徐寶軍，李新海，凌 霞，肖 星，劉德志，尹雁和，羅其鋒，邱天怡

(廣東電網(wǎng)有限責任公司中山供電局，廣東 中山 528400)

0 引言

變電站在電力系統(tǒng)中具有變換電壓等級、匯集和分配電能、控制電能流向等作用。作為電網(wǎng)輸送電能的重要環(huán)節(jié)，變電站的安全穩(wěn)定運行直接影響整個電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定性和供電可靠性[1-3]。變電站內(nèi)存在大量變壓器、斷路器、刀閘、電容器、電抗器和消弧線圈等電氣設(shè)備，其安全可靠運行是變電站安全穩(wěn)定運行的重要基礎(chǔ)。為確保變電設(shè)備的安全可靠運行，按相關(guān)設(shè)備檢修規(guī)程規(guī)定，變電部門需定期組織開展變電設(shè)備檢修工作來排除設(shè)備運行隱患以確保設(shè)備運行工況良好。此外，當設(shè)備在檢修周期內(nèi)存在缺陷時，需立即開展設(shè)備檢修工作以消除缺陷。檢修工作質(zhì)量的好壞直接影響電網(wǎng)運行水平[4-5]。隨著人工智能、增強現(xiàn)實技術(shù)(augmented reality, AR)以及定位技術(shù)的發(fā)展，電網(wǎng)系統(tǒng)陸續(xù)開展變電設(shè)備智能化和可視化運維的研究。文獻[11]提出基于智能巡檢的智能化變電站狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計方案，該系統(tǒng)實時綜合多種類型數(shù)據(jù)對設(shè)備的狀態(tài)進行評估，但未提供識別出故障設(shè)備后的處理方法。文獻[12]設(shè)計基于大數(shù)據(jù)架構(gòu)的變電站設(shè)備智能化巡檢系統(tǒng)，該系統(tǒng)集成應(yīng)用視頻監(jiān)控和巡檢任務(wù)管理單元數(shù)據(jù)，識別出設(shè)備風(fēng)險時會發(fā)出警報，然而在現(xiàn)場作業(yè)指導(dǎo)及安全管控方面存在不足。文獻[13]研究一種基于物聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)的變電站智能檢修報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)在現(xiàn)場作業(yè)安全管控方面具有一定作用，但在檢修作業(yè)現(xiàn)場指導(dǎo)及進度管理方面不能發(fā)揮作用。

1 檢修工作存在的問題

目前變電設(shè)備檢修工作主要存在如下問題。

(1) 檢修人員技能水平參差不齊。變電設(shè)備種類、數(shù)量繁多，檢修人員需掌握大量變電設(shè)備檢修方法，且由不同廠家生產(chǎn)的同一類型設(shè)備檢修工序和工藝標準也存在差異，檢修人員全部掌握相關(guān)設(shè)備檢修方法存在一定客觀難度，導(dǎo)致檢修人員技能水平存在差異，難以保障檢修質(zhì)量。

(2) 檢修計劃缺乏自動管理。變電設(shè)備檢修類型、周期各不相同，目前生產(chǎn)管理系統(tǒng)檢修計劃編制主要依靠人工完成，工作量大。生產(chǎn)系統(tǒng)與其他系統(tǒng)間的信息共享和數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用程度不高[6]，存在計劃編制遺漏導(dǎo)致設(shè)備超期檢修的隱患。

(3) 檢修方案缺乏智能管理。目前，制定變電設(shè)備檢修方案時需依靠人工查詢設(shè)備運維狀況、缺陷狀況、歷史檢修狀況等數(shù)據(jù)，并根據(jù)檢修類型、檢修規(guī)范確定檢修方案。檢修方案質(zhì)量對編審人員技術(shù)技能水平和責任心依賴程度高，工作質(zhì)量難以保障且工作效率低，缺乏對生產(chǎn)管理系統(tǒng)大數(shù)據(jù)的綜合智能應(yīng)用，缺乏典型檢修方案數(shù)據(jù)庫管理、自動引用和針對性完善功能。

(4) 檢修作業(yè)指導(dǎo)書缺乏可視化指導(dǎo)。為規(guī)范現(xiàn)場檢修作業(yè)工作，電網(wǎng)企業(yè)制定了檢修作業(yè)指導(dǎo)書，對檢修人員起到了一定的指導(dǎo)作用。但檢修作業(yè)指導(dǎo)書主要依靠文字描述，缺乏視頻、圖像可視化應(yīng)用，沒有做到檢修工序、工藝可視化指導(dǎo)，不利于員工學(xué)習(xí)、掌握相關(guān)檢修技能。

(5) 作業(yè)現(xiàn)場安全管控難度大。檢修工作地點周圍存在大量帶電設(shè)備，現(xiàn)場監(jiān)護人難以做到全面監(jiān)管，存在檢修人員誤入帶電間隔、誤碰帶電設(shè)備等引發(fā)人身傷亡的風(fēng)險[7-10]。

針對目前變電站檢修作業(yè)存在的問題，以下綜合應(yīng)用變電站各智能系統(tǒng)數(shù)據(jù)，基于AR及激光雷達定位等關(guān)鍵技術(shù)，提出并研發(fā)了變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)設(shè)計原則是利用站內(nèi)多系統(tǒng)數(shù)據(jù)全面反映設(shè)備當前運行狀況，為設(shè)備檢修作業(yè)提供支持。變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)打破了以往各個數(shù)據(jù)系統(tǒng)間獨立的狀態(tài)，采用多種交互方式融合站內(nèi)多個系統(tǒng)數(shù)據(jù)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變電站目前使用的智能系統(tǒng)主要有SCADA系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)、生產(chǎn)管理系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等。SCADA系統(tǒng)集中收集變電設(shè)備運行核心數(shù)據(jù)，可實時展示變電設(shè)備運行狀況，該系統(tǒng)通過正反向隔離裝置與變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互。在線監(jiān)測系統(tǒng)及生產(chǎn)管理系統(tǒng)通過防火墻接入到變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)。在線監(jiān)測系統(tǒng)主要收集油色譜、主變套管電容量及介損、超高頻局放、環(huán)境在線監(jiān)測數(shù)據(jù)，而生產(chǎn)管理系統(tǒng)主要包含設(shè)備檢修計劃、工作票信息、設(shè)備臺賬和缺陷記錄等數(shù)據(jù)。

為實現(xiàn)檢修預(yù)演功能，變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)需調(diào)用智能運維三維數(shù)據(jù)平臺中的全站設(shè)備三維模型。三維建模指按照設(shè)備現(xiàn)場設(shè)施位置、設(shè)備廠家圖紙相結(jié)合的方式對變電站全站設(shè)備、設(shè)施進行精確建模[14-15]。三維模型的構(gòu)建包括電力設(shè)備內(nèi)部元件的精確重構(gòu)和電力設(shè)備在變電站中空間坐標信息的精確還原。智能運維三維數(shù)據(jù)平臺對變電站區(qū)域進行三維激光掃描采集三維數(shù)據(jù)，對三維數(shù)據(jù)進行處理，完成單個設(shè)備重構(gòu)工作。在確定現(xiàn)場參考點建立位置坐標系后，通過電力設(shè)備與參考點間位置關(guān)系，確定各個電力設(shè)備的坐標，將各個設(shè)備按坐標組合在三維模型中即可得到變電站全站模型。

為了獲得現(xiàn)場人員的工作位置，變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)在現(xiàn)場分區(qū)域布置激光雷達感應(yīng)樁，這些感應(yīng)樁發(fā)射激光脈沖信號檢測確定檢修人員位置后，將位置數(shù)據(jù)通過交換機傳輸至變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)主站，用于識別檢修人員跨越電子安全圍欄的不安全行為，并聯(lián)動視頻監(jiān)控系統(tǒng)對該不安全行為進行抓拍。

AR移動作業(yè)平板通過無線網(wǎng)絡(luò)與變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)主站相連，檢修人員在現(xiàn)場工作時，可實時通過AR移動作業(yè)平板查看設(shè)備的三維模型以及設(shè)備型號、規(guī)格尺寸、內(nèi)部結(jié)構(gòu)、機械特性等信息。同時AR移動作業(yè)平板可從變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)主站的AR技術(shù)數(shù)據(jù)庫實時獲取檢修預(yù)演視頻。AR技術(shù)數(shù)據(jù)庫集成變電站內(nèi)常見檢修作業(yè)的3D演示視頻。檢修視頻根據(jù)作業(yè)指導(dǎo)書、檢修試驗規(guī)程及廠家相關(guān)標準制作而成，能夠動態(tài)展現(xiàn)設(shè)備的拆解、安裝、調(diào)試、試驗、驗收等各環(huán)節(jié)工藝流程及質(zhì)量控制要求。此外，檢修視頻可根據(jù)現(xiàn)場需求進行擴展、完善。檢修人員可隨時調(diào)取相關(guān)設(shè)備檢修視頻學(xué)習(xí)檢修作業(yè)工序、工藝要求以提高檢修作業(yè)水平，高質(zhì)量地完成檢修工作。

3 系統(tǒng)功能設(shè)計

3.1 檢修計劃智能管理

按南方電網(wǎng)《電力設(shè)備檢修試驗規(guī)程》規(guī)定需對變電設(shè)備開展周期性規(guī)范化檢修。變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)與生產(chǎn)管理系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，從生產(chǎn)管理系統(tǒng)中獲取設(shè)備運行年限、歷史檢修記錄、歷史缺陷記錄、設(shè)備運行狀態(tài)等數(shù)據(jù)進行綜合評價，自動生成年度、月度變電設(shè)備檢修計劃，對需要停電檢修的設(shè)備則自動生成年度、月度停電計劃。該系統(tǒng)每月自動統(tǒng)計年度、月度變電設(shè)備檢修計劃完成情況，滾動編制下月月度變電設(shè)備檢修計劃。

變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)還與生產(chǎn)管理系統(tǒng)中的缺陷模塊及在線監(jiān)測系統(tǒng)相關(guān)聯(lián)，當運行人員或在線監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)變電設(shè)備存在重大及以上缺陷時，系統(tǒng)可自動告警提醒檢修人員開展消缺工作以及提前開展需結(jié)合年度、月度變電設(shè)備檢修的工作。

通過系統(tǒng)上述智能綜合停電計劃管理，可有效防止變電設(shè)備檢修超期及避免設(shè)備重復(fù)停電，確保設(shè)備安全可靠運行，提高了系統(tǒng)運行可靠性。

3.2 檢修方案智能編制

變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)建有檢修方案庫，囊括了各類型規(guī)范化檢修典型方案以及設(shè)備消缺檢修典型方案。該檢修方案庫具備修編、擴容功能，方便檢修人員定期開展檢修方案的修編擴容工作。檢修方案主要包含檢修對象、檢修任務(wù)、臺賬信息、歷史缺陷記錄、歷史檢修記錄、工序工藝要求、備品備件等內(nèi)容，防止發(fā)生工作疏漏。該系統(tǒng)生成年度、月度變電設(shè)備檢修計劃后，針對每項檢修任務(wù)智能關(guān)聯(lián)推送對應(yīng)的檢修方案，經(jīng)管理人員確認后即可派工執(zhí)行。當變電設(shè)備發(fā)生缺陷，該系統(tǒng)在生成設(shè)備消缺檢修任務(wù)的同時可智能推送設(shè)備消缺檢修方案，指導(dǎo)檢修人員開展消缺工作。

3.3 檢修預(yù)演

針對變電站變電設(shè)備檢修作業(yè)，變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)可提供設(shè)備零部件級的檢修預(yù)演3D視頻。AR移動作業(yè)平板根據(jù)具體檢修任務(wù)可從該系統(tǒng)調(diào)取對應(yīng)的設(shè)備檢修流程預(yù)演視頻。檢修預(yù)演功能具體流程如圖2所示。

圖2 檢修預(yù)演流程

檢修預(yù)演視頻包含檢修對象、檢修任務(wù)、備品備件、零部件展示、拆解工序、安裝工序、調(diào)試工序、試驗工序、整組傳動工序等內(nèi)容，同時展示作業(yè)風(fēng)險點及控制措施、相關(guān)作業(yè)標準等內(nèi)容，實現(xiàn)了檢修前的技術(shù)培訓(xùn)及檢修過程的技術(shù)指導(dǎo)。

3.4 檢修過程智能管控

在檢修作業(yè)時，檢修人員通過AR移動作業(yè)平板根據(jù)檢修工單任務(wù)下載相應(yīng)的作業(yè)指導(dǎo)書，在現(xiàn)場工作中逐項執(zhí)行作業(yè)指導(dǎo)書相應(yīng)步驟，管控現(xiàn)場作業(yè)質(zhì)量、安全。作業(yè)指導(dǎo)書的執(zhí)行情況通過虛擬專用網(wǎng)絡(luò)(virtual private network，VPN)定時(如間隔5 min)傳輸至變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)主站，檢修管理人員可在該系統(tǒng)跟蹤查看當前現(xiàn)場作業(yè)指導(dǎo)書執(zhí)行情況。變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)可智能判斷發(fā)現(xiàn)作業(yè)指導(dǎo)書執(zhí)行步驟存在的漏項并向AR移動作業(yè)平板發(fā)送告警信息，提醒現(xiàn)場檢修人員。在檢修作業(yè)完成后，系統(tǒng)可自動將相應(yīng)的檢修工單、檢修方案、檢修作業(yè)指導(dǎo)書及工作票等材料進行歸檔，實現(xiàn)歷史追溯查詢。

檢修人員的位置信息是檢修過程管控的另一項內(nèi)容。根據(jù)《電力安全工作規(guī)程》規(guī)定，檢修人員需在指定的檢修工作地點工作且必須與帶電設(shè)備保持足夠的安全距離。變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)可實時獲取現(xiàn)場檢修人員的位置信息，為檢修人員提供安全監(jiān)管功能。

作業(yè)前變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)從生產(chǎn)管理系統(tǒng)獲取檢修工單對應(yīng)檢修工作票的工作地點。系統(tǒng)自動調(diào)取工作地點所在區(qū)域的三維模型，然后根據(jù)工作票要求在變電站三維模型中劃定電子安全圍欄。工作票許可人結(jié)合實際調(diào)整電子安全圍欄空間布局，與工作負責人確認電子安全圍欄圈定的作業(yè)區(qū)域符合要求后，將電子安全圍欄的作業(yè)區(qū)域空間位置信息與工作票信息進行關(guān)聯(lián)并保存到安全作業(yè)區(qū)域數(shù)據(jù)庫。該系統(tǒng)還可獲取工作票中的工作負責人及工作班成員信息，確認工作人員作業(yè)資格后運行人員方可簽發(fā)工作票許可作業(yè)。作業(yè)過程中，激光雷達裝置會定時發(fā)送激光脈沖信號采集計算檢修工作人員的位置信息。智能檢修系統(tǒng)根據(jù)采集的人員位置信息以及三維模型數(shù)據(jù)，識別出檢修人員跨越電子安全圍欄的不安全行為時立即聯(lián)動視頻監(jiān)控系統(tǒng)對該不安全行為進行抓拍，并推送告警信息和控制現(xiàn)場聲光告警裝置發(fā)出告警信號，提醒運行人員及現(xiàn)場檢修人員采取措施管控上述不安全行為，防止發(fā)生人身安全事故。檢修過程智能管控流程如圖3所示。

圖3 檢修過程智能管控流程

4 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

4.1 AR作業(yè)支持技術(shù)

AR技術(shù)是一種實時計算攝影機影像的位置、角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，利用該技術(shù)可以實時將真實的環(huán)境和虛擬的物體同時疊加到同一個畫面進行呈現(xiàn)[16]。

變電設(shè)備AR作業(yè)支持技術(shù)的實現(xiàn)建立在變電站三維建模的基礎(chǔ)上。作業(yè)過程中檢修人員手持AR移動作業(yè)平板聚焦檢測到檢修設(shè)備后，可將設(shè)備以及相關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)以AR技術(shù)進行展示，實現(xiàn)靜態(tài)數(shù)據(jù)和運行數(shù)據(jù)的疊加可視化。檢修人員可在現(xiàn)場通過AR移動作業(yè)平板實時查看變電設(shè)備的臺賬、運行數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)原理以及檢修工作危險點等信息。當檢修人員對變電設(shè)備結(jié)構(gòu)原理不熟悉時，可通過AR移動作業(yè)平板進行三維零部件級模型AR檢修預(yù)演，展示設(shè)備的拆解、安裝、調(diào)試、試驗、整組傳動等工序、工藝、流程及要求內(nèi)容，從而加深變電設(shè)備結(jié)構(gòu)原理的理解，確保變電設(shè)備檢修工作順利開展。

AR移動作業(yè)平板掃描識別出設(shè)備后，檢修人員可查詢檢修工單關(guān)聯(lián)的檢修計劃、檢修方案、作業(yè)指導(dǎo)書，確認檢修對象、檢修任務(wù)，并可進行AR檢修預(yù)演，熟悉掌握相關(guān)設(shè)備工作原理及工序、工藝標準，同時了解作業(yè)風(fēng)險點及控制措施。檢修人員還可通過AR移動作業(yè)平板快速查詢檢修對象臺賬信息、歷史缺陷記錄、歷史檢修記錄、歷史試驗記錄，為現(xiàn)場檢修工作提供綜合數(shù)據(jù)支持。

在現(xiàn)場作業(yè)過程中，檢修人員在AR移動作業(yè)平板的作業(yè)指導(dǎo)書上記錄當前檢修作業(yè)執(zhí)行情況并上傳到變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)主站，執(zhí)行結(jié)果主要以已完成、無需進行、未完成三種狀態(tài)記錄。變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)主站在識別出作業(yè)指導(dǎo)書執(zhí)行漏項時將立即向AR移動作業(yè)平板推送告警信息，提醒檢修人員管控檢修工作質(zhì)量。

4.2 激光雷達定位技術(shù)

激光雷達定位技術(shù)具有極高的角度、距離及速度分辨率，可實現(xiàn)多目標的跟蹤并獲取目標的清晰圖像；同時激光按直線傳播，方向性強，受電磁波等有源干擾源的影響小，故該技術(shù)適用于變電站內(nèi)的人員跟蹤定位，以實現(xiàn)變電站人員位置的實時管控功能。

變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)采用激光雷達定位技術(shù)獲取檢修人員的位置信息。布置在變電站內(nèi)不同位置的激光雷達感應(yīng)樁每秒鐘發(fā)射15次激光脈沖信號。激光脈沖信號射向被測目標物體后反射回激光雷達感應(yīng)樁，感應(yīng)樁通過測量光脈沖往返傳播所需時間來計算檢修人員與感應(yīng)樁的距離。通過多個激光雷達感應(yīng)樁的配合及聯(lián)合多目標跟蹤智能分析算法，可確定檢修人員的當前位置，定位誤差為30 cm以內(nèi)。系統(tǒng)根據(jù)獲取的人員位置信息判斷分析人員位置是否在相應(yīng)工作安全區(qū)域內(nèi)，識別出檢修人員跨越電子安全圍欄的不安全行為時立即啟動告警功能，從而保障現(xiàn)場作業(yè)安全。

5 應(yīng)用實例

500 kV文山變電站是南方電網(wǎng)首座500 kV戶內(nèi)GIS變電站，也是南方電網(wǎng)智能技術(shù)應(yīng)用示范點。以上研制的變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)已試點安裝應(yīng)用于500 kV文山變電站2號主變區(qū)域。在2號主變區(qū)域共配置2個落地式激光雷達感應(yīng)樁、2個高掛式激光雷達感應(yīng)樁，并完成全站設(shè)備設(shè)施三維建模、2號主變零部件級三維建模和2號主變零部件級檢修預(yù)演3D視頻制作。

該系統(tǒng)與站內(nèi)已有的智能運維三維數(shù)據(jù)平臺、生產(chǎn)管理系統(tǒng)、SCADA系統(tǒng)、在線監(jiān)測系統(tǒng)、機器人智能巡檢系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)等系統(tǒng)進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)了檢修計劃智能管理、檢修方案智能編制、檢修預(yù)演、檢修過程智能管控功能。

變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)在500 kV文山變電站應(yīng)用效果如下。

(1) 該系統(tǒng)打破了站內(nèi)各個系統(tǒng)間的信息壁壘，通過系統(tǒng)間數(shù)據(jù)交互和變電設(shè)備生產(chǎn)大數(shù)據(jù)綜合應(yīng)用，實現(xiàn)了變電設(shè)備周期性檢修和消缺檢修的智能綜合停電計劃管理，降低了生產(chǎn)計劃管理人員的工作量，提高了檢修計劃編制工作質(zhì)量和工作效率，使變電設(shè)備真正做到到期應(yīng)修必修。

(2) 該系統(tǒng)建立了檢修方案庫。典型規(guī)范化檢修方案以及設(shè)備消缺檢修方案經(jīng)專家審定后方可入庫，并按檢修任務(wù)內(nèi)容自動推送合適的檢修方案。該功能既傳承了專家經(jīng)驗，又規(guī)范了檢修管理，為檢修人員策劃環(huán)節(jié)提供了有力的技術(shù)支撐。

(3) 檢修人員在檢修前或檢修過程中可選用檢修預(yù)演功能，隨時選擇調(diào)閱該系統(tǒng)所提供的設(shè)備零部件級檢修預(yù)演3D視頻，指導(dǎo)檢修人員開展現(xiàn)場檢修工作，使檢修前的技術(shù)培訓(xùn)及檢修過程的技術(shù)指導(dǎo)做到直觀和可視化。

(4) 該系統(tǒng)通過與AR移動作業(yè)平板數(shù)據(jù)交互，可自動監(jiān)管提醒檢修人員逐項執(zhí)行作業(yè)指導(dǎo)書相應(yīng)步驟；通過激光雷達定位技術(shù)，可智能識別檢修人員跨越電子安全圍欄的不安全行為并告警；實現(xiàn)了檢修作業(yè)過程質(zhì)量和安全的有效管控。

6 結(jié)論

通過集成應(yīng)用AR作業(yè)支持技術(shù)、激光雷達定位技術(shù)，研制了變電設(shè)備智能檢修系統(tǒng)。該系統(tǒng)實現(xiàn)了變電設(shè)備檢修計劃智能管理功能，可自動跟蹤變電設(shè)備檢修周期并制定檢修計劃以避免設(shè)備超期未檢修。該系統(tǒng)還實現(xiàn)了檢修方案智能編制、檢修預(yù)演、檢修過程智能管控功能，為檢修人員提供了直觀有效的技術(shù)支持，提升了變電設(shè)備檢修質(zhì)量及效率，保障了檢修人員的人身安全。該系統(tǒng)對變電設(shè)備檢修智能技術(shù)發(fā)展起到推動作用。