基于RK3568開發板和卷積神經網絡算法的電力系統智能化思路設計

羅杰

關鍵詞：RK3568 開發板；卷積神經網絡算法；電力系統智能化

中圖分類號：TN409 文獻標識碼：A

1研究背景

基礎設施建設對于一個國家的國民經濟發展起著關鍵作用，而電力系統是基礎設施建設領域的重要一環。電力系統的穩定運行對于農業、工業、商業服務業等一二三產業的穩定發展至關重要。其中，農業勞動力短缺是農業生產現狀，農業生產越來越依賴于各種農業機械，而農業領域的大規模機械化生產離不開電力系統的支持，如農業排灌、農作物脫粒，以及農產品的生產、加工和包裝等。

農業生產用的電價明顯低于工商業用電的價格，一般工商業的售電均價在0.6 元/（kW·h）以上，而農業方面1 ～ 10 kV 的售電均價只有0.59 元/（kW·h），10 kV 以上的售電電價更是低于這個標準。

在農業生產領域，農業排灌和農作物脫粒用電在1 ～ 10 kV 層面的售電均價更是低至0.439 0元/（kW·h），其中的尖峰電價不超過0.602 0 元/（kW·h），高峰電價也才0.541 8 元/（kW·h），低谷電價更是低到0.301 0 元/（kW·h）。電力系統為農業生產提供質優價廉的電力支持，這對農業生產效率的提升無疑是巨大的。

2 電力系統智能化的意義

2.1 幫助解決電網布局復雜的問題

電力系統的電網布局非常復雜。智能化的電力系統運用數據模型可以應對復雜的電網布局問題，構建精密的模型可以保障電網系統的長久穩定運行。

2.2 應對電網覆蓋面廣的問題

電力系統的電網覆蓋面非常廣泛，考慮到我國國土面積遼闊以及地形地貌復雜多樣的實際情況，電力系統全覆蓋會面臨現實困難。智能化的電力系統可以在廣袤的國土上實現智能運行、智慧監控，有效應對電網布局廣的問題。

2.3 增強電網系統應對自然災害的能力

電網系統易遭受臺風、雨雪冰凍天氣等自然災害的侵襲，且易造成嚴重的破壞性后果。智能化的電力系統通過傳感器和物聯網系統可以提前感知災害的發生并且精準捕捉問題的發生點，高效處理問題，提高了電網系統的抗風險能力。

2.4 降低人力成本

在低出生率的老齡化時代大背景下，如果單純依靠增加勞動力的方式來建設電力系統，發現并解決問題，無疑會產生巨額成本并在一定程度上降低效率。電力系統智能化可以有效解決人力成本過高和工作效率低的問題。

2.5 提高管理效率

智能化電力系統利用變電智能巡視圖像算法可以實現一鍵順控、圖像判別、破損變形場景識別、表計狀態識別等多個功能。這對于全面把控電力系統和高效解決實際問題意義重大。

2.6 提供安全便捷服務

智能化電力系統可以提供智能化的服務，即使用戶是文化素質不高的農業生產者，智能化電力系統也可以提供安全、穩定、便捷的電力服務。

2.7 助力農業現代化發展

農業現代化離不開水肥一體化、植保無人機、全自動收割脫粒烘干機以及農業物聯網等現代農業系統的支持，也離不開智能化電力系統的支持。現代化的農業系統和智能化電力系統相互配合，可以有效提升農業生產效率，緩解農業用工成本過高和勞動力短缺的問題。

3 RK3568開發板介紹

RK3568 開發板作為電力系統智能化的核心組件（圖1），功能強大。RK3568 開發板和變電智能巡視圖像算法相結合可以實現線路跟蹤、視頻監控、線路破損判別、電網管理輔助等多個功能。RK3568 開發板可以連接多個不同模塊，如射頻識別（radio frequency identification， RFID）模塊、高速串行計算機擴展總線標準（peripheral componentinterconnect express， PCIE）千兆網卡、串口模塊、全球定位系統（global positioning system，GPS）模塊、SG90 舵機、步進電機模塊、繼電器模塊、超聲波傳感器測距模塊、測溫傳感器模塊、DHT11溫濕度傳感器、姿態傳感器、有機發光二極管（organic light-emitting diode，OLED） 模塊、全彩LED 模塊、矩陣鍵盤模塊等，這對于實現電力系統通信傳輸、智能定位、電力供應、距離測算、信息感知、圖像識別、問題判別、信號展示、操控等功能的智能化非常重要。

4 卷積神經網絡算法介紹

卷積神經網絡算法是變電智能巡視圖像算法中的核心算法。卷積神經網絡算法的優點在于大大壓縮了原始輸入圖像的信息體量，對于電網系統，利用卷積神經網絡算法可以有效處理海量圖像并且實現快速提取、精準識別和高效輸出。

4.1 選取輸入層

圖2 是輸入層的位置板。本文應選取經過卷積神經網絡算法處理的圖像，一般是包含RGB[ 一種顏色模型，代表了紅色（red）、綠色（green）和藍色（blue）3 個顏色通道] 的二維彩色圖像。

4.2 挑選卷積核

圖3 為卷積核示例。根據梯度下降和逆向傳播的原則，一般會挑選體積較小的卷積核，盡量接近3×3×n，其中，n 是層數，這樣可以盡可能地提高計算精度。

4.3 特征提取

如圖4 所示，卷積神經網絡算法選擇圖像中最重要的信息點作為特征，如電力系統中線纜是否破損、變形，同時剔除無用的信息，如背景、其他設備等信息。

4.4 最大池化操作

需要指定池化區域大小和步幅大小，按照規定的步幅在輸入特征圖上滑動，如圖5 所示，將輸入特征圖池化區域內的數值和卷積核的數值相乘并加總，將最終結果輸出到新區域內。式（1）～（3）是最大池化的公式。

4.5 扁平化處理

圖6 為扁平化處理流程，主要是將最大池化操作處理后新區域內的數值按照順序從上到下排列成一維的數據條。

4.6 全連接層神經網絡操作

全連接層對應的是1×1 大小的濾波器卷積層，這樣可以和輸出層一一對應，形成全連接。在該過程中將扁平化處理后得到的數據條作為輸入向量，乘以各自的權重，得到全連接層的輸出結果（y），其計算公式如下：

4.8 損失函數

利用交叉熵損失函數（L）進一步減輕異常像素點的散列分步對于結果判定的干擾，有助于提高最終結果的精確性。交叉熵損失函數的計算如式（6）所示，側面輸出的損失函數的計算如式（7）所示。

5 RK3568開發板的優勢

在電力系統智能化的時代背景之下，RK3568開發板是保障電力系統全網線路高效運轉的關鍵一環，對電力系統各模塊之間的密切配合具有重要作用。在智能化電力系統中，RK3568 開發板可以應用在各類電表的數據采集分析、繼電器保護、網關鏈路、回路巡檢、邊緣計算和AI 部署等功能設計中，幫助電器設備升級。

5.1 數據采集分析及控制管理

RK3568 開發板可以用于數據采集分析及控制管理，對于電力系統智能化意義重大。通過RS485、控制器局域網（controller area network，CAN）以及以太網等接口接入各類傳感器，借助強大的中央處理器（central processing unit，CPU），對配電變壓器和終端用電數據進行解析計算。利用RK3568 開發板可以實現用電監控、階梯定價、負荷管理、線損分析，還可以完成自動抄表、錯峰用電、用電檢查、負荷預測和節約用電成本等目標[1]。

5.2 性能穩定可靠

RK3568 開發板可以承受-40 ～ 85℃ 的溫度環境，可以用于配電管理系統終端，且面向的器件包括集中器、采集器、能源控制器、融合終端等智能終端，具備高性能、低功耗、溫度提升幅度低的特點。RK3568 開發板采用28 nm 四核A35 芯片，計算能力可達10 000 DMIPS（每秒測整數的計算能力）。與40 nm 四核A7 芯片相比，RK3568 開發板在同等條件下可將系統綜合性能提升40%，功耗降低10%，整體優勢明顯，且長時間工作時的升溫幅度較小，性能穩定可靠[2]。

5.3 安全防護和回路巡檢

RK3568 開發板在智能化電力系統中的安全防護和回路巡檢方面具有重要作用。因為電力系統對于生產、消費以及運營管理有著極為嚴格的要求，RK3568 開發板可以有效提升供電設備和用電設備的安全系數。通過傳感器、攝像頭、直流穩壓電源等智能硬件設備，其可以采集環境數據，進而實現溫濕度調控、人臉識別、煙霧報警、火災應急響應等功能[3]。

在安全防護和回路巡檢方面，RK3568 開發板采用先進制程，具備高性能、低功耗的特點，可以滿足不同場景下電力系統設備器件的安全等級需求。其可以進行高安全系數的圖像信號處理（image signal processing，ISP）工作，支持圖像像素多級降噪，可進行黑光全彩拍攝，內置獨立的嵌入式神經網絡處理器（neural-network processingunit，NPU），支持山林防火、電網線路異常檢測等現場應用智能算法，并且可以應用在配電房、供電服務站、電網監測運行管理站房等現場[4]。

5.4 助力邊緣計算與AI 部署

RK3568 開發板可以助力邊緣計算與AI 部署。電網系統布局了規模龐大的設備器件，如電表設備、保護裝置、采集裝置、控制設備等。對于分布式發電、智慧儲能、用戶端產生的問題，邊緣計算與AI 部署可以滿足“端側本地化”高效運行的需求，大大提高了運行效率[5]。

RK3568 開發板內置獨立的NPU，具有極高的算力并支持接口擴展，便于快速進行各類應用場景的AI 部署，快速處理終端數據，有效支持數據采集分析、數據系統管理等功能，可以緩解本地服務端面臨的壓力[6]。

RK3568 開發板采用8 nm 64 位高性能的CPU，可快速實現AI 部署[7]。

5.5 保障終端系統安全

RK3568 開發板可以提高電力系統終端的安全性能。電力系統實現智能化對于提供安全、穩定、可靠的電力系統至關重要，必須保障讀取控制、隱私保護、用戶認證等領域的數據安全。除了數據安全以外，軟件層的及時響應能力和穩定可靠性也非常重要。RK3568 開發板對電力系統的應用層軟件也進行了有效保障，主要體現在以下幾個方面。

（1） 系統包容性。RK3568 開發板支持多種系統的組合形式，可以支持AMP（Alternate MACand PHY layer extension，是指交替使用的MAC 層和PHY 層擴展）形式的嵌入式系統、全裸機系統、裸機系統+ 實時操作系統（real time operatingsystem，RTOS）、裸機系統+Linux 以及裸機系統+RTOS+Linux 等情況。

（2）實時響應能力。RK3568 開發板可以實現微秒級別的定時、通用輸入/ 輸出（general purposeinput/output，GPIO）接口中斷、任務調度響應等功能。

（3）協同適配性。RK3568 開發板支持多種操作系統，如Android、Linux 以及統信、麒麟、翼輝、科東等國產操作系統。

（4）數據安全性。數據安全性已達國密級別，具體表現在以下幾個方面：①采用通用漏洞披露（common vulnerabilities & exposures，CVE） 的運行機制，在出現安全漏洞時及時打補丁，支持磁盤加密，保證數據不被竊取；②實行固件加密以及防回滾、全鏈路的安全機制；③可以啟動SecureBoot（安全啟動），防止固件參數被篡改；④使用基于Trustzone（信任區）的硬件隔離機制；⑤對開放便攜式的可信任執行環境（open portable trustedexecution environment，OPTEE） 實施可信授權；⑥對于數據的訪問、硬件加密模塊，支持哈希、高級加密標準（advanced encryption standard，AES）、RSA（一種非對稱加密算法）、SM4 等加密算法；⑦對于存儲密鑰等關鍵敏感信息，支持安全的一次性密碼（one time password，OTP）[8] 。

6 結語與展望

現代化強國建設需要電力系統的支撐。智能化運作有助于實現電力系統全面布局、快速建設和高效管理的目標。RK3568 開發板作為電力系統智能化的硬件，卷積神經網絡算法作為電力系統智能化的軟件算法，二者協同配合，可以提升電力系統智能化的水平。隨著電力系統智能化的應用場景多元化、客戶需求高級化，RK3568 開發板和卷積神經網絡算法對于電力系統領域人力成本的節約以及管理效率的提升更有意義。

當前，國內的電力系統面臨電網布局復雜度高、行業標準和用戶需求嚴格，以及數字化升級的挑戰。RK3568 開發板可以將數字技術應用于電力系統智能化領域，有助于電力系統提升自身的感知能力、管理水平和運行效率，促進電力強國智能化建設。而且隨著智能化電力系統的完善，農業生產也會從中受益良多，不僅可使人們享受較為低廉的電力價格，而且還會推動越來越多的新型農業生產設備投入使用，促進農業產量的提高、品質的優化、農業生產資源的整合、農業產業的優化布局。