基于3D數(shù)據(jù)平臺的變電站智能技術(shù)研究

國家管網(wǎng)集團(tuán)深圳天然氣有限公司 龔 亮

在人工智能技術(shù)興起初始，已在變電站上進(jìn)行了“智能化”嘗試，研究的側(cè)重點(diǎn)在專家系統(tǒng)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)方面，簡單來說就是引用拍攝場景來實(shí)現(xiàn)一些簡單的在線監(jiān)測和故障診斷工作，但由于初始時的算法、數(shù)據(jù)及算力等方面還不夠成熟，網(wǎng)絡(luò)傳輸延遲、傳感器精度不足、拍攝像素低等因素制約，導(dǎo)致在實(shí)際應(yīng)用中未能獲得預(yù)想中的效果。隨著“5G網(wǎng)絡(luò)”數(shù)據(jù)傳輸、傳感器技術(shù)、云計(jì)算技術(shù)和AR呈現(xiàn)技術(shù)等多種人工智能技術(shù)的研發(fā)逐漸成熟，以往的技術(shù)難題都得到不同程度的突破，這些技術(shù)驅(qū)使傳統(tǒng)變電站走向高自動化、智能化及數(shù)字化的方向發(fā)展。

3D數(shù)據(jù)平臺主要是通過構(gòu)建起三維模型方式，再運(yùn)用多圖層立體可視化將變電站中所有的設(shè)施設(shè)備展示出來，主要是構(gòu)建成了三維立體數(shù)字化和可視化的物理模型，該模型中的各項(xiàng)坐標(biāo)都與實(shí)際場景呈現(xiàn)一一對應(yīng)，切實(shí)展現(xiàn)出變電站的全景，實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控與數(shù)據(jù)共享，做到實(shí)景交互及同景感知。3D數(shù)據(jù)平臺也會與在線監(jiān)測系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)等實(shí)現(xiàn)融合，在平臺中可視化展示出設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)、遙測信息、檢修狀態(tài)、電網(wǎng)遙測及異常告警狀態(tài)等，進(jìn)一步提升了變電站多系統(tǒng)間的交互水平，促進(jìn)著變電站智能運(yùn)行管理的有效性[1]。

1 以3D數(shù)據(jù)平臺為基礎(chǔ)的變電站智能系統(tǒng)分析

1.1 以3D數(shù)據(jù)平臺為基礎(chǔ)的變電站智能巡檢系統(tǒng)

多數(shù)傳統(tǒng)的變電站都搭配了視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但由于攝像機(jī)視角受限，以及無法有效的識別設(shè)備是否存在異常和故障，因此主要還是依賴人工來完成巡檢工作，但不確定因素較多：巡檢質(zhì)量受巡檢人員的責(zé)任心影響，加上長時間同樣的工作容易導(dǎo)致精神疲勞和工作懈怠，導(dǎo)致設(shè)備問題無法被及時發(fā)現(xiàn)；如廠區(qū)內(nèi)存在多個變電站且路途較遠(yuǎn)，則需耗費(fèi)較多的時間和精力去完成巡檢工作；人工巡檢會受到外部環(huán)境、氣候等因素的影響，巡檢效果波動大，后續(xù)管理的成本較高。此外工作人員在變電站內(nèi)巡檢，必然會穿行在帶電設(shè)備之間，甚至需觸碰電氣設(shè)備外殼，當(dāng)電氣設(shè)備出現(xiàn)漏電等故障時可能會對巡檢人員造成傷害。

隨著近年高新技術(shù)的發(fā)展，不僅計(jì)算機(jī)設(shè)備本身的性能得到提升，人工智能技術(shù)、通信技術(shù)、圖片識別技術(shù)、高清攝像技術(shù)及視頻監(jiān)控技術(shù)等都廣泛運(yùn)用到多個領(lǐng)域中。這些技術(shù)運(yùn)用在變電站巡檢工作中能大幅度提升巡檢的力度、效率及質(zhì)量，使綜合性智能技術(shù)很大程度上可替代人工巡檢。基于3D數(shù)據(jù)平臺的變電站智能巡檢系統(tǒng)主要功能，是采用智能巡視機(jī)器人在既定軌道或線路上對主控室、配電室進(jìn)行自動巡檢，當(dāng)發(fā)現(xiàn)設(shè)備出現(xiàn)異常狀態(tài)或安全隱患時能主動上報(bào)，對于一些已錄入程序的簡單故障也可自行處理，保障整個電力系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性，進(jìn)一步提升輸配電的可靠性。因此，智能巡檢系統(tǒng)雖是較基礎(chǔ)的智能化手段，但也是智能變電站中必不可少的一項(xiàng)技術(shù)。

智能巡檢系統(tǒng)與變電站SCADA系統(tǒng)進(jìn)行信息交互時，可遠(yuǎn)程智能化識別刀閘設(shè)備狀態(tài)和異常情況，方便對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行綜合判斷。在這種智能系統(tǒng)的作用下巡檢發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常變得更加敏銳，能根據(jù)故障類別及時做出相應(yīng)預(yù)警。當(dāng)開關(guān)設(shè)備發(fā)生倒閘操作時，該系統(tǒng)可控制機(jī)器人根據(jù)管理人員的需要調(diào)整站位進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，甚至可根據(jù)遠(yuǎn)程命令對開關(guān)設(shè)備進(jìn)行分合斷路器、操縱地刀等操作，避免了可能出現(xiàn)的人身傷害。通過3D數(shù)據(jù)平臺來實(shí)現(xiàn)變電站智能化不僅可作用在巡檢，再配合其他高新技術(shù)給予的賦能，智能化變電站相較于傳統(tǒng)變電站的優(yōu)勢越來越明顯。

1.2 以3D數(shù)據(jù)平臺為基礎(chǔ)的變電站智能操作系統(tǒng)

如今的智能化變電站開始陸續(xù)引入AR技術(shù)、人工智能技術(shù)及UWB定位技術(shù)等較為成熟的技術(shù)，使電力系統(tǒng)也開發(fā)出智能操作系統(tǒng)，具體對該系統(tǒng)的功能研究方向在于智能化檢修功能、對變電站的多種現(xiàn)場作業(yè)進(jìn)行智能監(jiān)控功能等。

以變電站智能操作的檢修系統(tǒng)為例，其主要是綜合應(yīng)用智能系統(tǒng)當(dāng)中的多種數(shù)據(jù)，再進(jìn)一步結(jié)合激光雷達(dá)定位技術(shù)、AR技術(shù)等實(shí)現(xiàn)變電站的智能操作。變電站智能操作系統(tǒng)的功能還包括智能化編制檢修方案、智能化管理檢修計(jì)劃、智能化把控檢修過程、對檢修提前進(jìn)行預(yù)演等，優(yōu)勢就在于能進(jìn)一步提升設(shè)計(jì)檢修的效率與質(zhì)量，還能盡可能降低操作的安全風(fēng)險(xiǎn)。

變電站的智能檢修系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中，還應(yīng)充分利用站內(nèi)系統(tǒng)數(shù)據(jù)反映出設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的原則，以便更好地開展設(shè)備檢修工作，這種智能化系統(tǒng)打破了以往各系統(tǒng)當(dāng)中數(shù)據(jù)獨(dú)立性的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)數(shù)據(jù)交互并進(jìn)行數(shù)據(jù)深入分析，最終的分析結(jié)果即能反映出變電站的所有設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，將故障設(shè)備識別出來并發(fā)出警報(bào)，最后該系統(tǒng)會結(jié)合激光雷達(dá)技術(shù)及AR技術(shù)進(jìn)一步制定出相應(yīng)故障處理方案，其中基于AR技術(shù)的設(shè)備會直接鏈接3D數(shù)據(jù)平臺，進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互共享，能向管理人員反映出現(xiàn)場檢修工作開展的情況，也便于進(jìn)行遠(yuǎn)程指導(dǎo)，保障設(shè)備故障的順利排除[2]。

以變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)為例，該操作系統(tǒng)主要是運(yùn)用UMB信號定位技術(shù)，再結(jié)合所有變電站的監(jiān)控設(shè)備，最終實(shí)現(xiàn)了基于3D數(shù)據(jù)平臺的智能化監(jiān)督模式。變電站智能監(jiān)控系統(tǒng)能對整個作業(yè)區(qū)域進(jìn)行三維可視化呈現(xiàn)，具有較高的定位水平，其定位的對象包括作業(yè)人員、作業(yè)設(shè)備等，同時還具備了誤碰報(bào)警響應(yīng)的功能，進(jìn)一步監(jiān)督相關(guān)作業(yè)人員的規(guī)范工作，避免由于監(jiān)管不到位而出現(xiàn)作業(yè)效率低問題，實(shí)際監(jiān)督具有實(shí)時性。

變電站的智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合UMB信號定位技術(shù)還采用了交點(diǎn)質(zhì)心的三維定位算法，直接將原本的二維監(jiān)控拔高到三維精準(zhǔn)定位、可視化顯示以及監(jiān)控的形式，再結(jié)合電子安全圍欄技術(shù)進(jìn)一步確定作業(yè)的圍欄，最后結(jié)果會被反饋到智能終端，同時在3D數(shù)據(jù)平臺顯示出來，智能終端能判定作業(yè)人員是否跨出了規(guī)定區(qū)域，避免人員出現(xiàn)過于危險(xiǎn)的作業(yè)行為。

1.3 以3D數(shù)據(jù)平臺為基礎(chǔ)的變電站智能安全系統(tǒng)

為方便電能的輸電、變電、配電，電壓等級多、規(guī)模較大的工廠往往會設(shè)置多個變電站，導(dǎo)致變電站管理難度較大。若變電站管理上只依賴于人工，不僅難以做到電氣設(shè)備的有效管理，也會使安全管理效果降低。因此研發(fā)了變電站的智能安全監(jiān)控系統(tǒng)，其結(jié)合智能視頻識別技術(shù)與智能監(jiān)控技術(shù)，再搭配卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，利用智能系統(tǒng)當(dāng)中的數(shù)據(jù)交互可保證智能視頻的識別做到全覆蓋。智能安全監(jiān)控系統(tǒng)的核心技術(shù)為智能視頻識別技術(shù)，所有進(jìn)入變電站的人員、包括表露出來的工具都可經(jīng)過大數(shù)據(jù)進(jìn)行識別。

智能安全系統(tǒng)還可與其他系統(tǒng)進(jìn)行交互，進(jìn)一步確保作業(yè)人員進(jìn)入到哪個作業(yè)區(qū)域及在該區(qū)域內(nèi)的權(quán)限，如與SCADA系統(tǒng)間的交互可進(jìn)一步識別當(dāng)天入站的所有工作人員及作業(yè)區(qū)域，其中還結(jié)合運(yùn)用了人臉識別技術(shù)，通過人臉特征向量的獲取來識別身份，此外還具有區(qū)域化權(quán)限管理與監(jiān)控的功能，避免不經(jīng)過身份確認(rèn)的人員進(jìn)入到作業(yè)區(qū)域內(nèi)，會做出對應(yīng)的異常報(bào)警響應(yīng)，從而提升變電站的安全管理水平。

變電站的安全監(jiān)控系統(tǒng)另外一個主要功能是監(jiān)控整個作業(yè)過程中作業(yè)人員的危險(xiǎn)行為，尤其是跨出安全作業(yè)區(qū)域、不佩戴安全裝備行為等。系統(tǒng)在判斷存在危險(xiǎn)行為時會首先做出現(xiàn)場聲光警示，當(dāng)不安全行為在一定的時間內(nèi)未更改，系統(tǒng)將異常信息直接反饋到監(jiān)控平臺，從而提醒運(yùn)行管理人員進(jìn)行人為干預(yù)，達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)管控目的。

2 基于3D數(shù)據(jù)平臺的變電站智能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 視頻監(jiān)控技術(shù)

變電站的智能安全監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行過程中，主要是在變電站的各個位置上安裝監(jiān)控相關(guān)區(qū)域的攝像機(jī)，這些攝像機(jī)作為拍攝終端，會將監(jiān)控到的影像數(shù)據(jù)傳輸給分析服務(wù)器，最后由分析服務(wù)器與其他系統(tǒng)間形成交互，對人員的實(shí)際身份、作業(yè)行為等進(jìn)行識別，而為了盡可能提升識別的準(zhǔn)確性以及實(shí)時性，關(guān)鍵在于3D卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控技術(shù)。

在視頻監(jiān)控技術(shù)中，卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)會結(jié)合樣本量來構(gòu)建相應(yīng)模型，同時還會獲得模型的相應(yīng)適應(yīng)參數(shù)，然后經(jīng)卷積層作用進(jìn)一步激活函數(shù)，最后是池化層與全連接層發(fā)揮作用，反復(fù)進(jìn)行上述操作，會確定輸入數(shù)據(jù)的特征向量。該輸入數(shù)據(jù)包括人員身份、行為等外在表現(xiàn)數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)特征向量還能夠進(jìn)行對比運(yùn)算，若是其運(yùn)算結(jié)果比閾值小時該數(shù)據(jù)就是正常的，若運(yùn)算結(jié)果比閾值大時就表示輸入數(shù)據(jù)存在異常情況，比如說操作行為異常或身份可疑，這種異常結(jié)果也會傳送到與3D數(shù)據(jù)平臺當(dāng)中，最后做出告警提醒[3]。

2.2 AR技術(shù)

是變電站智能系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一，能對攝影機(jī)影像實(shí)時位置、角度進(jìn)行計(jì)算，同時還能加上相應(yīng)的圖像技術(shù)。AR技術(shù)的運(yùn)用能將虛擬的物體和真實(shí)的環(huán)境疊加起來，從而在一個畫面當(dāng)中呈現(xiàn)出來。通過對整個變電站的三維建模來進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)變壓器、開關(guān)柜等固定電氣設(shè)備的AR作業(yè)。如，相應(yīng)的檢修工作人員可直接手持AR移動作業(yè)平板來識別設(shè)備，AR技術(shù)還能將設(shè)備的一些相關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)展示出來，同時也提供著查詢工作計(jì)劃、作業(yè)方案、JSA分析、安全技術(shù)交底、作業(yè)許可和確認(rèn)檢修對象的服務(wù)。

AR技術(shù)也能對整個檢修流程開展預(yù)演，主要是結(jié)合其移動作業(yè)平板構(gòu)建三維零部件模型來預(yù)演，可視化呈現(xiàn)出設(shè)備的拆解操作、安裝操作、調(diào)試操作及試驗(yàn)操作等。作業(yè)前先將相關(guān)的作業(yè)方案信息導(dǎo)入，結(jié)合系統(tǒng)中已有的設(shè)備結(jié)構(gòu)、原理等數(shù)據(jù)，通過AR技術(shù)預(yù)演對其中的關(guān)鍵步驟、重要流程等加以控制，協(xié)作工作人員順利完成檢修工作。此外，基于大數(shù)據(jù)平臺，AR極速的移動作業(yè)平板還能對檢修對象的歷史缺陷記錄、檢修臺賬信息、歷史試驗(yàn)記錄、檢修記錄，以及同類檢修案例等進(jìn)行全面查詢，以便為實(shí)際檢修工作的開展提供更多有用數(shù)據(jù)信息。

2.3 UWB三維定位技術(shù)

主要是在智能安全系統(tǒng)中發(fā)揮作用。在變電站智能安全系統(tǒng)中，其可在安全作業(yè)區(qū)域內(nèi)對移動的目標(biāo)進(jìn)行有效定位并建立起三維坐標(biāo)系，同時在該坐標(biāo)系中設(shè)置好相應(yīng)的目標(biāo)坐標(biāo)、參考節(jié)點(diǎn)及定位基站等。參考節(jié)點(diǎn)在整個三維空間內(nèi)是呈現(xiàn)隨機(jī)分散狀態(tài)的，先對三維空間內(nèi)的多種物理量數(shù)據(jù)進(jìn)行收集，再通過鏈路傳遞方式將這些數(shù)據(jù)傳到定位基站上，最后定位基站會通過以太網(wǎng)來與智能終端實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。智能終端接收到數(shù)據(jù)后，還會產(chǎn)生響應(yīng)的控制信號，反饋給定位基站，而定位基站在接收到信號之后會進(jìn)一步生成新的檢測任務(wù)，向檢測的移動目標(biāo)開展數(shù)據(jù)收集工作，最后將收集到的數(shù)據(jù)信息與原本智能終端的身份數(shù)據(jù)信息進(jìn)行比對識別，確定人員身份和位置。

對人員實(shí)際位置的確定主要是基于交點(diǎn)質(zhì)心的三維定位算法，其原理是發(fā)送信號并測得信號到達(dá)目標(biāo)的時間來計(jì)算出距離。簡單來說，需要在三維空間內(nèi)設(shè)置四個參考節(jié)點(diǎn)，這四個節(jié)點(diǎn)的選擇要求是盡可能地靠近移動目標(biāo)，然后將移動目標(biāo)與每個參考節(jié)點(diǎn)間的距離當(dāng)作半徑構(gòu)建相應(yīng)的球體模型，再通過計(jì)算得出四個球的交點(diǎn)，其也是該三維空間內(nèi)，移動目標(biāo)的相應(yīng)定位坐標(biāo)點(diǎn)。UWB三維定位技術(shù)的這種定位方式精準(zhǔn)度較高，同時還以智能終端的相應(yīng)數(shù)據(jù)庫為核心開展數(shù)據(jù)共享，準(zhǔn)確進(jìn)行目標(biāo)的身份確認(rèn)及授權(quán)管理，若出現(xiàn)異常則會告警，最后在3D數(shù)據(jù)平臺上顯示出來，保證對安全作業(yè)的監(jiān)控落實(shí)。

3 結(jié)語

當(dāng)前變電站智能化發(fā)展的過程中運(yùn)用了多種智能技術(shù)，且這些技術(shù)結(jié)合3D數(shù)據(jù)平臺運(yùn)用，能進(jìn)一步提升變電站的綜合管理水平與運(yùn)行效率。基于3D數(shù)據(jù)平臺的變電站智能系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)主要包括視頻監(jiān)控技術(shù)、AR技術(shù)以及UWB三維定位技術(shù)等，基于這些技術(shù)可構(gòu)建成變電站多種智能系統(tǒng)，包括操作系統(tǒng)、巡檢系統(tǒng)以及安全系統(tǒng)。