可視化配電站房智能輔助系統及關鍵技術研究

張 鵬

(江蘇澤宇電力設計有限公司，江蘇 南京 210018)

0 引言

傳統站房部署有源傳感器、視頻監控設施和站房動環主機，傳感器需外接電源線、信號線，部署極不方便，視頻監控僅作為事后回看等作用而不能充分發揮價值，動環主機采集匯聚協議未完全統一。數據之間相互割裂沒有有效融合，且未能發揮數據一次采集、多次利用的目標。

隨著輸、變、配電物聯網無線傳感技術相關標準的制定和智能巡視系統的推廣應用，通過無源傳感器、高清視頻和導軌機器人等聯合監測，邊緣可視化網關統一匯聚傳感數據，利用人工智能技術實時分析視頻圖像，能夠及時告警和聯動，實現區域自治。同時，通過無線公網或專網，數據安全加密傳輸到平臺應用層，云邊協作發揮了數據的共享利用和融合管理。此套系統實現了環境監測、環境聯動、安防監測、安防聯動、設備狀態監測和視頻巡檢的功能目標。

采取物聯網的層次架構，感知層通過末端無線傳感和視頻監控數字化實時采集，邊端智能化治理。網絡層視頻數據承載在無線公網5G/4G，傳感數據通過硬加密，業務數據承載在電力無線專網，保證了數據傳輸實時性和安全性。平臺應用層包括可視化平臺、物聯網管理平臺和智能輔助應用平臺，采用標準的通信協議。

1 建設方案

系統總體架構由配電站房智輔平臺、站內外網絡傳輸系統、站端系統等部分構成。配電站房智輔平臺面向運維人員，實現配電站房整體運行狀態的遠程監測和巡視，通過信息內網的物聯網數字化平臺和可視化平臺獲取傳感數據和視頻圖像信息。網絡傳輸系統通過站內低功耗無線采集傳感和有線以太網采集視頻，站外無線5G和電力專網實現窄帶和寬帶業務需求。站端系統由傳感器、匯聚節點、視頻設備、巡檢機器人、邊緣網關組成，共計22類，其中：(1)傳感器分為：環境監測和聯動實現對站房內溫度、濕度、水位或水浸信息、SF6氣體濃度、煙霧濃度等環境信息的采集，根據設定規則聯動控制空調、風機、水泵等調節站房環境；安防監測和聯動實現對站房內安防狀態的實時監測，在發生非法入侵的情況下產生告警，聯動控制燈光和門鎖；設備狀態監測實現對站房內配電變壓器運行噪聲、蓄電池狀態、中壓開關柜局放等電力設備信息的采集和告警。(2)匯聚節點實現無線傳感器的南向接入和北向傳輸，解決信號覆蓋盲區問題。(3)視頻監控和巡檢機器人實現對配電站房內運行情況的實時監控和指定設備點位、區域的圖像分析，遠程核查告警信息的準確性并及時做出合理的檢修方案。(4)邊緣網關接收站內設備狀態、環境信息、安防信息、視頻監控等監測數據，通過區域自治能力實現預警處理和告警聯動控制等，同時通過雙無線上行分別上送傳感數據到物聯網管理平臺，將視頻監控信息通上送到可視化平臺[1]。

根據配電站類型可以選擇不同配置方案。以基礎型為例，環境傳感器配置溫濕度傳感器4個、水浸傳感器3個、煙霧傳感器2個、SF6氣體監測傳感器4個，環境聯動設備配置風機聯動裝備2個、空調/除濕聯動裝置2個，安防監測終端配置智能門鎖1個，安防聯動設備配置燈光聯動裝置1個，設備狀態監測配置蓄電池監測1個、特高頻局放探測器1個、變壓器噪聲傳感器1個，視頻監控設備配置球形攝像頭2個、槍型攝像頭2個、NVR視頻錄像機1個，無線匯聚節點1個，站房網關1個。

2 關鍵技術

2.1 LoRa

LoRa(Long Range)作為LPWAN(Low Power Wide Area，低功耗廣域技術)中較為成熟的一種技術，具備接收靈敏度高(可達-140dBm)、抗干擾能力強、功耗低等特點，實現了供電“無源”和通信接口“無線”。LoRa是基于線性調制擴頻(CSS)的一種物理層調制技術，可構建Mesh、星型、點對點等網絡架構。幾種LPWAN協議對比如表1所示。

表1 LPWAN協議對比

LoRa低功耗通過速率自適應ADR (Adaptive Data Rate)和信道活動監測CAD(channel active device)實現。ADR是一種算法，通過自適應網絡路徑來改變通信速率和功率以保障可靠的傳輸，從而提高總體資源的利用率。此外，傳統接收信號強度指示RSSI (Received Signal Strength Indicator)不能有效區分噪聲還是數據信號，而CAD通過探測擴頻序列存在的碼元數據，能夠把LoRa信號從噪聲中區分出來。例如，在一個采樣處理周期內，通過擴頻因子(SF)和擴頻帶寬(BW)計算出碼元的持續時長，接收端進行周期的喚醒和休眠循環模式，發射端通過持續發射該周期時長的喚醒碼以讓接收端在喚醒時可以探測到擴頻碼元。

2.2 5G和1 800 MHz

配用電信息實時采集和視頻監控業務對網絡的大帶寬、低時延和安全性有著較高要求，無線寬帶網絡不僅適用于快速建站，同時還滿足接入要求，實現了配用電多業務的綜合接入[2]。

5G的增強移動帶寬(eMBB)、超高可靠低時延通信(uRLLC)、大規模連接通信(mMTC)等特點滿足了數據傳輸多樣性的要求，推動了產業轉型升級。大規模天線技術是提高系統容量和頻譜利用率的關鍵技術，采用Mini Slot和免授權調度傳輸滿足空口傳輸低時延的要求，無線網絡的PSM/eDRX技術實現了大連接和低功耗。

電力無線專網承載在1 785～1 805 MHz專用頻段，由電力公司建設運營，采取雙向鑒權認證、安全性激活等安全措施。接入方案在物理上與無線公網隔離保證了電力特定業務的需求，同時TD-LTE技術滿足接入性能要求。

2.3 通信協議

傳感器分為單向上報的微功率傳感器和雙向傳輸的低功耗節點傳感器，分別與匯聚節點或站房網關之間采取國網標準的輸變電設備物聯網微功率無線網通信協議和輸變電設備物聯網節點設備無線組網協議。其中，微功率無線協議僅支持短報文傳輸，CSS物理層工作在470～510 MHz頻段，網絡結構為星型網絡拓撲，協議棧結構分為物理層和數據鏈路層；低功耗節點無線協議支持長報文傳輸和業務數據分片重傳，CSS物理層工作在2 400～2 483.5 MHz頻段，網絡架構分為樹狀網絡拓撲和多跳網絡拓撲，協議棧結構為頂層網絡層用于端到端的包傳輸交換、中間層為數據鏈路層支持從設備的接入和調度、底層為物理層負責處理比特流的物理傳輸，具有調制與解調、發送狀態和接收狀態的切換等功能。

視頻監控設備與站房網關之間通信使用國標GB/T28181—2016公共安全視頻監控聯網系統協議，完成信息采集、傳輸、交換、控制、顯示、存儲、處理等功能。

站房網關與可視化平臺之間通信協議使用國網標準Q/GDW1517.1—2014電網視頻監控系統及接口中的B接口(SIP-B)，規定了注冊、資源信息上報和獲取、歷史查詢、錄像檢索和回看、實時視頻調閱、語音對講和廣播、云鏡控制、事件訂閱和通知等。

站房網關與物聯網管理平臺之間通信協議使用MQTT(消息隊列遙測傳輸)進行各類業務報文的接收與發送、設備管理和容器管理。設備管理包括端設備的接入、刪除、狀態更新、事件主動上報。容器的管理包括容器和應用的創建、刪除、升級、啟動、停止，容器資源如CPU核數、內存、存儲、接口等查詢和配置。MQTT是ISO 標準(ISO/IEC PRF 20922)下基于發布/訂閱范式的輕量級字節流消息協議，廣泛應用于物聯網通信連接。

物聯網管理平臺對外提供API接口，采用HTTPS協議，接口使用遵循RESTful風格API和MQ API。

2.4 容器虛擬化

邊緣網關采取軟硬件解耦設計，硬件平臺化、功能軟件化。容器技術是實現的關鍵，容器運行于操作系統之上，提供軟件應用運行所需的環境，一個容器內可以部署多個應用程序及依賴的組件，實現在不同硬件環境運行同樣的應用程序的目的，達到了功能軟件動態增刪按需安裝的要求。且各容器享有的資源權限可動態配置，運行相互隔離、互不影響。采取開源的應用容器引擎Docker，使用C/S架構，客戶端和服務端可以運行在一個機器上，也可通過網絡進行通信。

2.5 智能巡檢

通過嵌入邊端人工智能芯片，利用深度學習模型提取特征，依據現場速度要求進行并發識別。通過圖片標注環境訓練測試，模型檢出率、誤檢率和平均檢出時間滿足要求。支持4個場景的識別功能：對安全帽佩戴和摘帽行為、區域入侵、小動物入侵的生物識別，以及作業人員倒地識別；支持告警事件、圖片及視頻流截取上送[3]。

3 結語

系統已廣泛應用于國網江蘇的智慧配電站房可視化項目，數字可視化技術實現了遠程集中運維管理，能夠替代人工不間斷監測各站點運行情況，發生故障自動預警聯動控制，遠程巡視指揮現場消缺，同時系統可擴展升級，避免重復投資。系統投入使用以來降低了運維成本，提升了運維效率，提高了突發故障處理能力，為配電設備穩定運行提供了堅強的保障。在今后的發展中，引入數字孿生技術，更加有效實現數據的融合再生產價值，實現精準巡視和檢修。