基于电力4G专网的变电站实时双向智能巡检

张 天，苏 伟，龚雁峰

（1.国网山东省电力公司济南供电公司，山东 济南 250012；2.国网江苏省电力有限公司电力科学研究院，江苏 南京 211103；3.华北电力大学电气与电子工程学院，北京 102206）

0 引言

电力行业作为国民经济发展中的重要一环，其基础设施运行的安全稳定为我国民用及工业活动奠定了基础。变电站巡检是保证变电站安全运行，提高供电可靠性的必要基础工作，在对变电站进行巡检的过程中，及时发现并解决故障是非常重要的。传统巡检方式会受外部环境、个人经验及技能水平等影响，存在漏巡和巡检不到位等问题［1-2］。随着我国变电站自动化水平的提高与远程智能化无人值守变电站建设的推进，变电站巡检工作也向着智能化、信息化迈进。

近年来，通信技术迅速发展，其中第4代移动通信技术大大提高了通信速率，使得实时反馈巡检得以实现，同时电力4G专网还能保证巡检数据无线传输的安全性和可靠性。现阶段的变电站智能化和信息化主要体现在集中管控变电站潮流、报警信息等方面，只能观测到数字化运行信息，不能全方位观察变电站的运行及环境状况［3］。

针对上述问题，基于电力4G专网的变电站实时双向智能巡检方法，提出以人的主观能力为中心，技术支持为辅的新型智能化巡检系统，实现信息的双向交互。通过谷歌眼镜和可持智能设备进行拍照、视频、直播等方式，达到巡检系统与视频监控系统的高效结合，提高变电站运行的可靠性，也使变电站巡检工作变得更加智能化和信息化。

1 智能巡检系统的架构与特点

基于电力4G专网智能巡检系统包括谷歌眼镜接口开发、便携式一体化装置软硬件开发、后台大数据APP专业应用和云计算服务开发等，具体架构如图1所示。

图1 系统架构

1.1 系统架构设计

应用层。可以是逻辑上存在，基于可穿戴变电站智能巡检系统建立的逻辑集。用于支持设备识别、设备监控、异常监控、趋势预测、统计分析等应用。

数据服务。包括临时数据区、基础数据区、汇总数据区等一系列的数据存储区域，以及用于业务规则定义和维护管理的区域，这些区域的数据将共同支持可穿戴变电站智能巡检系统数据存储、分析和业务应用。

网络层。通过电力4G专网实现数据访问、Web服务、认证、安全以及分析门户等。

数据层。变电站、电力设备、监控系统以及一些外部数据，都将作为可穿戴变电站智能巡检系统的数据来源。从外部获取数据到数据区，再加工数据到电网数据中心，同时将保留数据历史。

1.2 系统的主要特点

1.2.1 实时性

当前智能巡检中多为无线局域网传输，受覆盖范围的限制。只有在覆盖区域内才可正常巡检，然而这将导致无法传输室外大部分变电设备的数据。当巡检人员处于无覆盖区域时，只能先通过离线表单填写，再带回至主站监控中心进行数据传输，实时性低，效率低［4］。而利用基于电力4G专网的智能巡检系统通过专网实现数据访问，进行信息的交互可以不受地点的限制，实时性好。

1.2.2 安全性

4G网络本身就有良好的密钥流，通过精准的加密算法可以保证数据的安全传输。保证网络安全性的另一个重要条件就是防止外来用户的非法访问，采用用户名和密码登录系统可有效防止外来人员的访问。此外，由于电力4G专网能够限制与外网的互联，故可禁止外来用户的非法访问［5］。

1.2.3 便携性

通过 PDA（Personal Digital Assistant）读取 RFID电子标签是当前最普遍的数据采集方式［6］。无论采用何种RFID标签，均需要手持设备进行读取，操作不方便。利用谷歌眼镜扫码，无需手持设备就能实现远距离识别，可解放巡检人员双手。

2 基于电力4G专网的智能巡检系统功能介绍

2.1 电力4G专网简述

第4代移动通信技术，即4G，有TD-LTE和FDD-LTE两种制式，其性能优势包括通信速率高、覆盖范围广、系统部署灵活等。4G网络属于开放性网络，面对所有人开放，为了保证传输数据时的安全性，将采用专网来进行数据传输［7］，电力无线专网的主要架构如图2所示。

图2 电力无线专网架构

在电网中有多种中低压配用电设施，这些设备的“三遥”等业务将会在运行过程中产生不同类型的电力信息数据。为实现配电自动化与用电信息采集，这些电力信息数据将承载在无线信号上发射出去，由相应的远端射频信号单元（Radio Remote Unit，RRU）负责接收，之后通过光纤回传至基带单元（Building Base band Unit，BBU），最后由基带单元进行解调处理恢复电力信息数据后传输至电力主站系统进行处理。电力4G专网主要用于配电及计量自动化、视频监控等电力生产类终端的无线接入，具有高带宽、低时延等诸多优势，且作为专用无线通信网，可靠性高、安全性强［8］。

2.2 谷歌眼镜及手持智能设备的基本功能

作为可穿戴便携设备，谷歌眼镜集智能终端设备、GPS、相机于一身，可将信息实时展现给巡检人员，能及时、直观地观察到变电站一次设备的运行数据，弥补了传统巡检无法获得现场实时数据的不足，为巡检人员进行现场设备检修及综合情况评估提供了可靠的数据支持。谷歌眼镜的基本特性及可视化应用功能如图3所示。

图3 谷歌眼镜的基本特性及可视化应用功能

在对设备的局部及整体进行拍照及录像后，会在谷歌眼镜的棱镜屏上显示，且在储存时可编辑设备名称。此外，利用谷歌眼镜扫描电气设备的二维码进行识别，由于编码的唯一性，因此可从后台数据服务器获取与该设备相关的信息数据，如电压、电流、有功及无功功率、温度及检修记录等，且数据会实时显示在棱镜屏上，便于巡检人员作业。谷歌眼镜还内置蓝牙，可以此将所拍图像、视频同步传输到手持智能设备，实现了数据共享，无需进行二次获取设备图像的繁琐操作。总的来说，由于谷歌眼镜无需手持操作且具有与手持智能设备相类似的功能，极大地简化了巡检工作，提高了巡检效率。

手持智能设备的功能与谷歌眼镜大致相同。虽然手持智能设备携带没有谷歌眼镜方便，但其具有对谷歌眼镜以及该终端所获得的一次信息进行预处理的优势，例如可对图像及数据进行简单预处理，包括边缘检测、绘制RGB及Hue柱状图等，从而便于巡检人员及后台专家进行数据分析，因此，手持智能设备可作为日常巡检的设备补充。

2.3 后台服务器的基本功能

集中式处理框架。能做到集中式任务调度、计算及文件存储，从而达到高速处理、灵活扩展的目标。

数据查询。具有统一的数据查询接口，包含SQL的查询方式。

运维管理。大数据及计算服务后台及其组件的安装、移除、监控及配置管理应当由统一的运维系统管理，可以做到可视化的配置、启停、安装、卸载服务。对常用系统监控项目有图形化监控界面、良好的日志保存和跟踪的能力。

多用户管理。大数据及计算服务后台支持多用户的功能分配和管理。用户之间不应存在资源竞争。

数据权限管理。能按用户配置数据访问权限，不同用户访问相同主题数据可配置显示不同的列，同时可以设置行过滤条件。

算法库支持。具有常用的统计算法库（至少包含聚类、图像分割、图像特征提取、时间序列和逻辑回归等算法），并可通过加载模块的方式进行算法库的扩展。

3 智能巡检的实现方法与应用

3.1 实现方法

现场巡检人员佩戴谷歌眼镜，扫描一次设备的二维码，该二维码是每个设备唯一对应的，因此可以自动识别相关电气设备编号并自动转发给智能化一体单元。智能化一体单元通过电力4G专网，从后台数据服务器中获取相关电气参数，将其同步到谷歌眼镜中，并根据需要进行选择性投影，以备巡检人员参考，显示信息主要包括：电气设备厂家、铭牌、检修记录及设备实时运行数据等。巡检人员根据这些信息及现场情况进行评估后，利用谷歌眼镜进行图像、音频采集，后台服务系统自动将图像、音频与设备ID关联并记录在日志中，巡检结束时自动上传日志至后台服务器。具体操作流程如图4所示。

图4 变电站实时双向智能巡检实现流程

3.2 实际应用

3.2.1 实时信息显示

二维码为设备唯一编号，利用谷歌眼镜扫码，由手持智能设备通过电力4G专网从后台服务数据库中搜索并获取设备运行及检测等数据，并将最终结果显示在棱镜屏上，具体数据显示如图5所示。

3.2.2 信息交互

电力系统巡检人员在实际巡检过程中，后台专家能够实时观察到现场实际情况并及时给予技术支持，通过谷歌眼镜进行现场视频采集和实时传送可以实现专家远程诊断功能，具体实现过程如图6所示。

图5 实时状态数据展示

图6 后台专家远程诊断实现过程

谷歌眼镜通过蓝牙或无线网络与手持智能设备进行连接，通过手持智能设备实时上传图像、视频或录音到后台服务器，后台服务器可实现实时点播和视频存储。专家可通过网络浏览器在后台查看由各个变电站谷歌眼镜所上传的实时视频，进行远程专家指导，具体如图7所示。如果变电站巡检人员启动谷歌眼镜实时视频上传功能，后台服务器所对应的变电站视频窗口将实时播放视频，后台专家可以点击对应窗口，放大至全屏观看。

图7 后台服务器接收现场实时数据

手持智能设备通过电力4G专网与后台服务系统获得同步联系，突破了以往专家难以获取现场实时数据的障碍，可以实现专家远程诊断功能，有助于提高智能变电站巡检的自动化水平。

4 结语

新型变电站智能巡检方式以谷歌眼镜及智能一体化单元为基础，通过电力4G专网和后台数据库进行信息交互，将变电站的实时数据传递到数据库，以便巡检人员获得电气设备的实时运行情况，并可实现后台专家运程指导处理变电站中存在问题，从而制定最佳的保养维修方案。