基于RK3568开发板和卷积神经网络算法的电力系统智能化思路设计

罗杰

关键词：RK3568 开发板；卷积神经网络算法；电力系统智能化

中图分类号：TN409 文献标识码：A

1研究背景

基础设施建设对于一个国家的国民经济发展起着关键作用，而电力系统是基础设施建设领域的重要一环。电力系统的稳定运行对于农业、工业、商业服务业等一二三产业的稳定发展至关重要。其中，农业劳动力短缺是农业生产现状，农业生产越来越依赖于各种农业机械，而农业领域的大规模机械化生产离不开电力系统的支持，如农业排灌、农作物脱粒，以及农产品的生产、加工和包装等。

农业生产用的电价明显低于工商业用电的价格，一般工商业的售电均价在0.6 元/（kW·h）以上，而农业方面1 ～ 10 kV 的售电均價只有0.59 元/（kW·h），10 kV 以上的售电电价更是低于这个标准。

在农业生产领域，农业排灌和农作物脱粒用电在1 ～ 10 kV 层面的售电均价更是低至0.439 0元/（kW·h），其中的尖峰电价不超过0.602 0 元/（kW·h），高峰电价也才0.541 8 元/（kW·h），低谷电价更是低到0.301 0 元/（kW·h）。电力系统为农业生产提供质优价廉的电力支持，这对农业生产效率的提升无疑是巨大的。

2 电力系统智能化的意义

2.1 帮助解决电网布局复杂的问题

电力系统的电网布局非常复杂。智能化的电力系统运用数据模型可以应对复杂的电网布局问题，构建精密的模型可以保障电网系统的长久稳定运行。

2.2 应对电网覆盖面广的问题

电力系统的电网覆盖面非常广泛，考虑到我国国土面积辽阔以及地形地貌复杂多样的实际情况，电力系统全覆盖会面临现实困难。智能化的电力系统可以在广袤的国土上实现智能运行、智慧监控，有效应对电网布局广的问题。

2.3 增强电网系统应对自然灾害的能力

电网系统易遭受台风、雨雪冰冻天气等自然灾害的侵袭，且易造成严重的破坏性后果。智能化的电力系统通过传感器和物联网系统可以提前感知灾害的发生并且精准捕捉问题的发生点，高效处理问题，提高了电网系统的抗风险能力。

2.4 降低人力成本

在低出生率的老龄化时代大背景下，如果单纯依靠增加劳动力的方式来建设电力系统，发现并解决问题，无疑会产生巨额成本并在一定程度上降低效率。电力系统智能化可以有效解决人力成本过高和工作效率低的问题。

2.5 提高管理效率

智能化电力系统利用变电智能巡视图像算法可以实现一键顺控、图像判别、破损变形场景识别、表计状态识别等多个功能。这对于全面把控电力系统和高效解决实际问题意义重大。

2.6 提供安全便捷服务

智能化电力系统可以提供智能化的服务，即使用户是文化素质不高的农业生产者，智能化电力系统也可以提供安全、稳定、便捷的电力服务。

2.7 助力农业现代化发展

农业现代化离不开水肥一体化、植保无人机、全自动收割脱粒烘干机以及农业物联网等现代农业系统的支持，也离不开智能化电力系统的支持。现代化的农业系统和智能化电力系统相互配合，可以有效提升农业生产效率，缓解农业用工成本过高和劳动力短缺的问题。

3 RK3568开发板介绍

RK3568 开发板作为电力系统智能化的核心组件（图1），功能强大。RK3568 开发板和变电智能巡视图像算法相结合可以实现线路跟踪、视频监控、线路破损判别、电网管理辅助等多个功能。RK3568 开发板可以连接多个不同模块，如射频识别（radio frequency identification， RFID）模块、高速串行计算机扩展总线标准（peripheral componentinterconnect express， PCIE）千兆网卡、串口模块、全球定位系统（global positioning system，GPS）模块、SG90 舵机、步进电机模块、继电器模块、超声波传感器测距模块、测温传感器模块、DHT11温湿度传感器、姿态传感器、有机发光二极管（organic light-emitting diode，OLED） 模块、全彩LED 模块、矩阵键盘模块等，这对于实现电力系统通信传输、智能定位、电力供应、距离测算、信息感知、图像识别、问题判别、信号展示、操控等功能的智能化非常重要。

4 卷积神经网络算法介绍

卷积神经网络算法是变电智能巡视图像算法中的核心算法。卷积神经网络算法的优点在于大大压缩了原始输入图像的信息体量，对于电网系统，利用卷积神经网络算法可以有效处理海量图像并且实现快速提取、精准识别和高效输出。

4.1 选取输入层

图2 是输入层的位置板。本文应选取经过卷积神经网络算法处理的图像，一般是包含RGB[ 一种颜色模型，代表了红色（red）、绿色（green）和蓝色（blue）3 个颜色通道] 的二维彩色图像。

4.2 挑选卷积核

图3 为卷积核示例。根据梯度下降和逆向传播的原则，一般会挑选体积较小的卷积核，尽量接近3×3×n，其中，n 是层数，这样可以尽可能地提高计算精度。

4.3 特征提取

如图4 所示，卷积神经网络算法选择图像中最重要的信息点作为特征，如电力系统中线缆是否破损、变形，同时剔除无用的信息，如背景、其他设备等信息。

4.4 最大池化操作

需要指定池化区域大小和步幅大小，按照规定的步幅在输入特征图上滑动，如图5 所示，将输入特征图池化区域内的数值和卷积核的数值相乘并加总，将最终结果输出到新区域内。式（1）～（3）是最大池化的公式。

4.5 扁平化处理

图6 为扁平化处理流程，主要是将最大池化操作处理后新区域内的数值按照顺序从上到下排列成一维的数据条。

4.6 全连接层神经网络操作

全连接层对应的是1×1 大小的滤波器卷积层，这样可以和输出层一一对应，形成全连接。在该过程中将扁平化处理后得到的数据条作为输入向量，乘以各自的权重，得到全连接层的输出结果（y），其计算公式如下：

4.8 损失函数

利用交叉熵损失函数（L）进一步减轻异常像素点的散列分步对于结果判定的干扰，有助于提高最终结果的精确性。交叉熵损失函数的计算如式（6）所示，侧面输出的损失函数的计算如式（7）所示。

5 RK3568开发板的优势

在电力系统智能化的时代背景之下，RK3568开发板是保障电力系统全网线路高效运转的关键一环，对电力系统各模块之间的密切配合具有重要作用。在智能化电力系统中，RK3568 开发板可以应用在各类电表的数据采集分析、继电器保护、网关链路、回路巡检、边缘计算和AI 部署等功能设计中，帮助电器设备升级。

5.1 数据采集分析及控制管理

RK3568 开发板可以用于数据采集分析及控制管理，对于电力系统智能化意义重大。通过RS485、控制器局域网（controller area network，CAN）以及以太网等接口接入各类传感器，借助强大的中央处理器（central processing unit，CPU），对配电变压器和终端用电数据进行解析计算。利用RK3568 开发板可以实现用电监控、阶梯定价、负荷管理、线损分析，还可以完成自动抄表、错峰用电、用电检查、负荷预测和节约用电成本等目标[1]。

5.2 性能稳定可靠

RK3568 开发板可以承受-40 ～ 85℃ 的温度环境，可以用于配电管理系统终端，且面向的器件包括集中器、采集器、能源控制器、融合终端等智能终端，具备高性能、低功耗、温度提升幅度低的特点。RK3568 开发板采用28 nm 四核A35 芯片，计算能力可达10 000 DMIPS（每秒测整数的计算能力）。与40 nm 四核A7 芯片相比，RK3568 开发板在同等条件下可将系统综合性能提升40%，功耗降低10%，整体优势明显，且长时间工作时的升温幅度较小，性能稳定可靠[2]。

5.3 安全防护和回路巡检

RK3568 开发板在智能化电力系统中的安全防护和回路巡检方面具有重要作用。因为电力系统对于生产、消费以及运营管理有着极为严格的要求，RK3568 开发板可以有效提升供电设备和用电设备的安全系数。通过传感器、摄像头、直流稳压电源等智能硬件设备，其可以采集环境数据，进而实现温湿度调控、人脸识别、烟雾报警、火灾应急响应等功能[3]。

在安全防护和回路巡检方面，RK3568 开发板采用先进制程，具备高性能、低功耗的特点，可以满足不同场景下电力系统设备器件的安全等级需求。其可以进行高安全系数的图像信号处理（image signal processing，ISP）工作，支持图像像素多级降噪，可进行黑光全彩拍摄，内置独立的嵌入式神经网络处理器（neural-network processingunit，NPU），支持山林防火、电网线路异常检测等现场应用智能算法，并且可以应用在配电房、供电服务站、电网监测运行管理站房等现场[4]。

5.4 助力边缘计算与AI 部署

RK3568 开发板可以助力边缘计算与AI 部署。电网系统布局了规模庞大的设备器件，如电表设备、保护装置、采集装置、控制设备等。对于分布式发电、智慧储能、用户端产生的问题，边缘计算与AI 部署可以满足“端侧本地化”高效運行的需求，大大提高了运行效率[5]。

RK3568 开发板内置独立的NPU，具有极高的算力并支持接口扩展，便于快速进行各类应用场景的AI 部署，快速处理终端数据，有效支持数据采集分析、数据系统管理等功能，可以缓解本地服务端面临的压力[6]。

RK3568 开发板采用8 nm 64 位高性能的CPU，可快速实现AI 部署[7]。

5.5 保障终端系统安全

RK3568 开发板可以提高电力系统终端的安全性能。电力系统实现智能化对于提供安全、稳定、可靠的电力系统至关重要，必须保障读取控制、隐私保护、用户认证等领域的数据安全。除了数据安全以外，软件层的及时响应能力和稳定可靠性也非常重要。RK3568 开发板对电力系统的应用层软件也进行了有效保障，主要体现在以下几个方面。

（1） 系统包容性。RK3568 开发板支持多种系统的组合形式，可以支持AMP（Alternate MACand PHY layer extension，是指交替使用的MAC 层和PHY 层扩展）形式的嵌入式系统、全裸机系统、裸机系统+ 实时操作系统（real time operatingsystem，RTOS）、裸机系统+Linux 以及裸机系统+RTOS+Linux 等情况。

（2）实时响应能力。RK3568 开发板可以实现微秒级别的定时、通用输入/ 输出（general purposeinput/output，GPIO）接口中断、任务调度响应等功能。

（3）协同适配性。RK3568 开发板支持多种操作系统，如Android、Linux 以及统信、麒麟、翼辉、科东等国产操作系统。

（4）数据安全性。数据安全性已达国密级别，具体表现在以下几个方面：①采用通用漏洞披露（common vulnerabilities & exposures，CVE） 的运行机制，在出现安全漏洞时及时打补丁，支持磁盘加密，保证数据不被窃取；②实行固件加密以及防回滚、全链路的安全机制；③可以启动SecureBoot（安全启动），防止固件参数被篡改；④使用基于Trustzone（信任区）的硬件隔离机制；⑤对开放便携式的可信任执行环境（open portable trustedexecution environment，OPTEE） 实施可信授权；⑥对于数据的访问、硬件加密模块，支持哈希、高级加密标准（advanced encryption standard，AES）、RSA（一种非对称加密算法）、SM4 等加密算法；⑦对于存储密钥等关键敏感信息，支持安全的一次性密码（one time password，OTP）[8] 。

6 结语与展望

现代化强国建设需要电力系统的支撑。智能化运作有助于实现电力系统全面布局、快速建设和高效管理的目标。RK3568 开发板作为电力系统智能化的硬件，卷积神经网络算法作为电力系统智能化的软件算法，二者协同配合，可以提升电力系统智能化的水平。随着电力系统智能化的应用场景多元化、客户需求高级化，RK3568 开发板和卷积神经网络算法对于电力系统领域人力成本的节约以及管理效率的提升更有意义。

当前，国内的电力系统面临电网布局复杂度高、行业标准和用户需求严格，以及数字化升级的挑战。RK3568 开发板可以将数字技术应用于电力系统智能化领域，有助于电力系统提升自身的感知能力、管理水平和运行效率，促进电力强国智能化建设。而且随着智能化电力系统的完善，农业生产也会从中受益良多，不仅可使人们享受较为低廉的电力价格，而且还会推动越来越多的新型农业生产设备投入使用，促进农业产量的提高、品质的优化、农业生产资源的整合、农业产业的优化布局。