)定軌跡，自動(dòng)驅(qū)動(dòng)鼠標(biāo)穿越不同的界面和菜單，直至抵達(dá)目標(biāo)圖形畫面，從而實(shí)現(xiàn)快速并準(zhǔn)確地導(dǎo)航至需要校核的圖形界面位置。

1.2 電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)信息一致性核驗(yàn)技術(shù)

根據(jù)需要重新建立圖形畫面中的設(shè)備連接關(guān)系和信息關(guān)聯(lián)的校驗(yàn)規(guī)則?；陔娋W(wǎng)CIM 模型和電力接線圖數(shù)據(jù)解析技術(shù)，實(shí)現(xiàn)校核圖形畫面與電網(wǎng)模型數(shù)據(jù)信息的一致性。

根據(jù)電力圖形畫面文件中相關(guān)標(biāo)簽的屬性，系統(tǒng)可找到與待核驗(yàn)信號(hào)參數(shù)中密鑰標(biāo)識(shí)符(key_id)相同的圖形文件，以此確定待核驗(yàn)信號(hào)所屬電力圖形畫面文件名，生成一致性分析文件并進(jìn)行如下步驟的核驗(yàn)。

1) 變電站圖形畫面按鈕關(guān)聯(lián)檢查。解析一致性分析文件，可列出所有重復(fù)的圖形畫面跳轉(zhuǎn)按鈕以及其坐標(biāo)位置。

2) 遙信、遙測(cè)關(guān)聯(lián)重復(fù)性檢查。解析一致性分析文件，列出測(cè)點(diǎn)在同一個(gè)畫面圖形界中關(guān)聯(lián)的多個(gè)圖元的異常信息以及圖元坐標(biāo)位置。

3) 測(cè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)所屬間隔錯(cuò)位檢查。解析一致性分析文件，列出測(cè)點(diǎn)存在多個(gè)間隔分圖的告警信息，以及所在間隔分圖的坐標(biāo)位置。

1.3 文字自動(dòng)訓(xùn)練技術(shù)

采用文字分割及圖像識(shí)別技術(shù)，通過(guò)訓(xùn)練文字自動(dòng)組合及過(guò)濾算法，生成待訓(xùn)練文字的圖片，由算法自動(dòng)計(jì)算各個(gè)文字的位置及特征，利用Tesseract (一個(gè)開(kāi)源的光學(xué)字符識(shí)別(OCR)引擎)對(duì)文字進(jìn)行智能訓(xùn)練，訓(xùn)練的迭代結(jié)果可不斷提高文字識(shí)別的準(zhǔn)確率。具體過(guò)程如下。

1) 文字自動(dòng)訓(xùn)練首先通過(guò)OCR 將圖像內(nèi)的文字內(nèi)容轉(zhuǎn)化為機(jī)器可讀格式。

2) 其次利用深度學(xué)習(xí)模型實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確度的文字識(shí)別。為了增強(qiáng)模型的泛化性能和文字精準(zhǔn)定位，數(shù)據(jù)增強(qiáng)技術(shù)和文字區(qū)域檢測(cè)技術(shù)被引入以豐富訓(xùn)練數(shù)據(jù)；借助半監(jiān)督或無(wú)監(jiān)督學(xué)習(xí)，可以降低對(duì)大量手動(dòng)標(biāo)記的依賴；上下文的深度理解進(jìn)一步提升了文字識(shí)別的精確性；實(shí)時(shí)的學(xué)習(xí)策略可以快速適應(yīng)SCADA 系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)變化。

3) 最后將安全策略納入其中，確保數(shù)據(jù)的完整性和安全。

通過(guò)與先進(jìn)識(shí)別技術(shù)、模型等的結(jié)合，SCADA 系統(tǒng)能夠更加高效和準(zhǔn)確地解析與處理顯示的信息。

1.4 告警信息識(shí)別技術(shù)

在SCADA 系統(tǒng)中，告警識(shí)別是至關(guān)重要的，將直接影響到系統(tǒng)的安全和運(yùn)行效率。基于Tesseract 和OpenCV 架構(gòu)，設(shè)計(jì)一種高效的告警文字和顏色的識(shí)別方法，具體步驟如下。

1) 利用OpenCV 進(jìn)行圖像處理，包括圖像閾值化以分離文字和背景。通過(guò)尋找連通域，可以定位到告警信息的具體區(qū)域，從而確保只對(duì)關(guān)鍵區(qū)域進(jìn)行進(jìn)一步處理，提高了整體效率。

2) 通過(guò)直方圖投影技術(shù)，將圖像按照水平或垂直方向進(jìn)行投影生成直方圖。一旦確定了文字的行列位置，可進(jìn)一步使用文字行分割技術(shù)將每一行或每一個(gè)字符分開(kāi)，為后續(xù)的文字識(shí)別做好準(zhǔn)備。

3) 利用Tesseract 的OCR 工具，可以將圖像中的文字轉(zhuǎn)化為機(jī)器可讀的文本；同時(shí)，OpenCV提供了顏色識(shí)別功能，系統(tǒng)不僅可以讀取到告警的文字內(nèi)容，還可識(shí)別文字的顏色，這對(duì)于區(qū)分不同級(jí)別的告警尤為重要。

2 技術(shù)驗(yàn)證

2.1 數(shù)據(jù)概述

2.1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源

因技術(shù)開(kāi)發(fā)主要針對(duì)電力調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)，數(shù)據(jù)主要包括：電力CIM 模型(CIM-E 格式與CIM-G 格式)、變電站接線圖畫面的SVG 或者G格式圖形文件(可縮放的矢量圖形)、數(shù)據(jù)庫(kù)測(cè)點(diǎn)key_id 關(guān)系對(duì)應(yīng)表(文本格式)、變電站電力監(jiān)控信息表以及電力調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)中廠站主接線圖、間隔圖和告警窗界面截圖(無(wú)損壓縮圖形)等。

2.1.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理

為提高智能對(duì)點(diǎn)實(shí)時(shí)過(guò)程的處理速度和質(zhì)量，對(duì)部分原始數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單預(yù)處理，解決包括數(shù)據(jù)關(guān)系對(duì)應(yīng)混亂、信號(hào)缺失等問(wèn)題，預(yù)處理方法如表1所示。

表1 數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

2.2 模型算法

2.2.1 子模型1——圖形畫面識(shí)別算法

1) 模型輸入。變電站接線圖、電力調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)元器件圖元、數(shù)據(jù)庫(kù)測(cè)點(diǎn)key_id 關(guān)系對(duì)應(yīng)表。

2) 算法邏輯。圖像處理和識(shí)別系統(tǒng)由預(yù)處理、目標(biāo)檢測(cè)、圖像分割、特征提取與選擇、目標(biāo)分類等幾個(gè)步驟構(gòu)成(見(jiàn)圖2)，根據(jù)圖形畫面上的文字、圖元形狀、圖元顏色、閃爍等特性，形成(非聯(lián)網(wǎng)環(huán)境)非深度學(xué)習(xí)方式的圖像識(shí)別方法。通過(guò)調(diào)用電力圖形畫面識(shí)別引擎，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力接線圖畫面中測(cè)點(diǎn)信息的實(shí)時(shí)驗(yàn)收。

圖2 圖像處理和識(shí)別系統(tǒng)步驟

采用圖像識(shí)別技術(shù)代替人工辨識(shí)，通過(guò)二值化處理、顏色提取分類、SIFT 圖像匹配算法、霍夫變換等，準(zhǔn)確識(shí)別電力圖形畫面上圖元狀態(tài)，達(dá)到采用圖像識(shí)別技術(shù)代替人工辨識(shí)的目的。算法示意圖如圖3 所示。

圖3 圖形畫面識(shí)別算法示意

3) 模型輸出。圖形畫面測(cè)點(diǎn)狀態(tài)。

4) 算例應(yīng)用。根據(jù)電網(wǎng)相關(guān)規(guī)范，調(diào)用電力圖形畫面識(shí)別引擎，實(shí)現(xiàn)對(duì)接線圖畫面中測(cè)點(diǎn)信息的驗(yàn)收，包括遙測(cè)數(shù)據(jù)、遙信變位、圖元顏色、光字閃爍等。畫面測(cè)點(diǎn)識(shí)別正確率達(dá)99.2 %。

2.2.2 子模型2——文字模型離線自動(dòng)訓(xùn)練

1) 模型輸入。變電站電力監(jiān)控信息表，電力調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)廠站主接線圖、間隔圖和告警窗界面截圖。

2) 算法邏輯。采用文字分割及圖像識(shí)別技術(shù)，通過(guò)訓(xùn)練文字自動(dòng)組合及過(guò)濾算法，以及Tesseract 對(duì)文字進(jìn)行自動(dòng)智能訓(xùn)練，提高文字識(shí)別的準(zhǔn)確率。同時(shí)該算法簡(jiǎn)化了文字訓(xùn)練的步驟，能快速實(shí)現(xiàn)文字訓(xùn)練，生成所需的訓(xùn)練模型，提高訓(xùn)練效率。文字自動(dòng)訓(xùn)練流程如圖4 所示。

圖4 文字自動(dòng)訓(xùn)練流程

3) 模型輸出。文字模型離線自動(dòng)訓(xùn)練識(shí)別。

4) 算例應(yīng)用。調(diào)度主站系統(tǒng)因安全性無(wú)法具備在線環(huán)境，且配置的工作站、服務(wù)器不具備GPU 等圖像硬件設(shè)備，因此，采用OpenCV+識(shí)別引擎Tesseract，通過(guò)非深度學(xué)習(xí)的方式進(jìn)行離線環(huán)境下的接線圖圖像識(shí)別和告警窗文字識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)告警窗內(nèi)容的自適應(yīng)識(shí)別處理(包含信息推送方式、時(shí)標(biāo)、字體顏色、告警內(nèi)容格式等)，自動(dòng)判別告警內(nèi)容及信號(hào)等級(jí)是否有誤，并自主完成對(duì)點(diǎn)信號(hào)的驗(yàn)證及記錄。文字識(shí)別通過(guò)率達(dá)98.3 %。

2.2.3 子模型3——智能核驗(yàn)關(guān)聯(lián)一致性算法

1) 模型輸入。變電站接線圖可縮放矢量圖形、電力CIM-E 模型、電力CIM-G 圖形、數(shù)據(jù)庫(kù)測(cè)點(diǎn)key_id 關(guān)系對(duì)應(yīng)表、變電站電力監(jiān)控信息表。

2) 算法邏輯。該算法通過(guò)分別解析調(diào)度技術(shù)支持系統(tǒng)中的CIM-E 模型和CIM-G 圖形，得到所有間隔對(duì)象的連接信息。以CIM-E 模型解析得到的對(duì)象連接信息為基準(zhǔn)，與CIM-G 圖形的對(duì)象連接信息進(jìn)行核對(duì)，以此核驗(yàn)調(diào)度系統(tǒng)圖形畫面關(guān)聯(lián)的一致性。具體流程如圖5 所示。

圖5 智能核驗(yàn)圖形關(guān)聯(lián)一致性算法流程

3) 模型輸出。圖形畫面關(guān)聯(lián)、按鈕跳轉(zhuǎn)校核結(jié)果。

4) 算例應(yīng)用。智能對(duì)點(diǎn)前會(huì)完成對(duì)測(cè)試變電站的調(diào)度圖形畫面關(guān)聯(lián)工程一致性校驗(yàn)，包括變電站圖形畫面按鈕關(guān)聯(lián)檢查、遙信遙測(cè)關(guān)聯(lián)重復(fù)性檢查、測(cè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)所屬間隔錯(cuò)位檢查等，及時(shí)發(fā)現(xiàn)糾正人工關(guān)聯(lián)的失誤。

2.2.4 子模型4——圖形畫面切換路徑規(guī)劃算法

1) 模型輸入。變電站接線圖、數(shù)據(jù)庫(kù)測(cè)點(diǎn)key_id 關(guān)系對(duì)應(yīng)表、變電站電力監(jiān)控信息表。

2) 算法邏輯。該算法實(shí)現(xiàn)了從當(dāng)前畫面依次切換跳轉(zhuǎn)至某一測(cè)點(diǎn)全部所屬畫面的路徑規(guī)劃，以最短路徑為原則，畫面切換速度快，效率高，且畫面切換瀏覽準(zhǔn)確無(wú)誤。圖形畫面切換路徑規(guī)劃算法流程如圖6 所示。

圖6 圖形畫面切換路徑規(guī)劃算法流程

3) 模型輸出。智能跳轉(zhuǎn)切換電力接線圖畫面。

4) 算例應(yīng)用?；陔娏φ{(diào)度系統(tǒng)圖形畫面切換路徑軌跡算法，解析目標(biāo)位置相對(duì)屏幕坐標(biāo)系的精準(zhǔn)坐標(biāo)等信息，自動(dòng)驅(qū)動(dòng)鼠標(biāo)實(shí)現(xiàn)SCADA系統(tǒng)圖形畫面及時(shí)準(zhǔn)確的切換跳轉(zhuǎn)，正確率可達(dá)100 %，且支持動(dòng)態(tài)指令鼠標(biāo)操作(移動(dòng)、按鍵)等；可同時(shí)自動(dòng)按鍵切換多個(gè)程序或窗口，例如告警窗、圖形畫面主接線圖、間隔分圖、前置多通道數(shù)據(jù)界面等，可實(shí)現(xiàn)聯(lián)調(diào)對(duì)點(diǎn)過(guò)程中的畫面自動(dòng)切換。

3 工程實(shí)踐

基于前述理論基礎(chǔ)，研制開(kāi)發(fā)了調(diào)度主廠站信息聯(lián)調(diào)裝置并投入應(yīng)用，截至目前，該信息聯(lián)調(diào)裝置應(yīng)用效果良好，識(shí)別效率和準(zhǔn)確率得到有效提升，改變了傳統(tǒng)的人工信息聯(lián)調(diào)工作易遺漏、易出錯(cuò)的狀態(tài)。

4 結(jié)束語(yǔ)

基于機(jī)器學(xué)習(xí)的電力調(diào)度SCADA 系統(tǒng)信號(hào)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)可有效解決電力調(diào)度主站SCADA 系統(tǒng)中海量的圖像圖元、告警信號(hào)、前置信息、設(shè)備狀態(tài)的校驗(yàn)問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)主廠站信息的自動(dòng)聯(lián)調(diào)，從根本上發(fā)現(xiàn)和消除信息聯(lián)調(diào)工作不到位帶來(lái)了的安全隱患，有效提升了電網(wǎng)安全運(yùn)行的水平。