基于视频监控的变电站巡检巡视系统设计

杜 珂，苏淑敏，于树海，国家栋，罗 喜

(广西电网公司南宁供电局，广西 南宁 530000)

0 引言

电力系统的稳定运行关系到国计民生，在运行过程中出现任何错误都将会造成无法估量的损失[1-2]。变电站是智能电网中不可或缺的一个环节，传统的变电站巡视巡检系统普遍存在效率低下以及准确性偏低等缺点，无法满足现阶段电网发展需求。因此，需要研究一套集智能化和自动化于一体的变电站巡检巡视系统。

国内相关专家给出了一些比较满意的研究成果。王强[3]分析工作面一线工人的劳动强度，将远程人员监视作为自动化设计目标，同时结合系统需求构建智能巡检系统；班福忱等[4]对企业科技化需求进行分析，同时结合现代化技术构建移动端巡检系统，通过UML对系统应有模块进行详细的介绍和分析。在上述已有系统基础上，本文设计并提出一种基于视频监控的变电站巡检巡视系统。

1 基于视频监控的变电站巡检巡视系统

分析当前变电站的运行情况，获取变电站巡检巡视系统的主要设计目标，具体如下所述：

a.实现延伸巡视。当人工进行现场巡视的过程中[5-6]，由于部分设备安装在比较高的位置，所以部分值班人员无法达到正常巡视的目的，对巡视质量产生影响。借助有针对性的视频监控以及变电站辅助监控系统，变电站的相关工作人员可以清楚观察变电站的运行情况，及时发现异常进行报警。

b.开关柜内安装监控设备。实时掌握电缆的出线状态，可以对有效电缆进行无死角巡查，有效避免人工巡检过程中出现的盲区。

c.变电站设备实时全面监测。根据设备构建预置位和在线监测以及保护信息之间映射关系，确保变电站可以有效实现视频以及在线监测等相关功能，同时还可以实现全景化监测，确保巡视巡检质量得到有效增强。

d.工作效率的提升。确保变电站巡视巡检任务高效以及快速地完成，同时还能够将巡检报表以及相关数据进行上传和下载。

在进行变电站巡检巡视系统设计前期，需要通过电网统一监测平台得到对应的变电站视频监控数据。以此为依据，构建基于视频监控的变电站巡检巡视系统[7-8]。在统一标准基础上，对系统的需求进行分析，系统的业务处理流程为：登录系统；获取变电站设备的状态数据；对状态数据进行预处理；编制巡检巡视策略；视数联动；数据上传。

变电站巡检巡视系统主要划分为多个不同的模块，每个模块都有针对性的进行设计和描述，具体组成结构如图1所示。

图1 基于视频监控的变电站巡检巡视系统结构

1.1 系统管理子系统

a.初始化设置模块。根据变电站工作人员的权限和排班顺序进行用户合理化安排，同时将模块中的各个参数进行初始化处理，如变电站设备和智能化改造以及工作的录入和删除等。

b.巡检巡视维护模块。定期对变电站进行巡检巡视，同时制定对应的维护策略，确保变电站的稳定运行。

c.巡检巡视方式选择模块。根据巡检巡视系统的运行情况和相关工作人员的巡视路线，需要制定合理的轮训方案，同时选取满足变电站对应的巡检巡视方式。

d.记录查询模块。对巡检工作人员的巡检日志以及状态监测子系统上传的设备运行数据等数据进行查询，同时还能够查看巡检巡视任务的完成情况。

e.系统报警模块。对变电站巡检巡视过程中出现的异常情况及时进行报警处理，相关工作人员给出对应的处理措施。

1.2 状态监测子系统

a.红外成像在线分析模块。获取变电站设备的热力图，当图像温度正常时继续进行监测，在图像发生异常时需要定位故障发生的具体坐标位置，同时进行报警，将数据上传至系统服务器。

b.变电站异常检测模块。采用智能巡视巡检方式判定系统是否发生故障，如果系统发生故障[9-10]，则直接切换到人工巡检模式。

c.容性设备绝缘监测模块。对变电站设备中各种容性设备进行监测和分析，同时制定对应的运行参数表。一旦出现异常，系统会立即启动报警服务，同时将相关数据上传至系统服务器。

d.避雷器在线监测模块。对避雷器的泄漏电流或者阻性电流等相关参数进行监测，制定避雷器运行参数表，当避雷器发生异常时及时进行报警，同时将异常数据上传至系统服务器。

e.变压器在线监测模块。对变压器内部含油量的各种成分进行检测，形成参数报表，当任意一项指标低于设定的阈值，则说明变压器异常，发生报警，同时将数据上传至系统服务器。

1.3 智能辅助控制子系统

a.视频一体化联动模块。对变电站设备进行实时监控，当接收一次设备故障信息，故障点附近的摄像头会形成联动反应，转向故障点，记录变电站设备具体故障情况，同时将故障视频信息进行上传。

b.变电站灯光远控模块。当打开视频后，通过远控指令或者预定义的打开时间自动开启灯光，在晚间会有自动补光功能。

c.变电站安防监测模块。重点针对变电站区域中没有获取访问权限的人或者物进行检测和报警。

d.变电站空调远控模块。根据初始化空调自动开启的模式，定时或者远程开启，同时还需要对空调的运行模式以及温度进行调节。

e.变电站环境监测模块。对变电站研究区域内的温度、湿度以及污染物的分布情况等相关信息进行实时监测。

2 变电站红外图像异常检测方法

对变电站红外图像进行RGB值进行校正以及映射等相关操作，最终获取聚类所需要的数据集。

对于1个含有n个数据集的m维数据集而言，需要将其进行聚类，组成k个簇，即变电站红外图像的多层分割，获取最大类内紧凑度取值S，计算式为

(1)

xi为第i个簇中心对应的坐标；δ为任意常数；dn为聚类相似度。

核函数主要是将线性不可分的数据映射到高维空间，同时放大数据之间的差异性，全面提升数据分类结果的准确性[11-12]。

如果输入空间样本已经被映射到特征空间中，则特征空间的欧几里德距离dn(x,y)可以表示为

(2)

φ(x)和φ(y)为空间样本的内积。

通过核函数fk(x,y)替换式(2)中的内积，即

(3)

dH(x,y)为聚类相似度。

以下主要通过高斯核函数进行聚类，利用核猫群算法进行优化处理[13-14]，详细的操作步骤如下所述：

a.在系统内输入相关参数，其中主要包含聚类数据集X以及簇的总数等相关参数。

b.对猫群算法中的各个参数进行初始化处理。

c.通过分组率M随机将猫分配到搜寻和跟踪2种模式。其中，M为百分比。

d.判定猫处于搜寻还是跟踪模式，判定是哪种模式则继续执行该模式。

e.假设猫所在的位置为聚类中心，对各个数据对象进行聚类划分，更新适应度。

f.寻找并且记录全局当前最优解。

g.假设满足约束条件，则停止计算；反之，则返回至步骤c。

其中，猫所在位置主要包含2种搜寻模式，分别为搜寻模式和跟踪模式。

2.1 搜寻模式

搜寻模式操作流程为：

a.将猫的自身位置复制j份到记忆池中，同时将当前位置设定为候选位置之一。

b.通过CDC的大小，对SRD的大小进行改进，同时通过以下表达式调整猫的位置，即：

k=c∪(1-c)

(4)

(5)

k为猫所在位置的向量维数；D为SRD；c为需要进行改变的维的集合；r为[0,1]之间的随机数。

c.对记忆池中全部候选位置的适应度取值进行计算。

d.假设不是全部候选位置的适应度取值都相同，需要根据式(6)计算出每个候选位置被选中的概率p1，即

(6)

Fmax和Fmin分别为最大和最小适应度取值；Fb为第b个候选位置的适应度取值。

2.2 跟踪模式

跟踪模式主要通过速度模型对猫的速度和位置进行更新，详细的操作步骤如下所述：

a.设定猫群所经过的最好位置即目标搜索到的最优解。

b.检测搜寻模式下的猫是否超过设定的最大速度，假设超过，则需要将其设定为最大速度。

c.根据式(7)对更新模式下猫的坐标位置进行更新，即

(7)

在上述分析的基础上，主要通过搜寻和跟踪2种模式对猫群中猫所在的位置进行更新，同时采用函数组建对应的目标函数，根据多次迭代寻优获取红外变电站设备的多层分割聚类结果[15]，最终实现变电站红外图像异常检测。

3 仿真实验

为了验证所提基于视频监控的变电站巡检巡视系统的有效性，需要进行仿真实验测试。实验重点从变电站巡检巡视性能、平均测试时间以及误报率3个方面展开。

3.1 变电站巡检巡视系统巡检巡视性能测试

为了有效测试本文系统的优越性，优先将变电站巡检巡视性能作为测试指标，分别采用3种不同的系统对变电站进行巡视巡检实验测试，具体实验结果如图2和图3所示。

图2 测试对象1的测试结果

图3 测试对象2的测试结果

由图2和图3可知，相比另外2种系统，本文系统能够准确发现变电站中存在的异常，充分证明本文系统具有良好的巡视巡检性能。

3.2 平均测试时间测试结果

为了进一步验证本文系统的有效性，将平均测试时间设定为测试指标，选取20个不同的方案对不同系统进行实验测试，详细的测试对比结果如表1所示。

表1 不同系统的平均测试时间对比结果

表1(续)

由表1可知，相比另外2种系统，本文系统的平均测试时间明显更低一些。由于本文系统在设计过程中，加入了变电站红外图像异常检测环节，这样可以有效降低平均测试时间，以更快的速度完成变电站巡检巡视。

3.3 误报率测试结果

为了方便测试，选取本文系统和另外2种系统进行实验测试，将误报率作为测试指标，具体的实验结果如表2所示。

表2 不同系统的误报率测试结果对比结果

由表2可知，由于本文系统引入了核猫群优化算法对变电站红外图像进行异常检测，可以在变电站巡检巡视过程中及时发现异常，进行报警。相比另外2种系统，本文系统的误报率得到有效降低，同时整体的巡检巡视性能得到十分明显的改善，充分验证了本文系统的优越性。

4 结束语

变电站巡检巡视系统主要通过不同的监测以及通信技术完成不同类型输电站设备的实时感知以及智能巡视功能。结合视频监控结果，设计并提出一种基于视频监控的变电站巡检巡视系统。和已有测试系统相比，本文系统具有良好的巡检巡视性能，同时还能够有效降低系统的误报率和平均测试时间。

由于研究时间有限，本文系统仍然存在一定得到的不足，后续将重点针对以下几方面的内容进行改进：

a.在变电站巡检巡视系统中加入全新的通信技术。

b.对采集到的数据进行统计和分析，同时将引入数据挖掘技术，在已有数据的基础上，提出全新的设备检修和维护策略。