变电站施工作业环境智慧监测预警系统设计

韩 磊，唐 琳，隋永锟，张 涛，滕 飞

(国网山东省电力公司建设公司，山东 济南 250001)

0 引言

“十四五”期间，国网规划建设特高压工程“24交14直”，涉及线路达3万余km，变电换流容量3.4亿kVA，总投资3 800亿元[1]。伴随着国内特高压电网建设的步伐逐渐加快，对特高压变电站工程建设安全管理提出了新的要求和挑战[2-3]。

在Q/GDW 11957.1—2020《国家电网有限公司电力建设安全工作规程第1部分：变电》4.5中规定：遇有六级及以上风或暴雨、雷电、冰雹、大雪、大雾、沙尘暴等恶劣气候时，应停止露天高处作业、水上运输、露天吊装等作业[4]。现有变电站环境监测装置只将数据传输至站级监控，未对监测的环境数据进行有效利用[5-10]。近年高温、暴雨等极端天气频发，环境因素对特高压变电站工程建设期间施工计划安排和组织有很大影响。

在上述背景下，设计变电站施工作业环境智慧监测预警系统，通过对特高压变电站环境实时监测进行环境数据与电力施工作业环境要求计算分析，将环境因素显示并动态指导现场日常施工。

1 系统结构及原理

变电站施工作业环境智慧监测预警系统通过实时采集施工现场的温湿度、风力和雨量数据，将数据通过4G网络传输至系统后台，系统后台根据安规知识数据库服务器中环境计算条件，进行施工条件判断，并将判断结果下发至现场主控终端。

设计的变电站施工作业环境智慧监测预警系统具有环境数据采集处理、4G无线传输、后台计算分析预警等功能。系统结构包括感知层、网络层和应用层。系统架构如图1所示。感知层主要进行环境数据的采集和预处理，通过4G无线网上传信息。网络层通过广域无线网转发至系统后台服务器。应用层系统监控后台对网络层接收数据加以处理，进行变电站现场施工安全预警。

图1 系统架构

2 安规知识数据库设计

特高压变电站建设应遵守电力安规，即Q/GDW 11957.1—2020《国家电网有限公司电力建设安全工作规程第1部分：变电》，因此根据电力安规提取环境因素影响施工的知识数据库，为预警装置提供数据支撑。电力安规包括施工现场、通用作业、施工机械及工器具、运输、装卸、建筑工程、电气装置安装和改扩建工程的各项安全管理规范文本数据[4]。为了利用这些非结构化数据动态分析环境参数对施工作业的影响，首先对电力安规数据进行信息抽取，将非结构化数据转化为JavaScript对象简谱(JavaScript object notation，JSON)格式，进而设计弹性搜索引擎实现数据的高效存储[11]。

变电站施工涉及多个部门、单位，也涉及多种施工器具，是电力建设的专业化工作，环境因素影响施工作业参数较多。虽然有相关的电力安规对施工作业环境进行了总结，但影响因素情况复杂多样，电力安规中的表格难以进行全面归纳。

变电站环境因素影响文本是一种特殊的非结构化文档，形式上具有半结构化文档的特征，但数据流实际上是非结构化的。电力安规中涉及环境因素的条目，抽取形成环境作业预警表格，从数据类别看，非结构化表格文档中数据分为标题区和数据区，标题区表示数据的性质和类别，数据区表示实际条款。数据抽取流程如图2所示。

图2 数据抽取流程

由于变电站建设施工环境因素较为固定，根据电力安规数据抽取流程，形成知识数据索引表，索引示例如图3所示。将系统监测环境参数和目前现场施工类型进行结合，将数据中的词进行拆分，提取关键词，当监测到暴雨时，在现场进行高空吊装时，会检索到“雨后吊装前，应先试吊，确认制动器灵敏可靠后方可进行作业”，并将结果返回到系统中。

图3 知识数据索引示例

3 硬件设计

变电站施工作业环境智慧监测预警装置硬件包括主控CPU、4G通信电路、环境采集装置和LED显示屏字库控制卡，硬件架构如图4所示。

图4 硬件架构

主控CPU选用STM32F103RET6处理器，该处理器基于ARMCortex-M3内核，采用高效的哈佛结构三级流水线，达到1.25 DMIPS/MHz。STM32F103RET6系统时钟频率72 MHz，闪存程序存储器512 kB，64 kBSRAM、8个定时器、3个12位模数转换器、1个数模转换器，1个CAN接口、7通道DMA控制器，以及SPI、USART、I2C、I2S、USB接口等[12-14]。该控制器具有丰富的外设和较强的抗干扰能力，适合用于变电站强电磁场场景。

为保证环境监测数据实时性和字库卡大量数据传输的准确性，采用4G通信进行无线传输，4G通信模块型号为Air 724，该模块是一款基于UIS8910DM芯片组的物联网通信模块。模块通信性能符合Cat1通信标准，支持最大下行速率10 Mbps和最大上行速率5 Mbps数据传输。具有全功能音频输入输出接口，LCD接口，Camera接口，内存卡接口，矩阵键盘接口，ADC接口，外设齐全[15]。

环境采集装置采集变电站现场的温湿度、风速风力和雨量，环境传感器采用型号为RS-BYH-M的百叶盒，可采集温度、湿度和颗粒物(PM2.5和PM10)及光照等；风速变送器采用型号RSFSJT-N01，量程：0～70 m/s，分辨率：0.1 m/s，动态响应时间小于等于0.5 s；雨量采用脉冲型雨量计进行雨量采集。

LED显示屏字库控制卡驱动单色LED显示屏，实时动态显示环境监测数据及安规内容。

4 软件设计

现场监测装置通过环境采集装置实时采集现场数据，并通过4G网络传输至系统后台，装置联网软件流程如图5所示。

系统后台根据现场人员输入的作业类型结合环境因素，进行现场作业环境因素的动态提示，系统预警软件流程如图6所示。

图6 后台预警软件流程

5 结束语

针对变电站施工作业受环境影响较大问题，提出了一种基于多传感器数据融合的环境预警系统，并设计了基于该方法的环境监测装置电路。实际使用中，结合现场施工作业类型，可在恶劣环境下及时在现场提示安规知识库内容，提高现场作业的安全水平，方便现场人员的高效管理，减少安全事故发生，实现变电站现场施工作业的本质安全。