變電站運維檢修管控系統設計與開發

趙冀寧張 寧祖樹濤楊世博劉曉飛

(國網河北省電力有限公司超高壓分公司,河北 石家莊 050000)

0 引言

近年來,“新基建”得到進一步發展,5G 基建、特高壓、大數據中心、工業互聯網等領域加快建設步伐[1],大數據、移動互聯、人工智能等技術也逐漸應用于電力系統各個環節[2],尤其在電力營銷服務[3]、調度運維監控[4]、設備狀態在線監測[5]等方面,已經能夠做到對大量信息的快速篩選、高效處理和對各類在運設備狀態的實時感知。而在電力運維檢修作業管控的高效性、實時性、準確性方面與其他專業相比仍存在較大差距[6]。

電力運維檢修主要包括設備驗收、例行檢修、缺陷處理、大修技改等。目前,檢修專業的作業質量主要依賴于檢修人員現場把控,“應修必修,修必修好”這一檢修理念只能通過痕跡化的紙面記錄來保證[7]。此外,檢修用工器具、儀器儀表及設備所能反映出的檢修質量(如可量化的力矩值、試驗數據、真空度等關鍵信息)缺乏實時感知[8];檢修質量缺乏遠程傳輸及監控手段,僅記錄于紙質文檔中,管理人員無法及時了解現場檢修情況,導致現階段的管控效率低,各層級管理缺乏穿透性。

在變電站運維檢修管控方面,國內外學者進行了相關研究。文獻[9]提出了一種“傳統安全+物聯網安全”的新型管控模式,建立基于RFID 的可移動電子圍欄檢測系統、基于運動目標檢測的人員行為軌跡監控系統、基于便攜式設備的安全監控系統、基于GPS的車輛定位監控系統以及一體化智慧監管云平臺,實現了對作業現場全方位、一體化的遠程管控;文獻[10]利用可穿戴設備無線傳感自組網技術,實現了人體與環境的信息反饋以及工作人員的精準定位,提升了電力施工安全性;文獻[11]提出了一種變電站施工作業人員安全管控方法,并開發了相應的安全管控系統,提升了變電站人員安全管控的效率和可靠性,增強了變電站施工作業的整體安全性;文獻[12]提出了一種基于北斗定位的變電站作業人員行為安全管控系統,利用三維激光掃描技術對變電站進行三維建模,并構建三維數字地圖,利用超寬帶UWB+北斗的一體化定位技術,實現變電站作業人員室內外高精度定位,最后將智能手環、北斗定位終端與電力工作票結合,實現了對變電站作業人員的實時定位以及行為安全的實時監測,提升了變電站作業現場的安全管控水平。上述方法大都完成對變電站巡檢人員行動軌跡及位置信息的管理,未實現對變電站內檢修質量及過程的有效管控,無法滿足當今新型電力系統背景下輸變電數字化轉型的趨勢[13]。

為解決電力運維檢修管控中存在的問題,針對變電站應用需求,結合先進傳感技術、系統集成技術、無線通信技術、射頻識別技術等,從檢測裝備、管控系統等方面入手,實現對作業現場檢修質量及過程的智能精益化管理。

1 變電站運維檢修管控系統總體方案

變電站運維檢修管控系統架構如圖1所示,本系統主要由智能檢修裝備、檢修現場空間定位系統、檢修作業智能終端設備和后臺智能檢修質量實時管控系統四部分組成,其功能流程如圖2所示。

圖1 系統總體設計方案

圖2 功能流程

智能檢修裝備為本系統監測檢修質量信息的硬件基礎,主要包括智能檢修扳手、智能刀閘操作手柄和真空度測量裝置,具有檢修質量信息精準測量與無線數據回傳功能。基于超帶寬[1415](Ultra Wide Band,UWB)定位技術,通過在檢修工況現場搭建定位基站,并將定位標簽裝配于檢修裝備及巡檢人員,而后通過相關算法,實現實時精準定位,便捷了檢修現場智能檢修裝備及巡檢人員的管理。基于帶有RFID 功能的10.1 寸Android[16-17]平板,通過開發管控APP 軟件,構建了檢修作業智能終端設備,可實現檢修裝備管理、檢修質量評估、檢修任務派發、作業流程管控等功能。智能檢修質量實時管控系統為后端綜合管控系統平臺,可完成對智能檢修裝備及檢修作業智能終端的設備管理、檢修現場空間精準定位與可視化展示、檢修作業信息的分析存儲、檢修任務的歸檔記錄等功能。

2 智能檢修裝備開發

2.1 方案概述

基于電力運維檢修應用需求,開發智能檢修扳手、智能檢修刀閘操作手柄和真空度測量裝置。結合現代先進傳感技術、物聯網技術、UWB 空間定位技術、射頻識別技術等技術支持,最終實現檢修質量信息的精準測量與無線數據回傳、檢修裝備的分米級空間定位、檢修裝備信息的識別獲取及設備管理等功能。

2.2 智能檢修扳手

在傳統檢修扳手基礎上內嵌入高精度扭矩傳感器,當檢修作業施加扭矩時,可將施加扭矩轉變為電信號,實現扭力扭矩的精準測量;引入NBIo T[18-19]技術,采用WH-NB73-BA 型號NBIo T模塊,將所測扭矩信息數據加密處理,并按照既定通信協議通過數據透傳方式發送至Io T 平臺,后臺智能檢修質量實時管控系統可從Io T 平臺二次開發接口獲取數據并進行解析校驗,從而實現扭力扭矩信息的高效無線數據回傳。此外,在檢修扳手上加裝空間定位標簽與超高頻抗金屬電子標簽,實現了智能檢修扳手在檢修工況現場的精準定位與設備管理。智能檢修扳手擁有扭力設定、單位設定、數值儲存、數值清除、數值輸出、用戶校正、聲光報警以及無線數據傳輸等功能,如圖3所示。

圖3 智能檢修扳手

智能檢修扳手屬性如表1所示。

表1 智能檢修扳手屬性

2.3 智能檢修刀閘操作手柄

在傳統刀閘操作手柄機械結構基礎上串接入雙法蘭靜態扭矩傳感器,將其與外置JN-BSQDG 數字模擬變送器連接,并輸出4～20 m A、1～5 V 標準電流電壓信號,完成扭矩信號至電信號的轉變,實現刀閘操作手柄靜態扭矩的精準測量。

與上述智能檢修扳手同理,引入NBIo T 技術,并加裝空間定位標簽與超高頻抗金屬電子標簽,以實現檢修扭矩信息的高效無線數據回傳、設備空間定位以及設備管理等功能,其實物結構如圖4所示。

圖4 智能檢修刀閘操作手柄

智能檢修刀閘操作手柄屬性如表2所示。

表2 智能檢修刀閘操作手柄屬性

2.4 真空度測量裝置

真空度測量裝置的核心部件為Pirani電阻真空計[20]PRV101,其具有準確度高、靈敏度高、抗電磁干擾等優點,可實現變電站內油浸式變壓器油箱真空度的精準測量。

與上述兩裝備同理,加裝NBIo T 模塊、空間定位標簽與超高頻抗金屬電子標簽等,以實現真空度數據信息的實時無線數據回傳、真空度測量裝置精準定位以及設備管理等功能,其屬性參數如表3所示,圖5為真空度測量裝置實物結構。

圖5 真空度測量裝置

表3 真空度測量裝置屬性

3 檢修現場空間定位系統開發

3.1 方案概述

基于超帶寬定位技術,開發檢修現場空間定位系統。UWB技術具有系統簡單化、對信道衰落不敏感、低截獲能力、高定位精度等優點,可滿足電力檢修現場工況的應用需求。

本系統采用“4基站+N 標簽”定位模式,在檢修現場作業區域內搭建定位基站,其中A0、A1和A2基站高于地表1 m,A3基站高于地表1.5 m,并將定位標簽裝配于檢修裝備及巡檢人員,基站A0可將定位系統中所有的測距以及時間信息進行數據加密處理,并按照既定通信協議通過數據透傳方式發送至Io T 平臺,后臺智能檢修質量實時管控系統可從Io T 平臺二次開發接口獲取數據并進行解析校驗,而后通過飛行時間測距ToF(Time of Flight)以及基于信號到達時間差TDOA(Time Different of Arrival)算法解算出定位區域內所有定位標簽的位置信息[2122],最終實現檢修現場智能檢修裝備及巡檢人員的實時精準定位與可視化展示,系統示意如圖6所示。

圖6 檢修現場空間定位系統示意

3.2 檢修現場空間定位原理

UWB技術的測距原理為飛行時間測距法。ToF 為雙向測距技術,其通過測量信號往返2個異步收發機的飛行時間從而計算得出節點間的距離。本系統采用基于信號到達時間差(TDOA)定位算法,根據信號到達待測目標節點與定位基站的時間差來進行定位;與其他定位算法相比,TDOA 定位算法精度較高,配置較為靈活,應用較為廣泛。

3.3 檢修現場空間定位系統設計

在檢修現場空間定位系統中,核心組件為采用“底板+模塊”架構的UWB 定位模塊,其相關參數如表4所示。其既可以作為基站,也可以作為標簽,可通過USB指令進行設置。

表4 UWB定位模塊主要參數

4 檢修作業現場智能終端設備開發

4.1 方案概述

檢修作業現場智能終端設備在CENAVA A11T3型號三防安卓平板的硬件支撐基礎上開發APP軟件,并結合物聯網技術、無線通信技術以及射頻識別技術,實現與智能檢修裝備以及后臺智能檢修質量管控端的多端通信互聯,為檢修作業現場實現智能檢修裝備管理、檢修質量評估、檢修任務派發、作業流程管控等功能奠定了基礎,研制方案如圖7所示。

圖7 智能終端設備研制方案

4.2 智能終端設備屬性

智能終端設備基本屬性如表5所示。

表5 智能終端設備基本屬性

4.3 智能終端設備APP軟件開發

4.3.1 智能終端檢修管控APP軟件開發

基于智能終端設備作為硬件支撐,開發智能終端檢修管控APP 軟件。開發中嚴格遵循實用性、安全性、先進性、穩定性以及可靠性等原則。

本軟件針對Android系統環境進行開發,綜合應用Uni-App安卓開發技術、JSON 數據交換技術、C/S技術、Axios技術、MariaDB數據管理技術、Nodejs-Koa網絡框架等,最終實現了智能終端檢修管控APP軟件的開發與功能應用。

4.3.2 智能終端檢修管控APP軟件功能實現

智能終端檢修管控APP軟件可實現對智能檢修扳手、智能刀閘操作手柄以及真空度測量裝置等智能檢修裝備的設備管理;可將檢修作業質量信息進行可視化展示與質量評估;還可實現檢修任務的設定與派發以及作業流程的管控等功能。

5 智能檢修質量實時管控系統開發

基于云服務器,開發智能檢修質量實時管控系統,其性能參數如表6 所示。本系統平臺在Ubuntu操作系統下進行開發,綜合運用HTTP和WebSocket網絡通信技術、MariaDB 數據管理技術、Nginx Web 服務器、Vue2+Echarts技術,最終實現了對智能檢修裝備及智能終端的設備管理、檢修現場空間精準定位與可視化展示、檢修作業信息的分析存儲、檢修任務的歸檔記錄等功能。

表6 服務器參數

6 結束語

基于電力運維檢修管控現狀和應用需求開發了變電站運維檢修管控系統。本系統通過在變電站工況現場“硬件裝置+軟件系統”的整合應用,實現了檢修質量信息的實時反饋、結果可視化以及作業流程的有效管控,提高了變電站檢修管控的效率與智能化水平。本系統與以往的管控系統相比有一定的優勢,可滿足檢修現場作業應用需求,可實現對作業現場檢修質量及過程的遠程化、數字化、穿透式管理,有一定的推廣應用價值。在后續的研究工作中,可嘗試增強監測檢修質量信息的多樣性,并改善與上級運維系統之間的數據共享與融合應用。