基于視頻圖像技術的變電站智能化應用系統研究

戴 亮，張 維，吳 昊

（江蘇祥泰電力實業有限公司，江蘇泰州 225300）

“互聯網+”時代的到來，視頻分析識別技術和大數據技術的不斷發展，使得大量的視頻數據智能化應用已經成為各個領域的研究重點。隨著視頻采集裝置在人們日常生活中使用逐漸增多，視頻影像數據每時每刻都在產生；而影像資料處理技術在影像資料應用中的地位日益凸顯。在電力企業的經營和運行等方面，以往都是建立一個基于視頻影像的實時監測體系，以達到實時這一效果，所構建的視頻圖像監控系統實現遠程場景在線，主要集中在防盜等安全防范領域。隨著智能設備、視頻圖像技術的發展以及變電站輔助監控系的統建設和進一步完善，當前變電站存儲了海量的視頻圖像信息，因此，如何結合變電站日常工作要求，利用好這些視頻圖像數據成為當前變電站智能化運維管理的一項重要內容。

1 傳統運維方式存在的問題

變電站分布范圍廣，設備類型多樣，運行維護較困難。由于現有的監測體系還不完善，目前的運行檢測工作還存在如下問題：①設備巡視是檢測設備運行故障的主要方法，按照設備的重要程度，巡維中心規定每天/隔天/每周安排運行人員到現場巡視設備，對設備的外觀、表計、二次壓板等進行巡視。目前變電站的巡視方式與技術發展有很大差距，很多工作仍然采取人工巡視、人工記錄、頻繁往返等方式，不僅耗費人力、物力，而且運行人員技能、責任心等參差不齊，難以及時發現設備缺陷。②SCADA 系統的投入使用，對整個電網、變電站的模型、實時數據、圖形進行監測。包括設備位置信息，保護管理系統輔助設備信息，SOE 信號；常見的報警信號，故障信息等。變電站終端的遙視系統，消防安全系統，巡檢機器人，其中，門禁等附屬系統的大部分資料都沒有遠程傳輸，缺乏一個統一的平臺。各系統的管理水平較低，綜合運用水平較低，存在著“孤島”的問題。多個監測接口的存在極大地影響了運維人員監視和查看預警的工作效率；各個附屬系統之間缺乏信息交流，各個模塊相互獨立，操作和維護都不方便。③當電力設備出現重大異常時，往往會出現溫度升高、電壓和電流異常引起發熱等現象。目前，一、二次裝置的溫度測量多依賴于操作人員定期手持紅外熱像儀進行，操作人員對設備的溫度測量不能保證，不能及時了解設備的工作狀態，存在溫度盲區；對設備的安全、穩定運行不利。④在控制集成模式中，當調度中心遙控變電站內的設備下達指令時，僅能確定操作對象操作前后的位置狀況，而不能直接看到現場的設備，也不能判斷是否分合到位，需要運維人員在現場確認操作是否到位、有沒有異常發生等，無法一鍵順控到底，需要人工干預。近幾年，大批無人值守站投入運行，使變電站的運行工作量大大增加。尤其是500 kV及以上的變電站，很多地方都很偏僻，若不能一鍵控制，就得由維保中心的運營人員坐車到變電站，浪費大量的人力和物力，停機復用的時間并不能縮短。

2 功能需求分析

2.1 一鍵順控功能

倒閘作業是變電站作業人員的一項重要工作，設備停電檢修、新設備投運等，都要進行倒閘作業，且作業量呈幾何倍數增長，運行人員短缺的矛盾也越來越突出，而順控操作可以有效地解決這一矛盾。順控操作是指一次設備和二次設備，通過使用變電站自動化系統中的程序控制模塊，根據操作單的運行次序，并對其進行檢查；實現電氣設備智能運行。如果在進行了連續控制后，仍然要求操作人員到現場檢查設備狀況，確認無誤后再運行，人為干預會使順控作業的優越性發揮不出來，不能實現一次順控。智能化的變電站運檢與監視系統，通過與視頻監控、巡視機器人進行交互，獲得相關設備的運行錄像，對切換裝置的位置進行智能識別，并將判定結果反饋至自動控制系統。順序控制無須人力介入，真正實現了一次順控、一鍵完成，操作人員不必與高壓設備直接接觸，基本杜絕了人員傷亡。在后臺進行遙控操作，無需安排人員前往變電站，不會受到距離和交通狀況的限制，大大提升了工作效率，減少控制開關的時間，尤其是涉及到主變、母線的大規模運行，減少送電和延遲送電的可能性，從而提高用戶滿意度。

2.2 智能視頻監視功能

通過配置高清晰攝像機，可以實時、清晰、流暢地顯示變電現場的實時監控錄像，并將歷史監視視頻保存起來，方便隨時查看。監控系統涵蓋了變電站的全部電氣設備，其范圍包括：一次設備的外觀、主變本體、油位表；油溫計，GIS 開關設備位置狀態，SF6氣壓計、主控室內各個防護屏上的指示燈、壓板、電容器、避雷器的工作次數、漏電計等?？蓪z像機在順控下進行聯動，智能地對切換裝置的位置狀況進行識別，并可實現對設備狀態的異常信號的確認。

2.3 機器人巡視功能

對變電站的設備進行巡視是操作人員的一項重要工作。該系統配備了巡檢機器人，可以設計出多種巡檢任務，例如全面巡檢、特殊巡檢。在全面巡檢模式下，機器人按照預定的巡檢內容、巡檢時間、巡檢周期、線路等參數，自動開始并完成巡檢工作。在特殊的監控模式下，由操作人員確定監控內容，人工開始監控，智能監控機器人自動進行巡視。巡檢錄像存儲在系統后臺，方便操作人員查閱，采用智能識別和手動遙控的方法，實現巡檢工作。巡檢機器人可與順控操作協同工作，在接到指令時自動抵達巡查所需的設備，并對切換裝置的位置進行拍照，并將其上傳至背景影像識別模塊；智能地辨識切換裝置的位置狀況。通過機器人巡檢，可以節約人工，有效地提高了維護工作的效率和質量，并對電力設備的運行狀況進行了全面的了解。

3 系統架構

系統采用層次化設計，軟件功能模塊化封裝，總體架構如圖1所示。分為硬件層、操作系統層、通信總線層、數據庫層、公共服務層、中間件服務層和應用層。在軟件平臺的基礎上，通過ICE 中間件服務實現了對Web，CS、移動終端等不同類型客戶端的支持。

圖1 系統軟件結構

4 關鍵技術研究

4.1 ICE中間件

針對跨平臺技術的選擇特性，結合多語言的混合編程，提出了基于ICE 中間件的中間件服務界面的設計。ICE的體系結構包含了客戶端和服務端，ICE內核，ICEAPI，對象適配器，ICE 代理，ICE 框架，ICE 框架，客戶ICE 核心，服務器核心，對象適配器，ICE框架，Slice，代理，框架，Slice，Slice。高級應用程序開發人員為異構網絡環境下的對象中間件提供一套強有力的特性和功能支撐；由于采用ICE 中間件技術，開發者無需太多地關注跨平臺、網絡底層通信以及分布對象，因此可以把更多的精力集中在業務邏輯代碼的處理上。利用ICE 中間件技術，將平臺網絡總線信息發送到接收接口、數據庫操作接口、信令交互等不同編程語言的調用接口中，而業務代碼則僅需要關注業務，完成客戶端或服務端的初始化后，按照通用接口調用實現。

4.2 聯動方案

利用基于圖形的可視化邏輯過程建模，并將腳本驅動技術與編程技術相結合，實現了基于任務、事件、網關等模式的邏輯圖表，通過對可視化的邏輯過程進行建模，使其具有柔性，并與腳本驅動技術相結合。本技術具有如下特征：①實現了設備的智能化聯動控制。采用基于任務、事件、網關等邏輯模式的聯動控制業務，以事件模式為觸發條件，任務模式為具體實施行為，網關模式為邏輯分支。②該系統能夠實現系統內部和外部設備之間的連接。提出了一種以邏輯圖形為基礎的聯動邏輯模型，并實現了可視化的結構編輯。③系統能通過邏輯關系的結合，實現串、并、混合執行；具有腳本驅動、閉鎖判斷、動態干涉等多種交互作用。

4.3 視頻分析算法

視頻圖像算法分析仍然采用傳統的檢測技術，主要包括3個步驟：①針對變電站實際應用的特點，重點研究了特征表達問題，選取了適合特征模型的映射區域作為特征矢量；②將所學到的分類算法進行分類；③采用人工設計和自動學習等方式對樣本進行訓練，提高了特征模型的表達能力。

5 智能化應用與實現

（1）刀閘識別。在遠程“一鍵操作”命令發出后，系統對應動作設備的多維實時視頻進行位置預設，用于采集操作前設備狀態、設備動作視頻、操作后狀態的圖像；通過錄像，并與圖象分析算法相結合，進行狀態辨識，對順控操作的視頻源進行確認，對異常報警進行了支持；確?？煽康倪h程一鍵操作。

（2）智能連接。在現場監控設備數據出現異常情況時，與SCADA 運行數據和PMS 臺賬數據結合，應用系統專家庫程序，通過設備狀態評估分析模型分析結果，向告警服務程序推送異常信息，觸發智能聯動推理機服務程序啟動相應處理流程。通過聯動將監控一次設備的視頻圖像直接形象地展示給用戶，用戶不但獲取了臺賬數據、監測數據、運行數據和告警數據，還能夠實時獲取設備場景圖像，讓運維人員全方位掌控設備的數據信息。

（3）操作行為。變電站員工人數眾多，管理難度大。采用變電站智能監控系統，利用視頻分析模塊，可對現場工作中的違法行為進行自動分析和統計；習慣錯誤的自動記錄。監控人員只要在系統中查看操作，就可以獲得操作的狀態，并將分析的結果和操作抓圖保存起來，以便隨時調閱。

6 結束語

在“云，大，物，移”等新技術的持續發展和智能化的需求下，提升智能化系統實用性、創新性和管理性的問題有待深入研究。文章從基礎應用開始進行相關的課題研究工作，從海量的視頻中自動挖掘包括一次生產設備的健康狀況、安全生產業務價值信息等。下一步將通過深度學習等方法進一步研究視頻影像技術，通過視頻技術的應用做出更加適合變電站智能化應用的優勢系統。