人工智能技术视角下变电站二次设备智能巡检技术

卢乾坤

摘  要：电网系统安全性与可靠性直接关系到社会发展水平，在科技的进步与助力下，如今我国的变电站设备越发先进，性能越来越突出。电网系统以人工智能技术为核心，开发变电站二次设备智能巡检技术，极大地提高变电站设备安全性，有效应对变电站二次设备监控与巡视需求。该文以人工智能技术视角下变电站二次设备智能巡检技术为研究对象，从技术的装置功能、特点、组成切入，分析该技术在变电站的应用方法。通过深入分析得知，依靠人工智能技术的变电站二次设备智能巡检技术能够有效减少事故发生率，提高故障检出率。

关键词：人工智能；
变电站；
二次设备；
智能巡检；
电网系统

中图分类号：TM63      文献标志码：A          文章编号：2095-2945（2024）19-0171-04

Abstract：
The security and reliability of power grid system are directly related to the level of social development. With the progress and help of science and technology， the substation equipment in our country is becoming more and more advanced and the performance is more and more outstanding. The power grid system takes artificial intelligence technology as the core， and develops the intelligent inspection technology of substation secondary equipment， which greatly improves the safety of substation equipment and effectively meets the needs of substation secondary equipment monitoring and inspection. This paper takes the intelligent inspection technology of secondary equipment in substation from the perspective of artificial intelligence technology as the research object， and analyzes the application method of this technology in substation from the function， characteristics and composition of the technology. Through in-depth analysis， it is found that the intelligent inspection technology of substation secondary equipment relying on artificial intelligence technology can effectively reduce the incidence of accidents and improve the fault detection rate.

Keywords：
artificial intelligence; substation; secondary equipment; intelligent patrol; power grid system

能源对社会的发展影响是十分显著的，电力作为社会能源的重要构成，其可靠性、安全性是人们最关注的话题。电力系统中变电站属于重要设施，肩负着电能转化任务。长期运行中，变电站会出现故障、老化及磨损等问题，导致设备性能受到影响。对此，为确保电力系统安全稳定运行，需要加强变电站的二次设备巡检工作。过去人工巡检方式不仅效率低，同时隐患排查不彻底。依托人工智能技术开发的智能巡检技术能够有效应对效率低、排查不彻底问题，为电力系统高效、可靠运行提供支持。

1  依托人工智能开发的变电站二次设备智能巡检技术构成

1.1  状态监听设备

1.1.1  设备功能

设备包括6项功能，分别是：①采集状态。能够实时采集与上送把手、空开、压板信息。②误动告警。当误动设备时，监听设备能够发出声光警报，上报设备异常信号。③操作指引。防误系统与监听设备相结合，为设备操作提供灯光指引。④测量电压。压板上下端可以测量对地电压。⑤智能巡视。自动化巡检二次设备状态，自动生成巡检报告。⑥智能分析。智能识别设备运行状况和异常。

1.1.2  设备特征

状态监听设备特点如下：①带电安装。安装时可以带电，对设备运行不会造成影响。②可靠与安全。电压测量和状态监测采用非接触方式，完全隔离二次回路，不会对二次回路运行造成不良影响。③灵活组网。可以使用无线或有线的组网方式，可靠、稳定与方便。④通用性强。适用于各类把手、空开与压板的状态监听。⑤标准接口。使用同上位机规格相同的接口，按照标准规约运行。

1.1.3  设备构成

监测装置构成主要为电压采集装置与状态采集装置。电压采集装置拥有2种检测方式，包括接触检测与非接触检测，能够从压板的上下两端测量对地电压。状态采集装置拥有无线与有线2种模式，变电站改造使用导轨传感器，新建变电站适合使用智能压板。

1.2  导轨传感器

变电站改造中使用导轨传感器，可以在不停电的状态下安装传感器。使用UT-0355E、UT-0355F、UT-0355A等装置配合实现相应功能。采集器可以使用无线或有线2种通信模式。UT-0355E使用非浸入式设计，可以在不停电状态下安装，能够采集空开或压板状态，用于各种型号空开和压板，应对各种设备间距和设备数量，出现异常时提供告警提示与灯光指引。UT-0355A集中采集设备状态，同时支持有线与无线数据转发，可以读取电脑钥匙操作序列操作，出现压板异常时可以发出声光告警。

1.3  智能压板

新建变电站使用UT-0352智能压板。UT-0352智能压板使用红外对射原理对压板状态进行检测，其使用线簧压板结构，可以随意拆卸压板本体与检测模块，具有操作提示与告警功能，能自动下载地址。保护屏柜在出厂前需要完成智能压板的安装，构成包括UT-0352和UT-0351。UT-0351包括UT-0351B和UT-0351C。UT-0351B使用集中采集——面屏，可以读取电脑钥匙操作序列，当出现压板异常时，UT-0351B可以发出声光告警。UT-0351B安装于保护屏，使用1U标准机箱。UT-0351C在开关柜中使用，使用抽屉式安装，其他功能特点同UT-0351B一样。

1.4  二次遥控装置

1.4.1  设备功能

二次设备控制装置包括下述功能：①遥控操作。可以遥控操作把手、空开与压板，具备一键顺控功能。②采集状态。采集端电压与设备状态，上送信息。③手动操作。同时具备遥控操作与手动操作能力。④异常反馈。装置机构出现异常时，设备可以自动检测与告警。

1.4.2  设备特点

二次设备控制装置特点包括如下内容：①强适用性。可以用于各种类型的把手、空开、压板遥控改造。②闭环控制。可以使用遥控操作检测与反馈二次设备的运行状态，具备闭环控制能力。③高可靠性。可以达到99.9%的遥控操作成功率。④短响应时间。2 s内完成遥控操作，第一时间上传反馈信号。⑤长寿命。部件可使用10 000次以上，具有极高寿命。

2  人工智能技术在变电站二次设备巡检中的应用

变电站二次设备巡检技术中，人工智能技术的应用依靠网络功能虚拟化实现网络切片的定义，将智能机器人、边缘资源、无线通信网络和5G网络作为设备。使用边缘节点控制智能机器人[1]。同时边缘节点也可以用于智能机器人位置的实时绘制及运行轨迹解释，依靠云端边缘平台达到相应功能。云端边缘平台为网络切片提供扩展，改进智能机器人性能，赋予智能机器人防撞功能[2]。架构选择中，所有边缘节点都可以当作COTS硬件平台，于固定地面位置配置边缘平台。另外，边缘节点转发智能机器人上传的数据，由电力公司传输处理智能机器人数据。依靠蜂窝网络，实现信息在边缘节点之间的转发[3]。

电力公司中心包含云端平台，阴暗环境中依旧可以进行任务控制和管理车队，具备可扩展能力。智能机器人在变电站的大部分区域应用和覆盖，根据需要提前对监测区域进行划分，实时监控与检测故障。使用人工智能算法搜集边缘及节点数据，结构如图1所示。

检查期间智能机器人自主运行，需要自动充电能力。因此智能机器人需要配置自动识别充电设备功能，靠预设系统自动寻路，用无线传输的方式为智能机器人提供充电。云端平台具备人工智能算法功能，不仅能自主学习，同时还能为智能机器人提供导航指导和充电指导。当电池满负荷的时候，告知智能机器人停止充电。通过算法技术支持，有效控制电磁效应[4]。

本次开发的巡检技术依托于5G网络切片，保障云端平台、边缘节点、智能机器人通信可用、可靠。技术体系包括智能机器人、边缘资源、无线通信和5G网络，具备数据交换与处理能力[5]。使用网络功能虚化编排与管理网络切片，切片使用用户面功能——网络功能虚拟化处理用户数据，提供流量处理功能，包括更改、重定向、分组分类、分组检查及防火墙。5G网络切片具备控制平面优化能力，可以为用户提供丰富的资源，具备极强的数据传输速率。

因为边缘节点和智能机器人使用电池供电，所以检查期间应确保智能机器人自主运行和连续运行。当智能机器人不受控制或是中途断电就会影响变电站正常运行[6]。

智能机器人与云端平台在识别变电站二次设备损坏与故障中，需要依靠人工智能技术大量训练，以防出现误报情况。当出现误报问题将影响系统稳定性和可靠性[7]。

边缘节点在数据转发过程中，应保障数据包传输可靠性与低延迟，使数据能够顺利发送到操作中心。为保障效果，应使用路由协议定义。

2.1  本地平台

作为集中实体的云端平台包括本地平台和边缘平台。本地平台主要负责5G设施与资源网络协调，使用工具包达成网络功能。本地平台可以用于变电站二次设备的故障检测，具有人工智能算法。使用实体管理的方式，处理数据问题。依靠非监督与监督学习技术训练算法，具备变电站二次设备结构故障、电力线故障、自主巡检故障识别能力，依靠精准识别技术消除故障。人工智能算法的体现，表现为机器人安装的多光谱传感器、激光雷达传感器与热传感器，搜集空间数据后进行训练。

识别故障的过程中，在应用算法对设施故障检测前，需要经历一系列的初始训练，用于学习判断正常行为与异常行为的区别，依靠下述模块进行操作。

第一，分析时间间隔。时间间隔的预定义窗口中查看电子设备组件，对组件数据和状态进行诊断。数据可以用于有效荷载的响应与学习，计算响应组件分数。根据响应荷载情况，当发生改变会出现更高分数。相较于学习阶段窗口分数，高分数表明电子器件存在异常。

第二，图像检查。分析智能机器人所取得的空间数据信息，可以健康检测各种设施的非电子部件。本地平台检测中的度量指标为故障发生率，使用

式中：Tn为故障例外；
Tp为实际故障；
Dc为数据总量。Tn异常并不会导致故障检测被触发。故障发现率完全按照本地平台规则操作，可以防止故障误报问题发生。另外，假故障率同样是未发现故障率的参考指标。本地平台不仅可以分析数据，诊断智能机器人运行情况，同时还能随时更新智能机器人的组件。

2.2  边缘平台

将边缘平台设置在边缘节点，使用超可靠的低延迟通信（URLLC）切片对其进行扩展，边缘平台按照ETSI MEC ISG体系结构操作。Vi IMproved编辑器（VIM）同平台NFV MANO交互，接受节点网络功能虚拟化与虚拟链路指令。如图2所示。

初始环节智能机器人同资源结构组件交换数据，接口的扩展以Linux Foundation Fledge框架为基础，具备隔离应用程序能力，不仅可以用于VIM，同时也可以用于中轨道地球卫星网络（MEO）。另外，数据交换与处理使用多接入边缘计算（MEC）平台，平台包括用户面功能（UPF）。平台与GPS卫星建立通信功能，可以为智能机器人的运行提供准确轨迹和地理位置，保障了GPS稳定性，避免了外界因素造成的干扰和路径衰落。尤其是城市地区，依靠GPS卫星通信，可以保障智能机器人发挥应有作用。智能机器人同边缘节点靠专用天线通信。除此之外，边缘节点拥有交通路由能力，避免智能机器人巡检期间碰撞。边缘平台汇总各种机器人数据，减少通信回路，保障数据决策效率。通过封装机器人数据到互联网协议实现目标，使用边缘平台Fledge接口解释。边缘平台可以对数据传输频率进行调节，保障资源利用率，进而延长电池寿命。边缘平台拥有API，可以与NFV MANO通信。使用该接口时，可以对切片属性进行转换，将其变成AppD指令，用于边缘实体虚拟连接配置的指导。结束操作后，NFV MANO启动并激活切片。虚拟网络架构（VNF）部署于本地平台与所有边缘节点。VNF可以用于数据传输的处理。

2.3  安全机制

本次设计的巡检技术具备抵御网络攻击能力。网络切片资源造成的网络攻击通常会导致5G设施被破坏，出现数据泄露情况。未授权实体能够取得本地平台控制权，进而依靠横向移动技术访问智能机器人或边缘节点，导致城市停电。为避免上述问题发生，本地平台使用授权机制，依靠基于角色权限的模型（RBAC）策略，用于限制用户和平台的各种操作，包括命令触发、数据访问。此外本次设计的系统使用对称加密库，可以为物联网提供轻量级安全传输层协议（TLS），支持各种大小对称会话密钥。为避免MA VLink协议漏洞导致Dos攻击和智能机器人被攻击，本次所用技术使用本地平台、边缘节点VNF，用于监控网络安全，负责控制命令和交换数据监控。

本次所用技术使用威胁情报平台协议与规则，以网络流量分析和安全监控框架（Zeek）规范模块，按照智能机器人网络协议规范进行异常状况监测，包括不支持，错误的消息、代码及消息序列。由于许多协议为专有协议，不同制造商的规范不一致，所以使用反向工程交换控制命令与数据。应用人工智能技术中的行为学习算法，在无线充电及设施检查中，让智能机器人形成控制命令基线与合法数据。当巡检中发现电力设施遭受网络攻击，边缘平台使用触发防火墙、隔离受损节点等办法应对恶意实体与未授权攻击。从检测结果可知，智能巡检效果远好于传统巡检技术，见表1。

3  结束语

综上，本文以人工智能技术为基础所运用的变电站二次设备智能巡检技术，能够使用实时监测手段对变电站二次设备进行识别检测，应用深度学习技术诊断设备故障，实时检测设备运行状态。使用网络功能虚拟化与边缘计算手段，改善巡检准确率，保障巡检效果。结合实例分析可证，本次所用的巡检技术在巡检频率、误判量、准确率方面优势显著，能够显著提高变电站设备安全性、可靠性，为人们提供高质量的稳定电力资源，值得大力推广。

参考文献：

[1] 曾乔迪，陈煜敏，蒋文辉，等.基于多源判据的变电站二次设备故障自动化诊断研究[J].自动化与仪表，2023，38（10）：57-61.

[2] 王叶青，曹天宇.智能变电站设备检修的二次安全控制方法分析[J].集成电路应用，2023，40（8）：188-189.

[3] 张耀午.变电站二次设备智能化监控与维护管理系统研究[J].光源与照明，2023（6）：168-170.

[4] 皮志勇，罗皓文，严文洁，等.基于IED和SCD文件的智能变电站二次设备智能巡检系统设计[J].电子设计工程，2022，30（23）：94-98.

[5] 陈学伟，王伟，田新成，等.基于机器视觉的变电站二次设备智能巡检方法[J].电工技术，2022（18）：25-27.

[6] 张志，王立玮，杨钰雪，等.机器人视觉导航技术的二次设备智能巡检方法[J].自动化与仪表，2021，36（4）：51-56.

[7] 白旭.基于人工智能的图像分析识别技术在变电站二次设备智能巡检系统中的研究及应用成果.内蒙古自治区，内蒙古电力（集团）有限责任公司包头供电分公司，2020-12-15.

猜你喜欢 电网系统二次设备变电站 关于变电站五防闭锁装置的探讨电子制作(2018年8期)2018-06-26超高压变电站运行管理模式探讨电子制作(2017年8期)2017-06-05智能电网要求下的20kV配网建设需求分析中国高新技术企业(2016年34期)2017-02-10电网系统中电气自动化应用技术的研究企业导报(2016年19期)2016-11-05浅析智能变电站二次设备的运行诊断及其调试科学与财富(2016年28期)2016-10-14基于保护软压板远方投切应用技术的探讨科技视界(2016年24期)2016-10-11220kV户外变电站接地网的实用设计现代工业经济和信息化(2016年5期)2016-05-17变电站，城市中“无害”的邻居河南电力(2015年5期)2015-06-08