曹基南，薛祺浩，顧 華，徐友剛，沈曉峰，方 祺

(國(guó)網(wǎng)上海市電力公司青浦供電公司，上海 201799)

由于變電站數(shù)量多且位置較為分散，傳統(tǒng)的變電站輔控系統(tǒng)中一般都以視頻監(jiān)控為主，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站安防的要求。隨著信息技術(shù)以及傳感器技術(shù)的發(fā)展，消防報(bào)警、環(huán)境監(jiān)測(cè)等獨(dú)立系統(tǒng)逐漸成為輔控系統(tǒng)的一部分，運(yùn)維人員能夠通過(guò)輔控子系統(tǒng)來(lái)了解站內(nèi)環(huán)境、安防、視頻圖像、外來(lái)人員入侵等信息。因此，輔控系統(tǒng)中視頻監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)測(cè)、消防報(bào)警等子系統(tǒng)作為輔控的主要組成部分在35 kV及以上變電站中普遍安裝應(yīng)用。但是隨著安裝的輔控子系統(tǒng)越來(lái)越多，子系統(tǒng)間融合聯(lián)動(dòng)等問(wèn)題越來(lái)越突出。首先是各個(gè)輔控子系統(tǒng)間均是獨(dú)立運(yùn)行，存在“孤島”問(wèn)題[1-2]。視頻監(jiān)控廣泛存在于各個(gè)行業(yè)，視頻監(jiān)控軟件經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展也較為成熟穩(wěn)定，但缺乏專(zhuān)門(mén)的變電站視頻監(jiān)測(cè)軟件，同時(shí)安防、消防等子系統(tǒng)都是獨(dú)立的監(jiān)控軟件，布置在子系統(tǒng)終端或者計(jì)算機(jī)平臺(tái)。其次是聯(lián)動(dòng)功能單一。以視頻監(jiān)控子系統(tǒng)為例，目前視頻的抓拍功能已經(jīng)能夠根據(jù)特定的特征實(shí)現(xiàn)，但也是通過(guò)視頻軟件內(nèi)部設(shè)定，與外界多個(gè)系統(tǒng)間的聯(lián)動(dòng)較為缺乏，在變電站視頻監(jiān)控中，無(wú)法通過(guò)視頻處理定位故障點(diǎn)，多個(gè)系統(tǒng)之間更為復(fù)雜的聯(lián)動(dòng)難以實(shí)現(xiàn)。最后，由于輔控設(shè)備獨(dú)立運(yùn)行、聯(lián)動(dòng)功能單一，利用輔控裝置對(duì)設(shè)備狀態(tài)的巡檢技術(shù)還處于研究階段[3-4]。

1 新型智能輔控系統(tǒng)構(gòu)架

為了解決這些問(wèn)題，本文提出了一種變電站新型智能輔控架構(gòu)(如圖1所示)。系統(tǒng)以智能控制平臺(tái)為核心，對(duì)各輔控子系統(tǒng)信息統(tǒng)一采集和控制，同時(shí)控制各輔控子系統(tǒng)間的聯(lián)動(dòng)、告警信息的上送以及與SCADA系統(tǒng)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站設(shè)備巡檢及運(yùn)行環(huán)境的一體化監(jiān)控。

新型智能輔控系統(tǒng)主要由設(shè)備層、驅(qū)動(dòng)層、服務(wù)層、表示層組成。

設(shè)備層是各類(lèi)傳感器、設(shè)備或子系統(tǒng)。整個(gè)輔控系統(tǒng)所連接的智能設(shè)備和子系統(tǒng)種類(lèi)繁多、數(shù)量龐大，主要有遙視系統(tǒng)、消防系統(tǒng)、SF6監(jiān)控系統(tǒng)、環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、燈光控制系統(tǒng)等，各個(gè)設(shè)備采用了不同的連接方式和不同的通信規(guī)約。為了解決各個(gè)系統(tǒng)獨(dú)立運(yùn)行的問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)不同設(shè)備互聯(lián)操作，設(shè)計(jì)了一套設(shè)備驅(qū)動(dòng)連接方案，即驅(qū)動(dòng)層。

驅(qū)動(dòng)層由若干設(shè)備驅(qū)動(dòng)進(jìn)程構(gòu)成，每種設(shè)備有一個(gè)相對(duì)獨(dú)立的應(yīng)用進(jìn)程。在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，可通過(guò)運(yùn)行多份拷貝來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)設(shè)備的接入。

服務(wù)層以智能控制平臺(tái)為核心，管理著所有設(shè)備的當(dāng)前信息及變化趨勢(shì)，執(zhí)行定時(shí)事務(wù)和告警聯(lián)動(dòng)事務(wù)，響應(yīng)上位機(jī)交互請(qǐng)求并反饋執(zhí)行結(jié)果，同時(shí)與數(shù)據(jù)庫(kù)、上層應(yīng)用接口、配置工作站進(jìn)行連接，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能和接口間的信息傳遞。

表示層由安裝在工作站的軟件實(shí)現(xiàn)，它通過(guò)相應(yīng)的人機(jī)界面來(lái)呈現(xiàn)設(shè)備和各類(lèi)子系統(tǒng)的當(dāng)前信息，并接收控制操作指令，傳送到智能控制平臺(tái)進(jìn)行處理，展示相應(yīng)的處理結(jié)果；或者根據(jù)需要生成趨勢(shì)化的數(shù)據(jù)分析，呈現(xiàn)相應(yīng)的監(jiān)控圖表等。

1.1 設(shè)備接入驅(qū)動(dòng)接口設(shè)計(jì)

在變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)中，除了視頻監(jiān)控子系統(tǒng)中視頻流的傳輸外，其他監(jiān)控內(nèi)容如攝像機(jī)連接狀態(tài)、成像質(zhì)量對(duì)應(yīng)“四遙”中的遙信，預(yù)置位控制則對(duì)應(yīng)“四遙”中的遙控，其實(shí)質(zhì)就是開(kāi)關(guān)量，而環(huán)境溫濕度、SF6含量等內(nèi)容則對(duì)應(yīng)“四遙”中的遙測(cè)，其實(shí)質(zhì)是模擬量。因此，可以理解為變電站輔助監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控內(nèi)容就是開(kāi)關(guān)量和模擬量，將開(kāi)關(guān)量和模擬量抽象成變量，分別對(duì)應(yīng)布爾型、整型、浮點(diǎn)型等數(shù)據(jù)類(lèi)型，便可實(shí)現(xiàn)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)化。

設(shè)定變量標(biāo)識(shí)用于系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)變量加以識(shí)別，數(shù)據(jù)類(lèi)型對(duì)應(yīng)變量所表示的監(jiān)控點(diǎn)位取值的數(shù)據(jù)類(lèi)型，設(shè)備標(biāo)識(shí)對(duì)應(yīng)于子系統(tǒng)中與平臺(tái)進(jìn)行通信的前端設(shè)備或設(shè)備主機(jī)，控制索引則是在設(shè)備驅(qū)動(dòng)服務(wù)中區(qū)別于同一設(shè)備其他點(diǎn)位的唯一標(biāo)識(shí)，變量編號(hào)則根據(jù)數(shù)據(jù)類(lèi)型進(jìn)行編號(hào)，即同一類(lèi)型的變量編號(hào)唯一，輸入輸出類(lèi)型則表示變量對(duì)應(yīng)的監(jiān)控點(diǎn)位是可讀、可控還是二者兼有。通過(guò)將監(jiān)控點(diǎn)位映射為變量的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)設(shè)備的驅(qū)動(dòng)化。每個(gè)驅(qū)動(dòng)服務(wù)只需要按照前端設(shè)備或主機(jī)對(duì)應(yīng)的通信協(xié)議，建立一個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系，在數(shù)據(jù)接收和發(fā)送時(shí)按照這個(gè)對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行轉(zhuǎn)換即可。

所有智能設(shè)備或子系統(tǒng)都通過(guò)驅(qū)動(dòng)層的驅(qū)動(dòng)接口來(lái)連接到智能控制平臺(tái)，驅(qū)動(dòng)進(jìn)程通過(guò)智能變量與智能控制平臺(tái)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。正因?yàn)橐肓蓑?qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)，解決不同設(shè)備的連接或者同一類(lèi)設(shè)備不同軟件版本的連接方式的問(wèn)題。

1.2 輔控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)功能設(shè)計(jì)

無(wú)論是攝像機(jī)的預(yù)置位控制，還是環(huán)境溫度，每個(gè)監(jiān)控點(diǎn)位都可以對(duì)應(yīng)一個(gè)變量，區(qū)別僅僅在于變量的數(shù)據(jù)類(lèi)型和訪問(wèn)屬性，對(duì)于攝像機(jī)的預(yù)置位控制，服務(wù)平臺(tái)可以定義為只寫(xiě)的布爾型變量，對(duì)于環(huán)境溫度則可以定義為只讀的浮點(diǎn)型變量，通過(guò)對(duì)這些監(jiān)控點(diǎn)位進(jìn)行變量化定義后，在智能控制平臺(tái)便可以實(shí)現(xiàn)無(wú)差別化訪問(wèn)，可以很方便地將不同子系統(tǒng)的監(jiān)控內(nèi)容整合到同一界面，也可以不受子系統(tǒng)類(lèi)型的限制來(lái)靈活地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)間的聯(lián)動(dòng)。

智能輔控系統(tǒng)的聯(lián)動(dòng)功能主要包括：① 安全防范、紅外監(jiān)測(cè)、環(huán)境監(jiān)控等各類(lèi)設(shè)備之間的自動(dòng)聯(lián)動(dòng)；② 與變電站監(jiān)控系統(tǒng)的告警聯(lián)動(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)站內(nèi)重要告警發(fā)生時(shí)自動(dòng)聯(lián)動(dòng)指定的視頻設(shè)備；③ 與變電站監(jiān)控系統(tǒng)的操作聯(lián)動(dòng)、順控聯(lián)動(dòng)功能，對(duì)開(kāi)關(guān)、刀閘設(shè)備進(jìn)行控制時(shí)，自動(dòng)聯(lián)動(dòng)指定的視頻設(shè)備。

2 基于輔控的無(wú)人巡檢技術(shù)

從所述智能輔控系統(tǒng)的架構(gòu)來(lái)看，輔控設(shè)施與主設(shè)備運(yùn)行信息通過(guò)智能控制平臺(tái)進(jìn)行了關(guān)聯(lián)，能夠獲取設(shè)備故障點(diǎn)視頻定位，而利用事件關(guān)聯(lián)、圖像處理等技術(shù)，能夠獲得設(shè)備實(shí)際故障位置、運(yùn)行狀態(tài)信息等，即借助輔控設(shè)施能夠?qū)崿F(xiàn)變電站設(shè)備無(wú)人自動(dòng)巡檢。無(wú)人巡檢流程如圖2所示。首先進(jìn)行巡檢功能設(shè)定，包括巡檢的周期、巡檢的主要設(shè)備、巡檢歷史查詢(xún)等；然后進(jìn)行巡檢數(shù)據(jù)的采集，主要是采集各輔控子系統(tǒng)以及相關(guān)視頻數(shù)據(jù)并進(jìn)行分析，包括斷路器位置、變壓器油位等，通過(guò)圖像處理后識(shí)別設(shè)備狀態(tài)并與SCADA數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，第一時(shí)間聯(lián)動(dòng)故障點(diǎn)視頻，并把巡檢結(jié)果發(fā)送至運(yùn)維人員。

從圖2可以看出，實(shí)現(xiàn)智能巡檢的關(guān)鍵是實(shí)現(xiàn)設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的讀取。溫濕度等信息可以通過(guò)傳感器檢測(cè)獲得，設(shè)備的位置狀態(tài)等運(yùn)行信息則需要視頻流的獲取。獲取視頻流的方式有多種，包括特定設(shè)備供應(yīng)商的SDK、ONVIF協(xié)議、GB28181協(xié)議等，由于特定設(shè)備供應(yīng)商的SDK具有相當(dāng)局限性，而當(dāng)前幾乎前端攝像機(jī)均支持ONVIF協(xié)議[5]，為了保證系統(tǒng)的兼容性，本文采用ONVIF來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻接入。

2.1 基于顏色差異的狀態(tài)識(shí)別方法

獲得視頻信息后，需要通過(guò)圖像處理的方式來(lái)獲得設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。指示燈、斷路器位置等具有明顯顏色差異，可以利用顏色差異進(jìn)行狀態(tài)識(shí)別。常見(jiàn)的10 kV開(kāi)關(guān)實(shí)際位置如圖3所示。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可針對(duì)視頻畫(huà)面標(biāo)定區(qū)域，來(lái)關(guān)聯(lián)特殊的設(shè)備狀態(tài)或相關(guān)屬性，以減少分析時(shí)對(duì)系統(tǒng)資源的耗費(fèi)。以開(kāi)關(guān)的實(shí)際指示為例，通過(guò)矩形工具選擇要識(shí)別的區(qū)域，并指明該設(shè)備存在的各種狀態(tài)值和對(duì)應(yīng)顏色特征，分析時(shí)通過(guò)顏色差異分析模型結(jié)合指定的顏色參數(shù)來(lái)分析實(shí)際的狀態(tài)。

為了加速顏色的識(shí)別，在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，可以利用查找表的方式來(lái)直接選擇，具體方法如下：(1)將顏色值分段，比如按16為一段，那么實(shí)際24位RGB顏色變成了16×16×16種，即4 096種顏色，然后將4 096種顏色建立一個(gè)查找表，可以將想要的顏色標(biāo)注出來(lái)。這樣做可以建立最多達(dá)4 096種顏色，也可以屏蔽指定顏色而保留想要的顏色。

2.2 基于色彩亮度的狀態(tài)識(shí)別

在分辨狀態(tài)指示燈是否點(diǎn)亮的狀態(tài)時(shí)，如圖4所示。10 kV開(kāi)關(guān)柜面板指示燈狀態(tài)識(shí)別，需要用到基于色彩亮度的狀態(tài)識(shí)別方法。在YUV色彩空間中，Y(0～255)值代表色彩的明亮度，值越大，其亮度越高，根據(jù)這個(gè)特性設(shè)定一個(gè)亮部與暗部的臨界值BV，并設(shè)定亮度占比閾值OT，對(duì)色彩進(jìn)行統(tǒng)計(jì)來(lái)確定該設(shè)備狀態(tài)燈是開(kāi)啟還是關(guān)閉。通過(guò)BV判定每一個(gè)像素是屬于暗還是亮，大于BV值為亮，否則為暗。分辨結(jié)束后，計(jì)算亮度比是否達(dá)到閾值OT，如達(dá)到則判定為開(kāi)啟，否則判斷為關(guān)閉。

在特定場(chǎng)景應(yīng)用中，燈光的亮和暗會(huì)有一定的差別，可以調(diào)節(jié)BV和OT來(lái)增加其準(zhǔn)確性。為了保證閾值的準(zhǔn)確性，可以通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)學(xué)習(xí)指定場(chǎng)景下的指示燈開(kāi)啟和關(guān)閉的顏色分布，自動(dòng)計(jì)算更加準(zhǔn)確的BV值。

在應(yīng)用過(guò)程中設(shè)定BV值為132，OT值為0.55，且忽略灰度，對(duì)圖片識(shí)別的結(jié)果正確率為90%。為了提高識(shí)別率，可以進(jìn)一步優(yōu)化算法。設(shè)定指示燈不同狀態(tài)的平均亮度值Yave，

當(dāng)?shù)谝淮斡?jì)算時(shí)，直接將亮度值Y賦值給Yave，即

Yave=Y

計(jì)算完所有同顏色像素值后，即得到該多數(shù)色彩的Yave值。分別獲取狀態(tài)指示燈開(kāi)啟和關(guān)閉的Yave值后，取兩者的中間值作為狀態(tài)判斷閾值Ytf，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中，通過(guò)圖像計(jì)算的Yave與Ytf判斷即可。經(jīng)試驗(yàn)得到，此種方法對(duì)圖像識(shí)別正確率達(dá)100%。

2.3 表計(jì)讀數(shù)圖像識(shí)別算法

由于儀表種類(lèi)繁多，刻度的表達(dá)方式也多種多樣，加上攝像機(jī)安裝角度和位置的不同，可能導(dǎo)致圖像傾角，因此在計(jì)算具體儀表的讀數(shù)時(shí)，通常針對(duì)不同的儀表圖像建立計(jì)算模型，模塊中可通過(guò)建立指針的起始角、終止角、方向、起始讀數(shù)、終止讀數(shù)，然后通過(guò)檢測(cè)得到的指針角度來(lái)?yè)Q算成具體的儀表讀數(shù)。

在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，為了快速達(dá)到計(jì)算指針讀數(shù)的目的，可以根據(jù)實(shí)際特點(diǎn)來(lái)優(yōu)化算法。因表計(jì)指針的運(yùn)動(dòng)空間相對(duì)潔凈，可以在潔凈的區(qū)域中建立線段或圓掩碼模型，直接枚舉掩碼區(qū)的二值化像素，如果存在該像素，則假設(shè)該點(diǎn)是指針上的一個(gè)點(diǎn)，通過(guò)該點(diǎn)與儀表中心假設(shè)存在多個(gè)連續(xù)的像素，則斷定該點(diǎn)是指針的過(guò)點(diǎn)，該點(diǎn)的矢量方向是指示角，通過(guò)該角度結(jié)合分析模型相關(guān)參數(shù)即可快速算出儀表的實(shí)際讀數(shù)。

3 系統(tǒng)測(cè)試

本系統(tǒng)選擇在上海某110 kV變電站實(shí)現(xiàn)集成部署并進(jìn)行了測(cè)試。首先設(shè)定了一個(gè)日常巡檢方案，每天對(duì)站內(nèi)20個(gè)設(shè)備進(jìn)行巡檢，巡檢的項(xiàng)目包括了開(kāi)關(guān)狀態(tài)、指示燈狀態(tài)、儀表讀數(shù)；批量生成了2個(gè)月的巡檢計(jì)劃；通過(guò)正向隔離裝置，并單向接入SCADA系統(tǒng)，能讀取指定開(kāi)關(guān)狀態(tài)。

完成系統(tǒng)部署后，進(jìn)行了集成測(cè)試，測(cè)試內(nèi)容包括：自動(dòng)觸發(fā)并執(zhí)行了5個(gè)日常巡檢任務(wù)，分析的狀態(tài)與SCADA狀態(tài)完全一致；添加了3個(gè)特殊巡檢任務(wù)，分析的狀態(tài)與SCADA狀態(tài)完全一致。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)的輔控系統(tǒng)缺乏聯(lián)動(dòng)、接口不統(tǒng)一的問(wèn)題設(shè)計(jì)了新型智能輔控系統(tǒng)，并設(shè)計(jì)了不同設(shè)備統(tǒng)一接入的驅(qū)動(dòng)程序、故障點(diǎn)視頻聯(lián)動(dòng)方法等，實(shí)現(xiàn)了站內(nèi)設(shè)備溫濕度、紅外熱像、GIS局放等站內(nèi)信息的綜合監(jiān)測(cè)及相關(guān)故障視頻聯(lián)動(dòng)；提出了利用變電站智能輔控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無(wú)人巡檢的方法，針對(duì)站內(nèi)開(kāi)關(guān)位置、開(kāi)關(guān)柜面板指示燈、主要表記等設(shè)備，提出了利用圖像處理技術(shù)獲取設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)信息并于SCADA系統(tǒng)對(duì)比的方法。最后在站內(nèi)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果顯示，提出的基于智能輔控的變電站無(wú)人巡檢技術(shù)能夠完成既定的巡檢任務(wù)，對(duì)促進(jìn)變電站無(wú)人巡檢技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。