王林，李云偉，任重，徐海龍，翟宇婧，盧偉

(國核電力規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100095)

0 引言

作為維護(hù)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的基礎(chǔ)工作，電力巡視可以有效地保障設(shè)備安全，減少設(shè)備故障率。目前的輸配電線路巡檢和變電所巡檢多為手工操作，現(xiàn)場需要人工輸入，工作量大，巡檢出錯(cuò)概率高[1]。對(duì)此，文獻(xiàn)[2]利用移動(dòng)終端識(shí)別二維碼實(shí)現(xiàn)設(shè)備的檢驗(yàn)管理，統(tǒng)計(jì)分析設(shè)備檢驗(yàn)率、漏檢率、人員到達(dá)率、設(shè)備異常情況等信息，并對(duì)檢驗(yàn)人員的工作進(jìn)行監(jiān)督檢查。文獻(xiàn)[3]開發(fā)一套C/S架構(gòu)的設(shè)備管理系統(tǒng)，檢查記錄更加規(guī)范，人工成本低。但是，上述方法在檢測過程中會(huì)產(chǎn)生中斷，將一段時(shí)間的數(shù)據(jù)傳輸?shù)絇C機(jī)，從而減少了電力設(shè)備不間斷檢測系統(tǒng)的覆蓋范圍。

數(shù)字孿生技術(shù)(digital twin technology)充分利用物理模型、傳感器更新等數(shù)據(jù)，結(jié)合仿真過程在虛擬空間中完成映射，以反映相應(yīng)物理設(shè)備的整個(gè)生命周期過程。結(jié)構(gòu)模型分為5個(gè)維度，包括實(shí)體對(duì)象、虛擬模型、連接、數(shù)據(jù)和服務(wù)系統(tǒng)。因此，將數(shù)字孿生技術(shù)應(yīng)用于電力設(shè)備連續(xù)巡視系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作中，可以使電力設(shè)備巡視范圍擴(kuò)大，并最大限度地保證巡視精度。

1 電力設(shè)備不間斷巡視硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 巡視工作站與移動(dòng)終端

巡視工作站是對(duì)巡視資料進(jìn)行管理的重要工作環(huán)境。安裝巡視工作站，可對(duì)巡視相關(guān)工作進(jìn)行管理、維護(hù)記錄、查詢、巡視任務(wù)、下載結(jié)果等。手持式巡視終端可采用PDA或EDA，攜帶方便，使用靈活，可用于移動(dòng)現(xiàn)場作業(yè)，尤其適合野外采集，巡視設(shè)備連接采集設(shè)備和工作站，進(jìn)行有線或無線通信。

1.2 ARM控制器

S3C2416是一款基于ARM9內(nèi)核的處理器，其速度可達(dá)667MHz；內(nèi)部自帶豐富的接口，包括液晶屏接口、USB接口、UART、SPI、IIC，攝像頭和以太網(wǎng)接口等。在S3C2416處理器工作時(shí)，為了保證處理器正常工作配置相應(yīng)電路。具體包括時(shí)鐘電路、存儲(chǔ)電路、FLASH存儲(chǔ)器的運(yùn)行器和基本運(yùn)行數(shù)據(jù)；SDRAM電路，增強(qiáng)了系統(tǒng)的操作能力；RS232接口電路，完成了系統(tǒng)運(yùn)行調(diào)試；JTAG調(diào)試接口電路，并在調(diào)試期間實(shí)現(xiàn)了程序燒寫等功能。

1.3 射頻識(shí)別單元

射頻識(shí)別裝置由1個(gè)讀寫器、1個(gè)電子標(biāo)簽(即所謂的應(yīng)答器)和1個(gè)天線3部分組成。安裝該射頻識(shí)別裝置是為了識(shí)別巡視目標(biāo)的身份。圖1為射頻識(shí)別裝置的工作原理。

圖1 RFID射頻識(shí)別單元工作原理圖

圖1中，就主動(dòng)式RFID而言，電子標(biāo)簽可主動(dòng)地將內(nèi)部信息發(fā)送給讀寫器，讀寫器按順序接收讀寫數(shù)據(jù)并自動(dòng)進(jìn)行處理。對(duì)被動(dòng)式RFID而言，電子標(biāo)簽發(fā)送信息所需的能量來自讀卡器的信號(hào)，讀卡器從標(biāo)簽上獲取能量后，將標(biāo)簽內(nèi)部的信息數(shù)據(jù)返回給讀卡器。

1.4 系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)

ARM控制器內(nèi)部電路，具有SD卡存儲(chǔ)、RS232接口、復(fù)位、RTC時(shí)鐘電源、穩(wěn)壓等功能。設(shè)計(jì)SD卡存儲(chǔ)器主要考慮兩個(gè)方面的功能：一是系統(tǒng)存儲(chǔ)器的擴(kuò)展，如需在智能巡視終端增加小型數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，則原有的FLASH存儲(chǔ)器不能滿足要求；第二，對(duì)系統(tǒng)可進(jìn)行升級(jí)。在系統(tǒng)軟件升級(jí)過程中，可先設(shè)置系統(tǒng)從SD卡啟動(dòng)，然后由SD卡對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。在系統(tǒng)開發(fā)方案中，這種升級(jí)操作避免了采用JTAG燒錄的升級(jí)方式，簡化了系統(tǒng)的使用[4-5]。該系統(tǒng)采用8 G的SD存儲(chǔ)卡設(shè)計(jì)，在系統(tǒng)功能要求較高的情況下，可增加SD卡的存儲(chǔ)容量。RS232接口電路采用了標(biāo)準(zhǔn)的MAX3232芯片，這種芯片比較常用，具有很高的性能。利用串口可打印調(diào)試程序的相關(guān)信息，監(jiān)控程序的執(zhí)行位置，方便系統(tǒng)開發(fā)。連續(xù)巡視系統(tǒng)終端需要提供死機(jī)復(fù)位按鈕。此外，通常會(huì)有不同的觸發(fā)方式，如長時(shí)間按復(fù)位鍵，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)程序的升級(jí)。盡管這個(gè)功能并不常用，但它對(duì)于系統(tǒng)的功能完整性是非常重要的。采用Max811T芯片設(shè)計(jì)復(fù)位系統(tǒng)電路，抗干擾能力強(qiáng)，能有效地排除誤觸發(fā)動(dòng)作，避免因干擾而造成誤復(fù)位。圖2顯示了RTC時(shí)鐘電源電路和復(fù)位電路。

圖2 RTC時(shí)鐘電源和復(fù)位電路圖

此外，ARM控制器部分和不同RFID射頻部分的芯片需要采用不同的電壓等級(jí)。比如ARM控制的核心電壓是1.8 V，接口電壓是3.3 V，USB接口電壓是5 V等。而且需要較高的電壓精度，采用RT9701芯片實(shí)現(xiàn)不同等級(jí)電壓供給；RT9701是一種LDO型的電源芯片，它具有電源精度高、電源波紋小的特點(diǎn)，能夠很好地滿足各種用電芯片的使用要求。圖3中顯示了其基本的電路。

圖3 RT9701系列芯片應(yīng)用電路圖

2 電力設(shè)備不間斷巡視系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì)

電力設(shè)備不間斷巡視系統(tǒng)軟件用于傳輸檢測，主要承載相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化操作規(guī)程，指導(dǎo)操作人員進(jìn)行現(xiàn)場操作、填寫設(shè)備故障記錄、上傳現(xiàn)場數(shù)據(jù)、查詢歷史數(shù)據(jù)等，并顯示在網(wǎng)頁上，其主要功能如表1所示。

表1 電力設(shè)備不間斷巡視系統(tǒng)軟件功能

表1中各個(gè)功能字段代表不同的功能，值得注意的是，需要定期刻錄數(shù)據(jù)光盤，將其備份。

2.1 構(gòu)建數(shù)字孿生全息電力設(shè)備工作模型

數(shù)字孿生技術(shù)為變電站的模擬巡視提供了設(shè)計(jì)依據(jù)和理論依據(jù)，但變電站安全隱患仍時(shí)有發(fā)生。采用數(shù)字孿生技術(shù)建立虛擬變電站三維模型，接入變電站主控、輔控、安防等設(shè)備檢測點(diǎn)，實(shí)時(shí)采集各種狀態(tài)信息，無需運(yùn)檢人員前往變電站現(xiàn)場，即可掌握變電站運(yùn)行狀態(tài)，為變電站實(shí)現(xiàn)“連續(xù)設(shè)備巡視”提供可靠支持，并對(duì)設(shè)備異常及時(shí)報(bào)警，延長設(shè)備使用壽命。結(jié)合目前電力設(shè)備的運(yùn)行情況，給出了數(shù)字孿生線的運(yùn)行原理，如圖4所示。

圖4 數(shù)字孿生運(yùn)行原理圖

圖4中電力設(shè)備運(yùn)行時(shí)，服務(wù)系統(tǒng)根據(jù)生產(chǎn)計(jì)劃控制實(shí)體生產(chǎn)線進(jìn)行實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)；同時(shí)，孿生生產(chǎn)線實(shí)時(shí)映射生產(chǎn)作業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)；分析計(jì)算的結(jié)果可以反饋給以后的服務(wù)系統(tǒng)，用于生產(chǎn)過程的報(bào)警、控制優(yōu)化和預(yù)測分析。根據(jù)數(shù)字雙全息電源設(shè)備的工作模式，將電源設(shè)備的數(shù)字空間與物理空間的映射分為設(shè)備、環(huán)境和系統(tǒng)3個(gè)部分。電氣設(shè)備實(shí)時(shí)測繪生產(chǎn)線機(jī)器人、AGV、加工設(shè)備等設(shè)備的動(dòng)作、空間位置、工作狀態(tài)，完成各工位的加工過程。

2.2 不間斷巡視路線規(guī)劃與控制

以建立的數(shù)字孿生全息電力設(shè)備工作模型為基礎(chǔ)，采用單源最短路徑算法不間斷規(guī)劃和控制巡視線路。對(duì)最優(yōu)子結(jié)構(gòu)的性質(zhì)進(jìn)行描述：

P(m,n)={Vm…Vi…Vj…Vn}

(1)

式(1)表示m到頂點(diǎn)n的最短路徑，i和j表示該路徑上的中點(diǎn)，那么P(i,j)一定是i到j(luò)的最短路徑。按照最優(yōu)子結(jié)構(gòu)思想，設(shè)G為有權(quán)重的有向圖，具體可表示為

G=(V,E)

(2)

式(2)所表示的有向圖權(quán)值都>0。對(duì)未確定最短路徑頂點(diǎn)的集合，按最短路徑長度的遞增順序，添加到當(dāng)前路線中，經(jīng)過更新迭代得出巡視路徑的最終規(guī)劃結(jié)果。

巡視路線控制程序要求按直線行駛。用P1、P2兩點(diǎn)間連線作為機(jī)器人直線參考軌跡，即期望路徑。移動(dòng)控制算法是指根據(jù)機(jī)器人當(dāng)前的位置和航向信息，對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在預(yù)定路線上的直線運(yùn)動(dòng)軌跡跟蹤控制機(jī)器人的當(dāng)前位置與期望運(yùn)動(dòng)軌跡偏離距離S和機(jī)器人行駛方向與期望運(yùn)動(dòng)軌跡方向的航向偏差θ可通過下式得出：

(3)

定義被控對(duì)象為機(jī)器人左右兩輪的輪速差ΔV。因?yàn)檠惨暀C(jī)器人采用差速驅(qū)動(dòng)，所以在理想情況下可以忽略車輪的側(cè)滑和車輪與轉(zhuǎn)軸的摩擦，通過速度差來確定左右輪的輪速。假定速度差ΔV、ΔS和Δθ均為線性關(guān)系，且線性系數(shù)分別為KΔS、KΔθ。控制器的控制量的輸出ΔV為

ΔV=KΔS·ΔS+KΔθ·Δθ

(4)

結(jié)合控制器增益自調(diào)節(jié)特性，對(duì)巡視設(shè)備左右兩輪速度差ΔV進(jìn)行控制，控制模型為

ΔV=k0r+k1ΔS+k2Δθ

(5)

式中：ki為非負(fù)的自適應(yīng)參數(shù)；ΔS和Δθ分別為巡視機(jī)器人與期望路徑之間的偏離距離和角度。

2.3 電力設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)不間斷采集與傳輸

巡視設(shè)備到達(dá)待檢設(shè)備后，利用移動(dòng)終端上的設(shè)備對(duì)電力設(shè)備標(biāo)簽進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，獲取電子標(biāo)簽所包含的設(shè)備/編號(hào)信息。不間斷采集的運(yùn)行數(shù)據(jù)包括電力設(shè)備編號(hào)和參數(shù)。對(duì)連續(xù)采集的電力設(shè)備運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)行分組整理，利用 GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)在硬件系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。移動(dòng)終端上無中斷的電力設(shè)備巡視數(shù)據(jù)產(chǎn)生的 PDU包數(shù)據(jù)經(jīng) SNDC層與 LLC層處理后通過空中接口和在 GSM網(wǎng)絡(luò)中的 SGSN傳輸?shù)?GGSN。GGSN先解裝接收到的消息，然后轉(zhuǎn)換成可用的格式，例如 PSPDN，以便公共數(shù)據(jù)網(wǎng)傳送。數(shù)據(jù)采集與傳輸流程如下：

首先，引用隧道技術(shù)，封裝其他協(xié)議的運(yùn)行數(shù)據(jù)報(bào)文于自己的傳輸協(xié)議的運(yùn)行數(shù)據(jù)報(bào)文內(nèi)，并在其網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行傳輸。也就是在一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議內(nèi)對(duì)另一種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行傳輸，一邊實(shí)施封裝，一邊實(shí)施解封裝。在整個(gè)傳輸過程中，隧道表示被封裝的數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)上傳輸時(shí)經(jīng)過的邏輯路徑。其次，隧道技術(shù)是虛擬的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接路徑，其兩端需分別封裝及解封裝數(shù)據(jù)，運(yùn)行數(shù)據(jù)報(bào)文。最后，將生產(chǎn)的運(yùn)行數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行封裝、傳輸及解封裝的全過程是隧道技術(shù)的主要內(nèi)容，其結(jié)構(gòu)模型如圖5所示。

圖5 隧道技術(shù)結(jié)構(gòu)模型

設(shè)備A和設(shè)備B必須支持IPv4/IPv6雙協(xié)議棧。IPv6 over IPv4技術(shù)可以在原IPv4報(bào)頭前封裝上相應(yīng)的IPv6報(bào)頭，實(shí)現(xiàn)在IPv4網(wǎng)絡(luò)中對(duì)IPv6運(yùn)行數(shù)據(jù)報(bào)文進(jìn)行傳輸，完成相互隔離的IPv6網(wǎng)絡(luò)通信。

2.4 實(shí)現(xiàn)電力設(shè)備不間斷巡視功能

按照所發(fā)出的巡視任務(wù)，選擇相應(yīng)的巡視路線，在填寫巡視信息時(shí)，系統(tǒng)將判斷所選巡視的設(shè)備是否已經(jīng)巡視。如果已經(jīng)巡視，則重新選擇；如果沒有巡視的保存路線，則由系統(tǒng)管理員將新的巡視路線分配給巡視員；如果需要修改巡視路線，則需要先取消分配，然后修改巡視路線信息，再分配巡視員。若系統(tǒng)管理指派的巡視員有其他安排，則系統(tǒng)管理需先查詢巡視員指派，然后取消指派，再將巡視員指派給其他巡視員。若要?jiǎng)h除該線路，則需要先取消分配人員，然后再向該線路分配巡視員。巡視人員通過自己的用戶登錄系統(tǒng)后，查詢到已分配給自己的巡視路線，按巡視路線逐條巡視電力設(shè)備，找出需要檢查的設(shè)備，根據(jù)地理信息圖上的線路和設(shè)備說明，查看設(shè)備情況，登記缺陷信息，然后將缺陷信息以文字和圖片的形式發(fā)送到服務(wù)器端，進(jìn)行下一臺(tái)設(shè)備的檢測。圖6為執(zhí)行巡視任務(wù)的整個(gè)設(shè)計(jì)流程。

圖6 巡視任務(wù)執(zhí)行流程圖

將實(shí)時(shí)、不間斷生產(chǎn)電力設(shè)備的檢測結(jié)果輸入系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫，用檢測時(shí)域表示。在無線通信網(wǎng)絡(luò)的支持下，檢測信息自動(dòng)讀取和更新，通過監(jiān)聽器發(fā)送到系統(tǒng)移動(dòng)端，提示用戶更新巡視任務(wù)，巡視標(biāo)識(shí)等信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化巡視更新。對(duì)電力設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程更新的巡視更新內(nèi)容包括電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)、位置等，并且在遠(yuǎn)程不間斷更新過程中，控制更新時(shí)間不少于0.5 s。

3 系統(tǒng)測試

以數(shù)字孿生技術(shù)為基礎(chǔ)的電力設(shè)備連續(xù)巡視系統(tǒng)的測試任務(wù)，主要是驗(yàn)證系統(tǒng)中的所有功能需求是否完全實(shí)現(xiàn)，并驗(yàn)證電力設(shè)備智能巡視系統(tǒng)是否滿足需求分析所描述的內(nèi)容以及各功能模塊的輸入、輸出是否正確。從需求分析階段就開始系統(tǒng)的測試準(zhǔn)備工作，系統(tǒng)中的設(shè)備管理模塊、巡視路線管理模塊、報(bào)修管理模塊、統(tǒng)計(jì)分析模塊、系統(tǒng)管理模塊等模塊都已編制好測試計(jì)劃，針對(duì)各個(gè)模塊的功能編寫了測試用例，完成了兩步工作之后就可以對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行測試。方案和用例是測試的基礎(chǔ)和方法。試驗(yàn)過程中不僅要有測試人員參與，還要有系統(tǒng)開發(fā)人員、用戶共同參與，共同完成試驗(yàn)工作，確保系統(tǒng)正常、有效地運(yùn)行。

采用數(shù)字孿生技術(shù)，在win7操作系統(tǒng)上開發(fā)了一套電力設(shè)備連續(xù)監(jiān)測系統(tǒng)。利用 EclipseJeeOxygen、Oracle數(shù)據(jù)庫、PL/SQL、Tomcat開發(fā)工具。 Spring、Struct2、Mybaits框架、Oracle數(shù)據(jù)庫以及 BaiduMap的 API實(shí)現(xiàn)與 Java結(jié)合使用 JavaWeb。表2為系統(tǒng)測試環(huán)境中 PC端和服務(wù)器的具體配置。

表2 系統(tǒng)測試環(huán)境配置表

將所設(shè)計(jì)的基于數(shù)字孿生技術(shù)的電力設(shè)備不間斷巡視系統(tǒng)導(dǎo)入到系統(tǒng)測試環(huán)境中，得出系統(tǒng)的運(yùn)行界面，如圖7所示。

圖7 電力設(shè)備不間斷巡視系統(tǒng)運(yùn)行界面

選擇某電力生產(chǎn)企業(yè)作為系統(tǒng)測試的數(shù)據(jù)來源，并結(jié)合電力設(shè)備的運(yùn)行情況，提交巡視任務(wù)。

實(shí)驗(yàn)分別從功能和性能兩個(gè)方面進(jìn)行量化測試，其中系統(tǒng)功能測試就是設(shè)計(jì)系統(tǒng)在電力設(shè)備運(yùn)行環(huán)境中的巡視情況，在待檢測環(huán)境下設(shè)置電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，并將輸出的巡視結(jié)果與設(shè)置狀態(tài)進(jìn)行比對(duì)，從而得出巡視功能的測試結(jié)果。而系統(tǒng)性能測試主要從響應(yīng)時(shí)間、每秒最大并發(fā)數(shù)兩個(gè)方面進(jìn)行。其中響應(yīng)時(shí)間可以直接反映出系統(tǒng)的不間斷巡視能力，響應(yīng)時(shí)間越長，說明不間斷性能越弱。另外，為了充分體現(xiàn)出設(shè)計(jì)系統(tǒng)的運(yùn)行優(yōu)勢，還設(shè)置了文獻(xiàn)[2]電力設(shè)備巡視系統(tǒng)和文獻(xiàn)[3]中提出的基于移動(dòng)終端的電力設(shè)備巡視系統(tǒng)作為實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)對(duì)比系統(tǒng)。經(jīng)過系統(tǒng)的運(yùn)行以及相關(guān)數(shù)據(jù)的分析，得出系統(tǒng)巡視功能的測試對(duì)比結(jié)果，如表3所示。

從表3中的輸出結(jié)果可以直觀地看出，本文設(shè)計(jì)的電力設(shè)備巡視系統(tǒng)輸出的結(jié)果更加接近設(shè)置的電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，即設(shè)計(jì)系統(tǒng)的巡視功能更優(yōu)。同理可以得出巡視系統(tǒng)運(yùn)行性能的量化測試結(jié)果，如表4所示。

表3 系統(tǒng)巡視功能測試結(jié)果

通過對(duì)表4中數(shù)據(jù)的計(jì)算，3種巡視系統(tǒng)的平均響應(yīng)時(shí)間分別為0.68s、0.47s和0.19s，從每秒最大并發(fā)數(shù)方面來看，3個(gè)系統(tǒng)的平均并發(fā)數(shù)分別為157.1、174.4和217.7，即所設(shè)計(jì)的基于數(shù)字孿生技術(shù)的電力設(shè)備不間斷巡視系統(tǒng)在運(yùn)行性能上具有更明顯的優(yōu)勢。

表4 系統(tǒng)運(yùn)行性能測試結(jié)果

4 結(jié)語

將信息處理技術(shù)手段和電力設(shè)施的巡視工作結(jié)合在一起，引入數(shù)字孿生技術(shù)，完成對(duì)電力設(shè)備不間斷巡視系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)，其平均響應(yīng)時(shí)間為0.19s，平均并發(fā)數(shù)為217.7，系統(tǒng)輸出的結(jié)果更加接近設(shè)置的電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，有較高的巡視功能和應(yīng)用價(jià)值，可以有效地減輕人員巡視的工作量，提高電力設(shè)備巡視工作的信息化管理水平。