基于5G-AR智联技术的数字化电网远程全景监控系统_廖坤玉.pdf

CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.01.DQGY 33PRODVCT AND TECHNIC产品与技术1 数字化电网远程全景监控系统硬件设施1.1 基于5G网络的硬件设施网络架构本文所设计的数字化电网远程全景监控系统1主要是通过AR智联设备接入5G网络，再通过5G网络将电网监控数据传输给后台管理机，实现电网数据的数字化采集以及远程诊断等。基于5G-AR智联技术下的数字化电网远程全景监控系统的硬件构成，主要包括AR智能穿戴、远程移动终端等硬件设施，如图1所示。综合考虑成本、安全性和功能适用范围，本文所设计的数字化电网远程全景监控系统的硬件设施搭建在5G网络组织架构上，5G网络2通过运营商网络频谱资源和移动网络运营等优势，满足数字化电网远程全景监控系统大带宽、低时延、安全可靠的通信服务需求。本文系统所使用的5G网络组织架构如图2所示。5G网络可为数字化电网远程全景监控系统提供以0 引言安全生产于我国电力行业的重要性不言而喻，疫情防控要求下，苏州和苏州以外地区发生疫情，疫情管控区技术人员无法前往变电站，给变电站设备的维护检修计划带来极大的不确定性。大量维修计划搁浅或延期，导致设备“带病带伤”运维，潜藏隐患影响了电网可靠运维。运维人员在变电站现场遇到设备突发情况，由于不了解一些设备的结构、接线和处理方法，或难以判断设备问题的严重性，经常需要与所辖区域的检修人员联系，寻求技术支持。但检修人员由于缺乏及时全面地获取现场情况的手段，经常浪费大量的信息沟通时间，造成问题不能快速解决，或无法锁定症结而丧失解决问题的最佳时机，导致随后的应急消缺缺乏关键信息支撑，使得问题隐藏而不能解决。因此，电力作业现场亟需设置一个智能化的远程监控系统，全过程、全天候地监控电力作业现场，降低电力设备管理的安全隐患。廖坤玉 胡旭东 邓立晨 夏东（国网江苏省电力有限公司苏州供电分公司）基于5G-AR智联技术的数字化电网远程全景监控系统摘要：由于传统电网巡检作业采用人工巡检模式，缺少现场流程指导，导致电力设备的数据、图片和视频的采集归档费时费力，设计基于5G-AR智联技术的数字化电网远程全景监控系统。关于系统硬件设施，基于5G网络搭建硬件设施网络架构，AR智能穿戴采用无源头戴式第一视角的新型人机交互设备；关于系统软件功能，基于图像识别和深度学习技术设计数字化采集数据功能，基于语音控制技术设计人机交互功能。系统测试结果表明该系统可即时记录与上传保护设备图像信息，实现专家平台远程诊断、指导现场作业，实现标准化作业，显著提升了电网作业的数字化水平。关键词：电网；远程全景监控系统；5G-AR智联技术；数字化电器工业202301设计排版.indd 412023.2.6 11:19:08 AMCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.01.DQGY 34PRODVCT AND TECHNIC产品与技术下几个方面的高级应用，集群调度：支持智能眼镜、智能手机和对讲机等终端设备接入，并提供PC端调度台服务，发挥5G网络的业务隔离、低时延、大带宽等优势，实现音视频集群通信、远程回传存储、分权分域管理调度、动态建组、可视化定位、电子围栏、历史轨迹回放等多种功能；AR远程协作：基于5G网络+MEC能力特性，通过智能眼镜AI能力与深度学习引擎，实现设备、人员、手势等多个智能识别能力，将电网作业现场的监控视频、图像等信息及时进行回传并记录，为远程诊断专家平台提供所需资源及数据，结合多种方式进行远程多媒体信息沟通，提高协作效率；安全网关：通过部署联通安全网关设备，可提供终端/用户二次鉴权（基于IMSI、MSISDN、账号密码等）、ACL访问控制、基于URL/IP地址的黑白名单访问控制、信令及媒体加密、伪注册拦截等服务。同时具备面向4/5G信令安全的灵活策略配置，并图1 数字化电网远程全景监控系统硬件架构图2 采用的5G网络组织架构电器工业202301设计排版.indd 422023.2.6 11:19:10 AMCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.01.DQGY 35PRODVCT AND TECHNIC产品与技术系统主要是通过AR智联设备接入5G网络，基于图像识别和深度学习技术，以语音和手势控制方式全景实时地采集二次设备的图片、视频和文字等信息，解放作业人员的双手，通过5G网络将上述数据传输给后台管理机，实现数据的数字化采集、后台与作业现场的实时信息交互、标准化作业、远程诊断专家支持等数字化检修新模式。该系统具有高清拍摄、人脸检测识别、远程视频通话等功能，可以接收并处理图像、视频、声音以及其他数据，实时存储和上传。2.1 数字化采集数据在电网监控数据的数字化采集功能中，本文首先引入图像识别技术来获取并处理电网监控图像，然后引入深度学习算法4来提取监控图像数据，实现电网数据的数字化采集。电网监控图像识别是数字化远程全景监控系统设计的必要处理环节，根据既定识别原理，将电网中每个区域的监控图像节点进行抠像处理，结合连续电网监控图像权值数据，来对电网监控图像像素点的透明度水平进行强化，进而实现对电网监控图像的分类识别。一般情况下，进行分类识别后的电网监控图像具有更优越的综合表达能力，能够展现出电网各区域中节点组织的传输概率，以便数字化远程全景监控系统可以计算出各监控图像的节点权值，达到电网主控节点的连续性监控目的。假设电网监控图像输入系数的两个不同极大值为A、B，两个不同极小值为a、b，参考图像既定识别原理，获得电网监控图像的分类识别结果F计算公式如下所示：（1）式中，k表示电网监控图像的识别指标参数；w表示电网监控节点的位置指数值；表示图像既定识别的权限参数；c表示电网监控图像单位时间内的传输变化数据。在获得电网监控图像之后，需要对图像中数据进行提取，由于电网监控图像中数据大多为非结构化数据，所以本文基于深度学习算法进行数据提取，从而实现电网设备的目标检测。首先需要确定电网监控图像中待检测设备，然后将电网图提供过载保护，支持SIP、Diameter、HTTP等信令协议。1.2 AR智能穿戴数字化电网远程全景监控系统所采用的AR智能眼镜3是一款无源头戴式第一视角的新型人机交互设备，主要由数据连接线和眼镜本体组成，眼镜本身不带电池，而是通过USB数据线插入终端或手机等设备，由设备供电并进行数据交互，该眼镜的部件示意图如图3所示。图3 AR智能眼镜部件示意图可拆卸式结构具有对使用者友好的特征，质量轻、不会热，满足长时间佩戴不会影响使用者精神状态的要求。AR眼镜的摄像头和显示屏设置在人眼前端，摄像头由Sony1300万像素高感光度传感器、ISP图像处理器组成；显示屏由OLED显示器和折反式一体棱镜组成。眼镜组件与镜架之间采用磁吸式设计，便于佩戴和收纳，镜架适配不同的鼻托、近视镜片、墨镜片和护目镜，可以单独佩戴。AR眼镜内部设置集成化主控芯片和矢量处理器，为实现监控系统的声音交互功能，配置了扬声器和麦克风，为提升操作的便捷性，配备了物理按键。AR眼镜的所有功能均由固件驱动，通过设备服务程序实现，围绕“解放双手，提高效率，远程协作，智能识别”进行设计和优化。完全满足本文所设计的数字化电网远程全景监控系统需求。2 数字化电网远程全景监控系统软件功能基于5G-AR智联技术的数字化电网远程全景监控多功能按键数据线接头相机显示 鼻托散热板卡线钩 指示灯 光感扬声器智能主机镜架电器工业202301设计排版.indd 432023.2.6 11:19:11 AM2023.01.DQGY 36CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术像输入密集连接神经网络中进行训练，假设原始电网监控图像为Y0，卷积神经网络共有n层，输出的监控图像目标设备检测结果为Yn，如果利用密集连接神经网络对Y0进行特征重用，可以得到输出结果的特征重用变化为：（2）式中，Y0,Y1,Y2,Yn1表示卷积神经网络中第1层到第n-1层之间特征重用的电网监控图像；h表示连续非线性变换。然后利用一个22大小的池化窗口，对电网特征图像进行下采样，并结合损失函数对采样的电网特征图进行数据提取。综上所述，本文所设计的数字化电网全景监控系统通过分布式深度学习训练，获取电网监控图像的状态特征，实时监测电网设备的状态变化，然后根据训练好的卷积神经网络对电网监控图像特征进行提取，获得监控数据，从而实现电网数据的数字化采集。2.2 人机交互基于5G-AR智联技术的数字化电网远程全景监控系统中最重要的就是人机交互5功能，人机交互的语义部分主要靠语音控制技术来完成，电网远程全景监控系统对作业人员语音信号进行捕捉与识别，然后做出响应。监控系统的语音控制主要由语音信号检测和语音信号分析这两个步骤来实现，关于语音信号检测，首先需要对语音信号进行加窗与分帧处理：分帧就是对语音信号进行分段，为确保语音信号的连续性，需要控制前后两帧语音信号重合度在5%以上；加窗就是对每帧语音信号进行加权运算，可以有效避免语音帧出现截断效应。然后对相邻两帧的语音信号进行IOU交并比计算：（3）式中，I、J分别表示相邻两帧语音信号。如果这两帧语音信号的重叠比例较大，系统则将这两帧语音信号当作同一目标；反之如果重叠比例较小，则为不同目标，也就是新的语音内容。假设z代表作业人员语音信号的状态量，可以根据下式来判断语音信号是否为同一目标：（4）式中，将IOU=3当作判断的分界点，当z=0时，说明这两帧语音信号为同一目标；当z=1时，说明这两帧语音信号非同一目标。根据上式对各帧语音信号进行检测之后，需要对语音信号进行分析，语音信号分析是语音控制技术的关键，只有分析出可以代表语音信号本质特征的参数，才可以进一步精准识别、控制语音信号。语音信号属于非平稳态过程，其特征参数具有多变性，所以本文引入梅尔频率倒谱系数当作全景监控系统语音控制方案的特征参数，梅尔频率尺度和频率之间的关系如下式所示：（5）式中，P0表示以梅尔为单位的语音信号感知频率；P1表示语音信号的实际频率。合理的特征参数提取是确保全景监控系统的实时性与识别率的关键因素，所以本文通过式（5）选取合理、有效的语音信号特征参数进行分析，并将分析结果当作人机交互功能的语义内容。3 系统测试研发的初代系统在220kV商务变电站、玉峰变电站、阳山变电站开展了测试应用。设计标准化作业流程，测试了数字化电网全景监控系统在智能站220kV线路保护安措执行上的应用，按照系统音频指导，通过语音控制流程运转，执行标准化安措步骤，实时拍照记录执行结果，图4为标准作业的系统编辑页面，可进行灵活自主地编辑，添加图文指导和语音控制，适应不同型号保护装置的安措执行。数字化电网全景监控系统对220kV母差第一套保护装置与第二套保护装置挂“检修牌”，根据保护装置和智能站其他二次设备之间的连接关系，参考安措诊断规则库来制定操作票，如下表所示。电器工业202301设计排版.indd 442023.2.6 11:19:11 AM2023.01.DQGY 37CHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRYPRODVCT AND TECHNIC产品与技术图4 标准化作业的系统编辑页面表 数字化电网全景监控系统的安措票部分示意序号安措操作票1打开220kV母差保护压板2检查220kV母差第一套保护至线路GOOSE出口软压板确已退出3检查220kV母差第二套保护至线路GOOSE出口软压板确已退出4检查220kV母差第一套保护至线路SV接收软压板确已退出5检查220kV母差第二套保护至线路SV接收软压板确已退出远程诊断专家通过AR眼镜获取变电站现场人员的第一视角，专家通过在后台对现场关键设备和接线的划域，指导现场人员快速定位故障点、规范执行作业，开展事故处理、抢修指导、作业培训，通过节省技术专家赶赴变电站现场的路程时间、缩短现场人员的排查时间，该系统可实现异常缺陷处理时间平均缩短15%，远程指导记录如图5所示。由此可知，本文所设计基于5G-AR智联技术的数字化电网远程全景监控系统可有效规范现场二次安措的作业流程，实现保护设备图像信息的即时记录与上图5 远程诊断专家指导记录图电器工业202301设计排版.indd 452023.2.6 11:19:12 AMCHINA ELECTRICAL EQUIPMENT INDUSTRY2023.01.DQGY 38PRODVCT AND TECHNIC产品与技术传，将电网作业现场中第一视角的监控信息分享给远程专家平台，实现远程专家平台与前端的语音、图文、视频、AR标记的互动互传，开展高效的远程诊断、调度指挥现场作业，同步分析工作效率和留档培训资料，显著提升了检修作业的质量和数字化水平。预计未来可“清零”新员工的现场作业“观察期”，实现流程作业的“无缝入工”，缩短培养周期，提升班组承载力。4 结束语为提升电网检修作业的规范性，加强第三方的即时指导和监督效果，本文基于5G-AR智联技术设计一个数字化电网远程全景监控系统。该系统基于AR智能眼镜的AI深度学习引擎，实现二次回路测温、装置异常判别等综合智能识别功能，前端将第一视角的画面实时回传与记录；基于5G网络大带宽和高安全性的特点，通过变电站设备的信息共享和处理，为二次工作人员（运维人员）现场工作（操作）提供实时监控信息和移动式操作平台。标准化作业流程式语音引导作业人员按规范执行安措等工作，实现作业的100%合规；通过现场与后台之间“信息同视角”，助力专家“身临其境”地掌控现场情况，实现作业人员和技术专家在知识经验和现场信息的双融合，开展远程诊断、部门协作、实景培训，提高消缺效率；解决疫情防控下异地技术人员无法流动造成缺陷不能及时处理的情况，实现设备停役时间“0”延长，避免电网可靠度下降。参考文献1熊海军,张凯.电力设备监控系统无线网络结构设计策略研究J.电测与仪表,2020,57(21):24-31.2陈凌波,朱树先,祝勇俊,等.基于5G通信和图像增强算法的交通监控系统设计J.科学技术与工程,2022,22(4):1510-1516.3王学文,刘曙光,王雪松,等.AR/VR融合驱动的综采工作面智能监控关键技术研究与试验J.煤炭学报,2022,47(2):969-985.4孙孝龙,徐森,周卫阳,等.基于物联网和深度学习的养蚕智能监控系统设计J.江苏农业科学,2020,48(21):241-244.5张志学,刘佩,张长开,等.城市轨道交通综合监控人机交互系统技术要点J.城市轨道交通研究,2019,22(11):108-112.（收稿日期：2022-10-31）（上接第32页）5 杨承,王平,刘换新,等.分布式燃气蒸汽联合循环供能系统热经济性分析J.中国电机工程学报,2019,39（18）.6 王雁凌,田彦鹏,吴梦凯,等.基于模糊聚类的燃气机组调峰两部制电价模型J.中国电机工程学报,2017,37（16）:1610-1618.7 杨凯淇,许丹,谢华宝,等.计及燃气-蒸汽联合循环机组的热电联合调度模型J.电力系统保护与控制，2019，47（8）:137-144.8 刘辉,刘强,张立,等.考虑需求侧协同响应的热电联供微网多目标规划J.电力系统保护与控制,2019,47（5）:43-51.9 许可,李蔚,李明超,等.燃气-蒸汽联合循环热电联产机组供热特性分析J.热力发电,2019,48（5）:1-7.10 陈娟伟.余涛,许悦,等.气电耦合综合能源系统供电可靠性评估解析算法J.电力系统自动化.2018,42（24）:59-66.11 应雨龙,李靖超,庞景隆,等.基于热力模型的燃气轮机气路故障预测诊断研究综述J.中国电机工程学报,2019,39（3）.12 管金,何宗泽,吕小静,等.30kW微型燃气轮机发电机组启动实验研究J.发电技术,2021,42（4）（收稿日期：2022-09-07）电器工业202301设计排版.indd 462023.2.6 11:19:12 AM