徐長福， 陶風(fēng)波， 龔雁峰， 曹 軍， 蘇 偉

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103;2. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

基于谷歌眼鏡的智能變電站實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示與智能分析技術(shù)

徐長福1， 陶風(fēng)波1， 龔雁峰2， 曹 軍2， 蘇 偉2

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力公司電力科學(xué)研究院，江蘇 南京 211103;2. 華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，北京 102206)

研究了基于可穿戴設(shè)備(谷歌眼鏡)的智能變電站巡檢虛擬視頻和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示技術(shù)：現(xiàn)場巡檢人員通過谷歌眼鏡掃描粘貼在電氣設(shè)備上的QR碼(二維碼的一種)來自動識別相關(guān)電氣設(shè)備的設(shè)備名稱和ID編號，并將相關(guān)識別信息通過藍(lán)牙技術(shù)轉(zhuǎn)發(fā)給智能化一體單元；移動終端根據(jù)獲得的設(shè)備編碼，通過電力系統(tǒng)4G專網(wǎng)，從后臺數(shù)據(jù)服務(wù)器搜索并獲取該電氣設(shè)備的關(guān)鍵物理信息(電氣設(shè)備廠家，銘牌，上次檢修時(shí)間及設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù))，并將信息根據(jù)現(xiàn)場巡檢人員的需要以圖片或虛擬視頻的形式投影至谷歌眼鏡上。本發(fā)明方法突破了常規(guī)變電站巡檢難以有效獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的障礙,有助于提高智能變電站巡檢的自動化水平。

變電站巡檢；谷歌眼鏡；虛擬視頻；智能穿戴系統(tǒng)

在構(gòu)建智能電網(wǎng)的現(xiàn)階段，電力系統(tǒng)中大部分設(shè)備都經(jīng)過通信網(wǎng)絡(luò)將各自的信息傳輸?shù)奖镜財(cái)?shù)據(jù)庫中，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控[1]。通過變電站巡檢可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備的各種缺陷，確保設(shè)備安全可靠穩(wěn)定運(yùn)行，防止在設(shè)備損壞的情況下繼續(xù)運(yùn)行而產(chǎn)生無法估計(jì)的事故。將巡檢過程中得到的信息準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地傳輸?shù)綌?shù)據(jù)庫中是變電站巡檢中重要的一步。

現(xiàn)階段的變電站巡檢主要依靠人工巡檢[2-4]，過于依賴人的主觀性，存在以下問題：(1) 由于巡檢人員的疏忽或急于完成巡檢任務(wù)而導(dǎo)致巡檢不到位，漏檢；(2) 在手工填報(bào)巡檢結(jié)果的過程中存在漏項(xiàng)或出錯(cuò)；(3) 巡檢管理人員無法獲得變電站實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、全面的運(yùn)行狀態(tài)，從而無法制定最佳的保養(yǎng)維修方案。這些問題導(dǎo)致人工巡檢的效率低下。

本項(xiàng)目擬通過最新的可穿戴技術(shù)(谷歌眼鏡)和云端大數(shù)據(jù)服務(wù)技術(shù)，形成以人的主觀能力為中心，技術(shù)支持為輔的新型智能化巡檢系統(tǒng)。利用拍照、視頻、直播等方式將變電站的現(xiàn)狀通過谷歌眼鏡和可持智能設(shè)備發(fā)送至本地后臺數(shù)據(jù)庫，再由本地?cái)?shù)據(jù)庫將變電站此時(shí)的實(shí)時(shí)電氣參數(shù)送達(dá)谷歌眼鏡和可持智能設(shè)備，從而達(dá)到信息的交互，讓變電站巡檢工作變得智能化、信息化[5]。

1 基于谷歌眼鏡的智能巡檢概述

智能巡檢是將智能化設(shè)備(如可穿戴設(shè)備、機(jī)器人、無人機(jī)等)通過大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)等現(xiàn)代通信技術(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)互動的巡檢方式[6]。智能巡檢可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化、智能化、規(guī)范化、信息化的運(yùn)維和檢修[7,8]，對缺陷管理和巡檢管理有很大的提升。

針對現(xiàn)有變電站巡檢技術(shù)無法有效提取、獲得現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的不足，本文提出了一種新型變電站智能巡檢，重點(diǎn)關(guān)注基于可穿戴設(shè)備(谷歌眼鏡)的變電站智能巡檢實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示和虛擬視頻技術(shù)，這是一種新的人機(jī)交互技術(shù)，該方法能夠?qū)崟r(shí)、直觀地傳輸和視頻化地展示變電站一次設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，從而為巡檢員進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)備的檢修和綜合狀況評估提供可靠依據(jù)[8]。變電站智能巡檢包含的主要設(shè)備有。

(1) 谷歌眼鏡終端：主要用于拍照，攝像，掃描QR碼，且支持瀏覽已拍攝的照片，視頻展示。并采用藍(lán)牙連接方式，與移動終端進(jìn)行通信。

(2) 移動終端(智能一體化單元)：用于建立移動端與谷歌眼鏡的藍(lán)牙連接，并實(shí)現(xiàn)后臺運(yùn)行數(shù)據(jù)接收服務(wù)(Service)，同時(shí)通過電力4G無線專網(wǎng)可將接收到的數(shù)據(jù)(圖片，視頻)上傳至服務(wù)器和從服務(wù)器下載信息。

(3) 后臺數(shù)據(jù)庫：除了變電站各類設(shè)備的歷史以及實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)外，對于系統(tǒng)中的所有功能，還存在不同的配置信息、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)、系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)等信息，數(shù)據(jù)庫能根據(jù)這些數(shù)據(jù)信息本身進(jìn)行歸檔，提供快速查詢的底層接口，并保持?jǐn)?shù)據(jù)的完整性、可靠性、一致性。

2 可穿戴設(shè)備基本功能

本文中的變電站智能巡檢功能的開發(fā)工作包括谷歌眼鏡接口開發(fā)、便攜式一體化智能終端軟硬件開發(fā)、后臺大數(shù)據(jù)APP專業(yè)應(yīng)用和云計(jì)算服務(wù)開發(fā)等，實(shí)現(xiàn)三者的實(shí)時(shí)通信傳輸。項(xiàng)目系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目系統(tǒng)構(gòu)架

2.1 谷歌眼鏡基本功能

谷歌眼鏡作為可穿戴便攜設(shè)備，集智能終端設(shè)備，GPS，相機(jī)于一身，可以將實(shí)時(shí)信息展現(xiàn)在用戶的眼前，可以使巡檢人員及時(shí)，直觀地觀察到變電站一次設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)巡檢無法獲得現(xiàn)場實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的不足，為巡檢人員進(jìn)行現(xiàn)場設(shè)備的檢修和綜合情況做出評估提供了可靠的數(shù)據(jù)支持。谷歌眼睛的基本功能如圖2所示。

圖2 谷歌眼鏡的基本功能

首先是拍照功能，谷歌眼鏡配置有500 萬像素的攝像頭，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)碼變焦，圖像拍攝完成后可以在谷歌眼鏡的棱鏡屏上顯示，并且標(biāo)識出圖像儲存時(shí)的名稱。輕觸谷歌眼鏡的觸摸板可以對圖像進(jìn)行相應(yīng)的操作，例如上傳和刪除功能，將圖像上傳至可持智能設(shè)備中，實(shí)現(xiàn)圖像的分析和處理。同樣是使用谷歌眼鏡的攝像頭還可以進(jìn)行720 P的高清視頻錄制，在拍攝過程中會非常智能地在棱鏡上顯示視頻的拍攝時(shí)長，其他的處理方式和拍照類似。谷歌眼鏡攝像頭的另一個(gè)作用是掃碼，其主要功能是利用谷歌眼鏡掃描電氣設(shè)備上的QR碼從而達(dá)到識別該電氣設(shè)備的目的，由于QR碼中包含該電氣設(shè)備的唯一設(shè)備編號，因此可以通過后臺數(shù)據(jù)庫獲取與該設(shè)備相關(guān)的電氣參數(shù)信息數(shù)據(jù)，例如設(shè)備的電壓、電流、有功功率、無功功率、溫度和上次的檢修時(shí)間等，將這些數(shù)據(jù)顯示在棱鏡屏上，讓巡檢人員對電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)情況有所了解。谷歌眼鏡還內(nèi)置藍(lán)牙，通過藍(lán)牙將所拍的圖像、視頻同步傳輸?shù)娇沙种悄茉O(shè)備，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，無需進(jìn)行二次獲取設(shè)備圖像的繁瑣操作。并且谷歌眼鏡還支持Wi-Fi，能將無需處理的圖像不經(jīng)過可持智能設(shè)備而直接經(jīng)由供電系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)直接發(fā)送到后臺數(shù)據(jù)庫中。

總體來說，由于谷歌眼鏡無需手持操作并且擁有和手持智能設(shè)備大部分相同的功能，對巡檢人員來說是一個(gè)非常適合的便攜設(shè)備，可以解放雙手來進(jìn)行更多設(shè)備檢查操作。

2.2 可持智能設(shè)備功能

可持智能設(shè)備的功能與谷歌眼鏡大致相似，都能拍照，攝像，掃碼，具有藍(lán)牙和Wi-Fi 2種同步數(shù)據(jù)的功能。需要注意的是在實(shí)現(xiàn)拍照、攝像功能時(shí)注意修改默認(rèn)的存儲路徑以及圖像、視頻存儲名稱，使得其余谷歌眼鏡端命名格式相同。使用可持智能設(shè)備的好處在于可以對谷歌眼鏡以及該終端所獲得的一次信息進(jìn)行處理和修改，例如對圖像的簡單預(yù)處理包括邊緣檢測，繪制RGB及Hue柱狀圖等。雖然可持智能設(shè)備的攜帶沒有谷歌眼鏡方便，但是也具備谷歌眼鏡沒有的一些功能，有必要作為巡檢人員的日常配備[9]。

可持智能設(shè)備還具有GPS/北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，通過定位系統(tǒng)可以對巡檢路線進(jìn)行系統(tǒng)規(guī)劃，優(yōu)化巡檢路線，防止巡檢人員漏查、重查。位置信息上傳之后還可以實(shí)時(shí)記錄巡檢人員的巡檢路線，為以后的巡檢記錄工作做好備份，實(shí)現(xiàn)巡檢方式的智能化，無紙化[10]。

3 智能巡檢實(shí)現(xiàn)方式

現(xiàn)場巡檢人員佩戴谷歌眼鏡，掃描電力系統(tǒng)一次設(shè)備上的QR碼，該QR碼是每個(gè)設(shè)備唯一對應(yīng)的，不會出現(xiàn)重復(fù)的情況，因此可以自動識別相關(guān)的電氣設(shè)備編號并自動轉(zhuǎn)發(fā)給智能化一體單元。智能化一體單元從后臺數(shù)據(jù)服務(wù)器中獲取該電器設(shè)備的相關(guān)電氣參數(shù)，并把參數(shù)信息同步到谷歌眼鏡中，顯示在棱鏡上以備巡檢人員參考。具體顯示信息包括但不限于如下信息：電氣設(shè)備廠家，銘牌，上次檢修時(shí)間及設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)等。 虛擬視頻和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示如圖3所示。

圖3 虛擬視頻和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)展示

步驟一。通過谷歌眼鏡掃描粘貼在電氣設(shè)備上的QR碼來自動識別相關(guān)電氣設(shè)備的設(shè)備名稱和ID編號，并將相關(guān)識別信息通過藍(lán)牙轉(zhuǎn)發(fā)給移動終端(智能化一體單元)，具體包括：

(1) 在掃描和數(shù)據(jù)傳輸前，首先會檢測谷歌眼鏡和移動終端的藍(lán)牙是否連接，數(shù)據(jù)接收服務(wù)是否開啟，同時(shí)給予用戶相應(yīng)的提示；

(2) 通過谷歌眼鏡語音控制對電氣設(shè)備進(jìn)行QR碼掃描，谷歌眼鏡可以自動識別電氣設(shè)備的名稱和ID編號等設(shè)備基本信息，用戶可自定義QR碼中信息的格式及內(nèi)容；

(3) 將步驟一(2)中谷歌眼鏡識別的電氣設(shè)備基本信息通過藍(lán)牙轉(zhuǎn)發(fā)給移動終端。

步驟二。移動終端(智能化一體單元)根據(jù)從谷歌眼鏡QR碼掃描獲得的電氣設(shè)備基本信息，通過電力系統(tǒng)4G專網(wǎng)，從后臺數(shù)據(jù)服務(wù)器搜索并獲取該電氣設(shè)備的關(guān)鍵物理信息，具體包括：

(1) 根據(jù)步驟一中谷歌眼鏡通過藍(lán)牙發(fā)送的電氣設(shè)備基本信息(名稱、ID編號等)通過電力系統(tǒng)4G專網(wǎng)發(fā)送到后臺服務(wù)器，并發(fā)出搜索請求。從移動端到服務(wù)器端的傳輸，采用socket，并自定義傳輸協(xié)議。這樣可以支持大文件的上傳和斷點(diǎn)續(xù)傳；

(2) 后臺服務(wù)器根據(jù)步驟二(1)收到的電氣設(shè)備基本信息，搜索后臺數(shù)據(jù)庫，并判定現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫關(guān)于此電氣設(shè)備的信息是否是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，如是則將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)信息傳送給移動終端，否則進(jìn)入步驟二(3)；

(3) 如現(xiàn)有數(shù)據(jù)庫關(guān)于此設(shè)備的信息不是實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，則數(shù)據(jù)庫通過電力系統(tǒng)SCADA系統(tǒng)發(fā)出采集命令，采集該設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)信息傳給移動終端，采集的實(shí)時(shí)信息包括：該電氣設(shè)備廠家，銘牌，上次檢修時(shí)間及設(shè)備實(shí)時(shí)運(yùn)行電壓、電流、有功功率、無功功率和溫度等；

步驟三。根據(jù)步驟二中后臺服務(wù)器傳送給移動終端的電氣設(shè)備實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，將實(shí)時(shí)信息根據(jù)現(xiàn)場巡檢人員的需要與自定義，有選擇的以圖片或虛擬視頻的形式投影于谷歌眼鏡上，巡檢人員可以通過這些信息對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確的評估。

4 實(shí)時(shí)信息展示與智能分析

4.1 實(shí)時(shí)信息展示

QR碼中包含此設(shè)備的唯一設(shè)備號(ID),掃描功能可識別該ID編號，通過電力系統(tǒng)4G專網(wǎng)，利用網(wǎng)頁服務(wù)從后臺數(shù)據(jù)庫搜索并獲取該電氣設(shè)備的關(guān)鍵物理信息，并將最終結(jié)果顯示在棱鏡屏上。

對于掃描QR碼后所獲得的電力設(shè)備的狀態(tài)信息，如設(shè)備溫度的實(shí)時(shí)變化，電壓的波動等，可以通過圖表(如折線圖，柱狀圖等)等方式更加直觀的顯示這些狀態(tài)數(shù)據(jù)。

4.2 智能分析

谷歌眼鏡、智能移動終端會將所拍攝的圖像、影像上傳到后臺數(shù)據(jù)庫，該系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)技術(shù)，將各類數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總處理。由于數(shù)據(jù)是實(shí)時(shí)變化的，需要使用定時(shí)調(diào)度任務(wù)，在經(jīng)過篩選過后，將最終數(shù)據(jù)導(dǎo)入本地?cái)?shù)據(jù)庫的一張寬表中(T_TRANS)。定時(shí)調(diào)度任務(wù)每5 min自動執(zhí)行一次，以保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性。T_TRANS表結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 T_TRANS表結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)運(yùn)用云計(jì)算技術(shù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)化的分析，準(zhǔn)確描述設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)變化趨勢，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)全面細(xì)致的掌握，建立合理完善的狀態(tài)評估制度，優(yōu)化變電站設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)的查詢、統(tǒng)計(jì)、分析和決策的功能。

5 結(jié)束語

以谷歌眼鏡為主體的智能可穿戴設(shè)備，克服了傳統(tǒng)巡檢工作的許多問題。利用谷歌眼鏡錄下的圖像，視頻上傳至后臺數(shù)據(jù)服務(wù)器備份檢查，以避免巡檢工作人員因?yàn)槭韬霭l(fā)生漏檢或檢查不到位。全程智能化巡檢也防止手工填報(bào)巡檢過程時(shí)因?yàn)槿藶橐蛩禺a(chǎn)生的差錯(cuò)。谷歌眼鏡利用掃描每個(gè)設(shè)備唯一的QR碼，可以通過后臺數(shù)據(jù)服務(wù)器下載電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確運(yùn)行情況，并且可以獲得后臺專家的實(shí)時(shí)指導(dǎo)，從而制定出最佳的保養(yǎng)維修方案。本項(xiàng)目以人工巡檢為中心，智能穿戴設(shè)備為輔助，不僅克服了人工操作的一些缺陷，而且可以更加及時(shí)地發(fā)現(xiàn)設(shè)備的各種缺陷，確保設(shè)備安全可靠穩(wěn)定的運(yùn)行。

[1] 徐 勇, 陸玉軍, 張 雷. 智能變電站網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)在線監(jiān)測設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 江蘇電機(jī)工程, 2014, 33(2):52-55. [2] WANG S G, YANG E H, WANG X H, et al. Development of a Novel Live-Line Inspection Robot System for Post Insulators at 220-kV Substations[J]. Advanced Robotics, 2010, 24(4):559-583.

[3] 周立輝, 張永生, 孫 勇,等. 智能變電站巡檢機(jī)器人研制及應(yīng)用[J]. 電力系統(tǒng)自動化, 2011, 35(19):85-88.

[4] 彭向陽, 陳 馳, 饒章權(quán),等. 基于無人機(jī)多傳感器數(shù)據(jù)采集的電力線路安全巡檢及智能診斷[J]. 高電壓技術(shù), 2015, 41(1):159-166.

[5] 呂 磊, 賁奧然, 李 丹,等. 智能可穿戴技術(shù)在電網(wǎng)中的應(yīng)用研究[J]. 電力信息與通信技術(shù), 2016(4):177-180.

[6] 魏本剛, 周建國, 黃 華,等. 基于智能巡檢的智能化變電站狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案[J]. 華東電力, 2012(6):999-1001.

[7] GOFF M B. Keys to a Good Substation Inspection Program [J]. Transmission & Distribution World, 2002, 54(11):34.

[8] HAJIAN-HOSEINABADI H. Reliability and Component Importance Analysis of Substation Automation Systems[J]. International Journal of Electrical Power & Energy Systems, 2010, 49(6):455-463.[9] 陳 明, 嚴(yán)潔云. 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電設(shè)備智能巡檢系統(tǒng)研究[J]. 電力信息與通信技術(shù), 2011, 09(1):85-89.

[10] 薛 堅(jiān), 鄭文斌, 章振海,等. 基于圖像監(jiān)控的變電所智能巡檢系統(tǒng)研發(fā)[J]. 電力信息與通信技術(shù), 2014, 12(7):105-108.

徐長福

徐長福(1970 —)，男，江蘇溧水人，高級工程師，從事電力無線專網(wǎng)及智能運(yùn)檢新技術(shù)研究與應(yīng)用工作;

陶風(fēng)波(1982 —)，男，江蘇常州人，高級工程師，從事設(shè)備狀態(tài)評價(jià)技術(shù)研究及業(yè)務(wù)管理;

龔雁峰(1977 —)，男， 江蘇啟東人，教授，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制;

曹 軍(1983 —)，男，河北保定人，講師，主要研究方向?yàn)殡娏ο到y(tǒng)保護(hù)與控制;

蘇 偉(1993 —)，男，江蘇南通人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)榛跁簯B(tài)行波的VSC-HVDC故障分類和測距研究。

Real-time Data Demonstration and Intelligent Analysis Technology for Smart Substation Inspection Based on Google Glass

XU Changfu1, TAO Fengbo1, GONG Yanfeng2, CAO Jun2, SU Wei2

(1. State Grid Jiangsu Electric Power Company Electric Power Research Institute, Nanjing 211103, China;2. School of Electrical and Electronic Engineering, North China Electric Power University, Beijing 102206, China)

This paper presents the virtual video and real-time data demonstration for smart substation inspection based on the latest wearable services such as Google glass. The inspection operator scans a kind of Quick Response Code named QR code on electrical equipment by Google glass to automatically identify the name and Identification number of related electrical equipment. Then Google glass will transmit the information to intelligent terminal by Bluetooth. The intelligent terminal acquires the key electrical parameters such as manufacturers, nameplate, the latest maintenance time and real-time operation data of the related electrical equipment from the local database. And then it projects the real-time information on the Google glass in the form of images or video according to the need of the substation inspection operators. This method can break through the difficulty of obtaining real-time data by traditional substation inspection work and improve the automation level of substation inspection.

substation inspection; google glass; virtual video; smart wear system

2016-08-30；

2016-10-27基金項(xiàng)目:國家電網(wǎng)公司科技項(xiàng)目(變電站可穿戴設(shè)備研究)

TM73

A

2096-3203(2017)01-0091-04