城市電網(wǎng)地下管線(xiàn)智能運(yùn)行監(jiān)控與安全預(yù)警系統(tǒng)研究

馬 鋒，馬 潔

（ 國(guó)電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京 211106)

0 引 言

隨著智慧城市建設(shè)步伐的推進(jìn)，城市地下電纜的應(yīng)用逐漸普及，電纜線(xiàn)路規(guī)模迅速擴(kuò)大。在電纜網(wǎng)規(guī)模不斷擴(kuò)大的情況下，排管通道內(nèi)空間狹小，環(huán)境復(fù)雜，主要敷設(shè)中低壓配電電纜，管理仍然采用傳統(tǒng)的人工主導(dǎo)方式，設(shè)備管理模式粗放，人員勞動(dòng)強(qiáng)度大，在線(xiàn)監(jiān)控、帶電檢測(cè)、人員巡視及檢修試驗(yàn)等數(shù)據(jù)應(yīng)用依然需要人工統(tǒng)計(jì)、計(jì)算及分析，缺少智能化的分析系統(tǒng)，數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用得不到體現(xiàn)，工程規(guī)劃、項(xiàng)目施工、臺(tái)帳梳理及資源管理不能得以直觀(guān)地展示和利用，難以滿(mǎn)足對(duì)地下管線(xiàn)的高效、智能、精細(xì)化的管理要求。

電纜入地能改善城市面貌，提升地價(jià)，電纜入地政策已逐漸放開(kāi)，北京、南京、太原及西安等城市電纜化率均已達(dá)60%以上，預(yù)計(jì)未來(lái)還會(huì)逐步提高，城市電網(wǎng)安全運(yùn)行面臨新的形勢(shì)。

鑒于此，從實(shí)時(shí)監(jiān)控、智能管理兩個(gè)方面出發(fā)，經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研、技術(shù)咨詢(xún)及方案討論確認(rèn)技術(shù)可行后將線(xiàn)下的人工主導(dǎo)工作轉(zhuǎn)換成新的應(yīng)用功能，為電力管線(xiàn)運(yùn)維管理人員提供“自動(dòng)化監(jiān)控、智能化管理”的技術(shù)支撐手段。實(shí)現(xiàn)地下管線(xiàn)管理的標(biāo)準(zhǔn)化、流程化、智能化，提升設(shè)備運(yùn)行水平及電網(wǎng)供電保障能力。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

針對(duì)電力電纜運(yùn)行維護(hù)的業(yè)務(wù)，建立統(tǒng)一應(yīng)用模型，形成全業(yè)務(wù)覆蓋的應(yīng)用體系架構(gòu)。基于應(yīng)用體系架構(gòu)，以數(shù)字化形式清晰表述電纜、通道及附屬設(shè)施的結(jié)構(gòu)及特征，實(shí)現(xiàn)科學(xué)的數(shù)據(jù)管理和系統(tǒng)仿真分析。通過(guò)對(duì)電力電纜運(yùn)維管理業(yè)務(wù)的分析梳理，建立從電纜規(guī)劃建設(shè)、設(shè)備管理、運(yùn)維管理及檢修管理的電纜全生命周期管理的支撐管理系統(tǒng)，總體業(yè)務(wù)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體業(yè)務(wù)架構(gòu)

結(jié)合地上、地下的地理信息數(shù)據(jù)，提供量測(cè)分析、交叉跨越分析、挖方分析及剖面分析等專(zhuān)題分析功能；通過(guò)規(guī)劃建設(shè)管理，提供電纜建設(shè)過(guò)程中設(shè)計(jì)圖紙管理、變更管理、進(jìn)度管理、安全管理、質(zhì)量管理及竣工驗(yàn)收等業(yè)務(wù)支撐；根據(jù)統(tǒng)一應(yīng)用模型，建立相關(guān)設(shè)備數(shù)據(jù)庫(kù)，實(shí)現(xiàn)臺(tái)賬管理、缺陷與故障管理、模型管理及變更管理等；研究利用設(shè)備模型數(shù)據(jù)，結(jié)合實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、巡視記錄及設(shè)備缺陷等信息，輔助制定巡視計(jì)劃；研究設(shè)備試驗(yàn)、設(shè)備檢修、檢修資源管理、應(yīng)急預(yù)案管理、異常狀態(tài)診斷、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及檢修計(jì)劃輔助制定，支撐電纜檢修管理業(yè)務(wù)[3]。

2 基于深度學(xué)習(xí)的安全預(yù)警模型

借助智能傳感設(shè)備的安裝與應(yīng)用，可獲得海量精細(xì)化數(shù)據(jù)。有效利用這些海量數(shù)據(jù)，并結(jié)合大數(shù)據(jù)處理技術(shù)解決電力系統(tǒng)復(fù)雜、高維問(wèn)題將成為未來(lái)電網(wǎng)發(fā)展的挑戰(zhàn)[1]。圖2為基于深度學(xué)習(xí)的安全預(yù)警模型。

圖2 基于深度學(xué)習(xí)的安全預(yù)警模型

深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)模型由于其強(qiáng)大的非線(xiàn)性、高維數(shù)據(jù)處理能力而獲得廣泛應(yīng)用。深度信念網(wǎng)絡(luò)作為一種有效的深度學(xué)習(xí)方法，在電力系統(tǒng)的應(yīng)用中逐漸引起學(xué)者關(guān)注。深度信念網(wǎng)絡(luò)由多層受限玻爾茲曼機(jī)（Restricted Boltzmann Machine，RBM）堆疊組成，首先采用對(duì)比散度（Contrastive Divergence，CD）算法逐層訓(xùn)練網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，然后基于誤差反向傳播對(duì)參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，最終獲得參數(shù)最優(yōu)解。而RBM作為一種有效的特征處理方法，能夠勝任地下管線(xiàn)安全預(yù)警高維、復(fù)雜題的求解[2]。

3 基于三維技術(shù)的可視化展示

利用電纜勘測(cè)數(shù)據(jù)、監(jiān)控實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)電纜管線(xiàn)分布信息、電纜運(yùn)行信息及歷史統(tǒng)計(jì)信息等從靜態(tài)、二維平面、孤立數(shù)據(jù)的展示方式向動(dòng)態(tài)、三維立體、虛擬實(shí)際場(chǎng)景的展示方式轉(zhuǎn)變。圖3為三維可視化示意圖。利用三維技術(shù)建立地面建筑和道路模型、地下管線(xiàn)模型，將三維地理信息、設(shè)備運(yùn)行信息、環(huán)境信息、視頻圖像、預(yù)警報(bào)警信號(hào)及巡檢信息等內(nèi)容進(jìn)行融合，統(tǒng)一在三維可視化平臺(tái)進(jìn)行集中展現(xiàn)，提升精益化管理水平。

在三維場(chǎng)景中選擇任意兩條管線(xiàn)，可以計(jì)算出選中管線(xiàn)間的水平距離和垂直距離。可直觀(guān)地描述地下電纜及通道之間、電力設(shè)施和其他市政管線(xiàn)之間的精確相對(duì)位置，面對(duì)城市突發(fā)應(yīng)急事故，工作人員可第一時(shí)間了解災(zāi)害發(fā)生地周邊管線(xiàn)的分布情況，快速協(xié)調(diào)調(diào)用相關(guān)資源并完成應(yīng)急處置。

4 基于GIS系統(tǒng)的地下電纜實(shí)時(shí)監(jiān)控

通過(guò)數(shù)據(jù)采集監(jiān)控軟件，接入電纜設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息、電纜運(yùn)行環(huán)境信息、輔助設(shè)備監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)以及視頻信息等，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)在地理圖上進(jìn)行展示，實(shí)現(xiàn)對(duì)電纜及通道狀態(tài)的全天候在線(xiàn)自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)；開(kāi)發(fā)分級(jí)、分類(lèi)智能告警和故障信息自動(dòng)分析軟件，發(fā)現(xiàn)反映電纜運(yùn)行異常信息，結(jié)合GIS地理信息系統(tǒng)對(duì)異常位置進(jìn)行準(zhǔn)確快速定位，便于及時(shí)采取檢修維護(hù)措施，避免線(xiàn)路事故，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度，為安全運(yùn)行提供保障[4]。

5 結(jié) 論

本文闡述了地線(xiàn)管線(xiàn)智能運(yùn)行監(jiān)控與安全預(yù)警系統(tǒng)的主要業(yè)務(wù)設(shè)計(jì)，結(jié)合深度學(xué)習(xí)算法給出了一種適用于城市地下管線(xiàn)的安全預(yù)警模型。這為城市地下管線(xiàn)的運(yùn)維管理提供了一個(gè)解決方案，可為城市地下管線(xiàn)運(yùn)行監(jiān)控與安全預(yù)警系統(tǒng)的建設(shè)提供參考。