基于智能辅控的变电站无人巡检技术研究及应用

曹基南，薛祺浩，顾 华，徐友刚，沈晓峰，方 祺

(国网上海市电力公司青浦供电公司，上海 201799)

由于变电站数量多且位置较为分散，传统的变电站辅控系统中一般都以视频监控为主，来实现对变电站安防的要求。随着信息技术以及传感器技术的发展，消防报警、环境监测等独立系统逐渐成为辅控系统的一部分，运维人员能够通过辅控子系统来了解站内环境、安防、视频图像、外来人员入侵等信息。因此，辅控系统中视频监控、环境监测、消防报警等子系统作为辅控的主要组成部分在35 kV及以上变电站中普遍安装应用。但是随着安装的辅控子系统越来越多，子系统间融合联动等问题越来越突出。首先是各个辅控子系统间均是独立运行，存在“孤岛”问题[1-2]。视频监控广泛存在于各个行业，视频监控软件经过多年的发展也较为成熟稳定，但缺乏专门的变电站视频监测软件，同时安防、消防等子系统都是独立的监控软件，布置在子系统终端或者计算机平台。其次是联动功能单一。以视频监控子系统为例，目前视频的抓拍功能已经能够根据特定的特征实现，但也是通过视频软件内部设定，与外界多个系统间的联动较为缺乏，在变电站视频监控中，无法通过视频处理定位故障点，多个系统之间更为复杂的联动难以实现。最后，由于辅控设备独立运行、联动功能单一，利用辅控装置对设备状态的巡检技术还处于研究阶段[3-4]。

1 新型智能辅控系统构架

为了解决这些问题，本文提出了一种变电站新型智能辅控架构(如图1所示)。系统以智能控制平台为核心，对各辅控子系统信息统一采集和控制，同时控制各辅控子系统间的联动、告警信息的上送以及与SCADA系统数据对比分析，实现对变电站设备巡检及运行环境的一体化监控。

新型智能辅控系统主要由设备层、驱动层、服务层、表示层组成。

设备层是各类传感器、设备或子系统。整个辅控系统所连接的智能设备和子系统种类繁多、数量庞大，主要有遥视系统、消防系统、SF6监控系统、环境监测系统、灯光控制系统等，各个设备采用了不同的连接方式和不同的通信规约。为了解决各个系统独立运行的问题，实现不同设备互联操作，设计了一套设备驱动连接方案，即驱动层。

驱动层由若干设备驱动进程构成，每种设备有一个相对独立的应用进程。在实际运行过程中，可通过运行多份拷贝来实现对多个设备的接入。

服务层以智能控制平台为核心，管理着所有设备的当前信息及变化趋势，执行定时事务和告警联动事务，响应上位机交互请求并反馈执行结果，同时与数据库、上层应用接口、配置工作站进行连接，实现系统功能和接口间的信息传递。

表示层由安装在工作站的软件实现，它通过相应的人机界面来呈现设备和各类子系统的当前信息，并接收控制操作指令，传送到智能控制平台进行处理，展示相应的处理结果；或者根据需要生成趋势化的数据分析，呈现相应的监控图表等。

1.1 设备接入驱动接口设计

在变电站辅助监控系统中，除了视频监控子系统中视频流的传输外，其他监控内容如摄像机连接状态、成像质量对应“四遥”中的遥信，预置位控制则对应“四遥”中的遥控，其实质就是开关量，而环境温湿度、SF6含量等内容则对应“四遥”中的遥测，其实质是模拟量。因此，可以理解为变电站辅助监控系统的监控内容就是开关量和模拟量，将开关量和模拟量抽象成变量，分别对应布尔型、整型、浮点型等数据类型，便可实现设备的驱动化。

设定变量标识用于系统内部对变量加以识别，数据类型对应变量所表示的监控点位取值的数据类型，设备标识对应于子系统中与平台进行通信的前端设备或设备主机，控制索引则是在设备驱动服务中区别于同一设备其他点位的唯一标识，变量编号则根据数据类型进行编号，即同一类型的变量编号唯一，输入输出类型则表示变量对应的监控点位是可读、可控还是二者兼有。通过将监控点位映射为变量的方式，来实现设备的驱动化。每个驱动服务只需要按照前端设备或主机对应的通信协议，建立一个对应关系，在数据接收和发送时按照这个对应关系进行转换即可。

所有智能设备或子系统都通过驱动层的驱动接口来连接到智能控制平台，驱动进程通过智能变量与智能控制平台进行数据交互。正因为引入了驱动的设计，解决不同设备的连接或者同一类设备不同软件版本的连接方式的问题。

1.2 辅控系统联动功能设计

无论是摄像机的预置位控制，还是环境温度，每个监控点位都可以对应一个变量，区别仅仅在于变量的数据类型和访问属性，对于摄像机的预置位控制，服务平台可以定义为只写的布尔型变量，对于环境温度则可以定义为只读的浮点型变量，通过对这些监控点位进行变量化定义后，在智能控制平台便可以实现无差别化访问，可以很方便地将不同子系统的监控内容整合到同一界面，也可以不受子系统类型的限制来灵活地实现系统间的联动。

智能辅控系统的联动功能主要包括：① 安全防范、红外监测、环境监控等各类设备之间的自动联动；② 与变电站监控系统的告警联动功能，实现站内重要告警发生时自动联动指定的视频设备；③ 与变电站监控系统的操作联动、顺控联动功能，对开关、刀闸设备进行控制时，自动联动指定的视频设备。

2 基于辅控的无人巡检技术

从所述智能辅控系统的架构来看，辅控设施与主设备运行信息通过智能控制平台进行了关联，能够获取设备故障点视频定位，而利用事件关联、图像处理等技术，能够获得设备实际故障位置、运行状态信息等，即借助辅控设施能够实现变电站设备无人自动巡检。无人巡检流程如图2所示。首先进行巡检功能设定，包括巡检的周期、巡检的主要设备、巡检历史查询等；然后进行巡检数据的采集，主要是采集各辅控子系统以及相关视频数据并进行分析，包括断路器位置、变压器油位等，通过图像处理后识别设备状态并与SCADA数据进行对比分析，当发现异常时，第一时间联动故障点视频，并把巡检结果发送至运维人员。

从图2可以看出，实现智能巡检的关键是实现设备状态数据的读取。温湿度等信息可以通过传感器检测获得，设备的位置状态等运行信息则需要视频流的获取。获取视频流的方式有多种，包括特定设备供应商的SDK、ONVIF协议、GB28181协议等，由于特定设备供应商的SDK具有相当局限性，而当前几乎前端摄像机均支持ONVIF协议[5]，为了保证系统的兼容性，本文采用ONVIF来实现视频接入。

2.1 基于颜色差异的状态识别方法

获得视频信息后，需要通过图像处理的方式来获得设备的运行状态。指示灯、断路器位置等具有明显颜色差异，可以利用颜色差异进行状态识别。常见的10 kV开关实际位置如图3所示。在实际应用过程中，可针对视频画面标定区域，来关联特殊的设备状态或相关属性，以减少分析时对系统资源的耗费。以开关的实际指示为例，通过矩形工具选择要识别的区域，并指明该设备存在的各种状态值和对应颜色特征，分析时通过颜色差异分析模型结合指定的颜色参数来分析实际的状态。

为了加速颜色的识别，在实际应用过程中，可以利用查找表的方式来直接选择，具体方法如下：(1)将颜色值分段，比如按16为一段，那么实际24位RGB颜色变成了16×16×16种，即4 096种颜色，然后将4 096种颜色建立一个查找表，可以将想要的颜色标注出来。这样做可以建立最多达4 096种颜色，也可以屏蔽指定颜色而保留想要的颜色。

2.2 基于色彩亮度的状态识别

在分辨状态指示灯是否点亮的状态时，如图4所示。10 kV开关柜面板指示灯状态识别，需要用到基于色彩亮度的状态识别方法。在YUV色彩空间中，Y(0～255)值代表色彩的明亮度，值越大，其亮度越高，根据这个特性设定一个亮部与暗部的临界值BV，并设定亮度占比阈值OT，对色彩进行统计来确定该设备状态灯是开启还是关闭。通过BV判定每一个像素是属于暗还是亮，大于BV值为亮，否则为暗。分辨结束后，计算亮度比是否达到阈值OT，如达到则判定为开启，否则判断为关闭。

在特定场景应用中，灯光的亮和暗会有一定的差别，可以调节BV和OT来增加其准确性。为了保证阈值的准确性，可以通过机器学习来学习指定场景下的指示灯开启和关闭的颜色分布，自动计算更加准确的BV值。

在应用过程中设定BV值为132，OT值为0.55，且忽略灰度，对图片识别的结果正确率为90%。为了提高识别率，可以进一步优化算法。设定指示灯不同状态的平均亮度值Yave，

当第一次计算时，直接将亮度值Y赋值给Yave，即

Yave=Y

计算完所有同颜色像素值后，即得到该多数色彩的Yave值。分别获取状态指示灯开启和关闭的Yave值后，取两者的中间值作为状态判断阈值Ytf，在实际运行过程中，通过图像计算的Yave与Ytf判断即可。经试验得到，此种方法对图像识别正确率达100%。

2.3 表计读数图像识别算法

由于仪表种类繁多，刻度的表达方式也多种多样，加上摄像机安装角度和位置的不同，可能导致图像倾角，因此在计算具体仪表的读数时，通常针对不同的仪表图像建立计算模型，模块中可通过建立指针的起始角、终止角、方向、起始读数、终止读数，然后通过检测得到的指针角度来换算成具体的仪表读数。

在实际应用过程中，为了快速达到计算指针读数的目的，可以根据实际特点来优化算法。因表计指针的运动空间相对洁净，可以在洁净的区域中建立线段或圆掩码模型，直接枚举掩码区的二值化像素，如果存在该像素，则假设该点是指针上的一个点，通过该点与仪表中心假设存在多个连续的像素，则断定该点是指针的过点，该点的矢量方向是指示角，通过该角度结合分析模型相关参数即可快速算出仪表的实际读数。

3 系统测试

本系统选择在上海某110 kV变电站实现集成部署并进行了测试。首先设定了一个日常巡检方案，每天对站内20个设备进行巡检，巡检的项目包括了开关状态、指示灯状态、仪表读数；批量生成了2个月的巡检计划；通过正向隔离装置，并单向接入SCADA系统，能读取指定开关状态。

完成系统部署后，进行了集成测试，测试内容包括：自动触发并执行了5个日常巡检任务，分析的状态与SCADA状态完全一致；添加了3个特殊巡检任务，分析的状态与SCADA状态完全一致。

4 结语

本文针对传统的辅控系统缺乏联动、接口不统一的问题设计了新型智能辅控系统，并设计了不同设备统一接入的驱动程序、故障点视频联动方法等，实现了站内设备温湿度、红外热像、GIS局放等站内信息的综合监测及相关故障视频联动；提出了利用变电站智能辅控系统实现无人巡检的方法，针对站内开关位置、开关柜面板指示灯、主要表记等设备，提出了利用图像处理技术获取设备运行状态信息并于SCADA系统对比的方法。最后在站内进行了测试，测试结果显示，提出的基于智能辅控的变电站无人巡检技术能够完成既定的巡检任务，对促进变电站无人巡检技术的发展具有重要意义。