電氣設備交接試驗智能管控技術研究與應用

鄭文杰李程啟

(國網山東省電力公司電力科學研究院,山東 濟南 250003)

0 引言

電氣設備在運行中發生事故,會影響電網安全穩定運行,從而影響社會生活秩序和生產活動。在設備投運前開展全面的交接試驗,可以及時發現設備潛在缺陷,確保設備健康投運,對電力系統安全穩定運行具有重要意義。為此,多家業內權威機構共同制定了電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗標準,對電力變壓器、電抗器、真空斷路器等主要電氣設備的交接試驗項目、判定標準做了明確規定[1-2]。

現行標準未明確試驗步驟,缺乏試驗過程管控手段[3]。國內鮮有系統的交接試驗管控技術研究。劉路昕等對特高壓直流輸電工程300 MVar大型調相機組現場驗收及交接試驗過程中的質量管控技術進行了探討,提出了部分試驗項目的注意事項,但未明確整體試驗步驟[4];蘭柏等針對GIS交接試驗流程進行優化,但缺乏試驗人員、試驗儀器管控措施[5];曹江平等從節約與節能角度研究了現場交接試驗方法、程序以及注意事項,但未實現對試驗整體過程管控[6]。

針對上述問題,提出一種電氣設備交接試驗智能管控技術,通過建立試驗人員庫、試驗儀器庫,利用人臉識別、RFID 技術實現現場試驗人員、儀器的管控;通過研發試驗數據上傳通用格式規范、試驗儀器數據圖像識別技術,實現交接試驗數據的自動采集上傳。

1 智能管控技術方案

為了加強電氣設備交接試驗的過程管控,實現試驗人員、試驗儀器、試驗項目、試驗模板、判定規則、試驗工程全面管控,試驗數據自動采集、試驗結論智能判定,本文提出了交接試驗管控系統設計方案。

1.1 系統功能設計

基于電氣設備交接試驗智能管控系統及移動終端APP的系統整體功能邏輯如圖1所示。

圖1 智能管控系統及移動終端APP系統整體功能

(1)人員、儀器管理方面:建立全省試驗人員、試驗儀器臺賬,現場試驗時利用交接試驗APP人臉識別、掃碼認證功能,實現人員資質、儀器校驗信息的驗證。

(2)試驗項目、試驗模板管理方面:依據交接試驗核心標準,整理歸納主變壓器、電壓互感器組合電器等17類電氣設備試驗項目;參考《電氣裝置安裝工程電氣設備交接試驗報告統一格式》[7],結合試驗現場實際,制定各項交接試驗報告模板,實現試驗報告統一規范。

(3)試驗工程管理:試驗人員根據試驗計劃創建試驗工程,并完成數據錄入、試驗報告審核、試驗報告生成。

(4)試驗數據自動采集:提出無線通信、圖像識別2種方式,實現各種試驗儀器數據的自動采集、自動上傳至交接試驗主站系統進行存檔、解析[8-9]。

(5)試驗結論智能判定:制定17類電氣設備試驗項目判定標準,試驗數據回傳到系統后自動調用判定規則進行試驗數據分析,系統將智能診斷結果反饋至移動終端,協助現場試驗人員進行問題查找。

試驗人員、試驗儀器、試驗工程、試驗項目臺賬要求如表1所示。

表1 人員、儀器、項目、工程臺賬要求

1.2 系統管控指標設計

為了有力推進電氣設備交接試驗智能管控系統全面推廣應用,切實提高交接試驗質量與效率,需要設計切實可行的系統應用評價指標體系。如表2所示,試驗人員管理方面,主要考慮試驗人員試驗資質、試驗證書有效期;試驗儀器方面,主要考慮試驗儀器校準信息,試驗儀器是否定期檢驗;試驗工程方面,主要考慮試驗項目完整性、試驗工程執行及時率。

表2 系統管控指標設計

2 試驗數據自動采集技術

為減少交接試驗數據采集中人為干預、提高試驗數據記錄效率,實現交接試驗儀器數據自動采集、自動上傳是最有效的方法。已有基于移動終端有線接口的數據采集方案,無法實現無線方式數據采集[10-11]。

因此,本文針對型號較新的試驗儀器,制定了試驗數據自動采集上傳通用格式規范,對試驗儀器軟硬件進行升級,實現試驗數據自動采集;對于不具備升級條件的儀器,采用自學習、自更新的試驗儀器數據智能識別算法,實現試驗儀器“一鍵拍照、智能識別、自動回傳”。

2.1 試驗數據自動采集上傳通用格式規范

首先編制了試驗數據自動采集上傳通用格式規范,規定了直流電阻測試儀、變壓器變比測試儀、有載分接開關測試儀等十余類試驗儀器上傳數據規范,并支持靈活擴展新型儀器。

試驗儀器通信數據幀結構如表3所示,其中:幀頭固定為BEG 的ASCII碼(0x42 0x45 0x47);幀長度表示幀的字節數,從幀頭開始計算到校驗碼結束;命令字即控制命令,表示當前幀的性質;數據區長度即當前幀中數據區的字節數;數據區存放當前幀所傳輸的試驗數據,數據采集終端下發均為控制指令,數據區為空,試驗儀器上傳為歷史數據或當前數據;校驗碼:采用CRC16校驗碼,校驗范圍為從幀頭開始到數據區的所有數據。

表3 試驗儀器通信數據幀結構

以獲取當前測試數據為例,數據采集終端發送格式、試驗儀器相應格式見表4。

表4 數據采集、試驗儀器響應0x03命令字發送格式

各類試驗儀器根據試驗數據特點規定其上傳數據格式,以直流電阻測試儀為例,需要記錄測試時間、測試時使用的電流、每個分接開關位置對應的各相電阻值,數據格式如圖2所示。

圖2 直流電阻測試儀上傳數據格式

2.2 基于候選域的試驗儀器數據智能識別

針對老舊試驗儀器不具備升級改造條件的問題,已有研究針對特定格式圖像的文本識別研究取得了不錯效果,但未能對不同類型格式圖片進行有效識別[12-14]。

本文提出基于候選域的智能圖像識別算法。該算法可由現場試驗人員在初次使用時自主標注,后續使用中只需將標注框與目標數據對焦,然后采用OCR 算法進行局部識別。具體算法流程如圖3所示。

圖3 基于候選域的智能圖像識別算法流程

(1)首先判定該類儀器是否已經適配;對于已適配儀器,將目標數據與候選框對焦重合,獲取數據區域;對于未適配儀器,采用標定框手動框選域采集數據,并將該標定存檔;

(2)調用交接試驗APP 集成的OCR 算法模塊接口,進行數據區解析,自動識別數字、單位;

(3)數字結果自動填充至對應表格;

(4)數據采集完成后,試驗數據自動回傳至后臺系統。

為了對該算法效果進行評估,采用字符識別準確率(Accuracy)、字符識別召回率(Recall)對儀器數據識別效果進行評價。

式中:TP為被正確預測的正例樣本數量;FP為被錯誤預測的負例樣本數量;FN為被錯誤預測的正例樣本數量;TN為被正確預測的負例樣本數量。

選取電壓器變比測試儀、有載分接開關測試儀等20種典型交接試驗儀器多角度圖片共1 000張。對直接OCR 識別、基于候選域的OCR 識別效果進行對比。后者識別準確率、召回率均超過95%,比直接OCR 識別提高5%以上。主要原因為數據候選框對數據區域進行精準圈定,大幅提高識別算法魯棒性,識別效果如圖4所示。算法性能完全滿足現場應用要求。

圖4 基于候選域的智能圖像識別效果

3 應用情況及效果

3.1 系統部署方案

電氣設備交接試驗系統應用于變電站現場,需要合理的系統部署、數據交互方案,如圖5 所示。為了保證系統性能、節省軟硬件資源,本系統作為微應用基于中臺進行部署:交接試驗數據從PC電腦端、移動終端進行數據采集,然后匯集到基建專業數據中臺進行數據存儲;電氣設備交接試驗微應用調取基建專業數據中臺數據、調用人臉識別、RFID、標準規范中心等提供人員管理、儀器管理、工程管理等微功能,輕量化部署方式保障現場實用化應用。

圖5 電氣設備交接試驗智能管控系統部署設計方案

3.2 系統應用實踐

以某220 kV 新建變電站工程為例,試驗人員首先在系統創建變壓器、組合電器試驗計劃,然后開展變壓器變比測試等11項試驗、組合電器主回路電阻測試等26項試驗。以變壓器變比測試為例,試驗步驟如下:

(1)現場進行人臉識別驗證試驗人員資質;

(2)使用移動終端對變比測試儀進行掃碼驗證;

(3)現場接線、操作試驗儀器進行17個分接變比測試;

(4)在交接試驗APP點擊數據采集,17個分接數據一次性自動采集至移動終端,如圖6所示。

圖6 電壓比數據自動采集結果

(5)提交數據,自動回傳至后臺系統,完成試驗數據智能判定,試驗結論線上審核無誤后自動生成試驗報告。

3.3 系統應用效果

與傳統交接試驗模式相比,完成一座220 kV變電站交接試驗效率與質量大幅提升,具體對比如表5所示。

表5 管控系統應用效果對比

電氣設備交接試驗智能管控系統在某省推廣應用以來,目前已累計支撐40個變電站、160臺電氣主設備交接試驗,實現試驗人員、試驗儀器、試驗數據全要素線上管控,試驗數據自動采集、智能分析功能顯著提高試驗效率,每項工程平均縮短調試周期20%以上。通過電氣設備交接試驗智能管控系統的應用,實現了交接試驗管理模式從“事后應對”向“事前防范”、從“分散現場管控”向“集約系統管控”、從“傳統人工驅動”向“數據智能驅動”的轉變。

4 結論

針對傳統交接試驗工作模式缺乏過程管控的問題,本文研究構建了電氣設備交接試驗智能管控系統。通過建立試驗人員、儀器臺賬,試驗現場采用人臉識別、RFID 技術實現試驗人員、試驗儀器管控;制定交接試驗儀器數據上傳通用格式規范、提出了基于候選域的試驗儀器數據智能識別方法,實現試驗儀器數據自動采集上傳,保障交接試驗數據真實性、提高試驗數據記錄效率。系統應用實現了交接試驗人員、儀器、數據全要素管控,顯著提高了電網基建智能化水平。隨著數字新基建工程推進,輸變電建設工程現場數字化管控能力亟待提高,下一步,需要繼續擴展基建現場數字化技術應用深度、廣度,全面提升基建現場安全管理水平、工程效率水平。