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推荐单位：国网重庆市电力公司检修分公司，重庆览辉信息技术有限公司 本文作者：雷雨、陈静、杨勇、李可、杜勇 摘要：随着“互联网+”向能源电力领域的逐步渗透，“大云物移”等信息通信新技术正广泛应用于电网输送变电配电、运维检修、生产安全等各个环节，电网信息物理融合趋势明显。本文针对变电站内主体设备及站内环境的人工巡检辅助仪表监控的方式，提出利用5G网络建立高速、广泛设备接入方式，引入新型智能识别技术监控站内环境并发散引用至周边线路监控，建立有效的智能巡检平台。本文阐述了关键技术和实施方案，并结合现场实际分析相关前景。 引言
智能变电站的建设推进，将无人化、智能化程度逐步加深，电子式互感器、合并单元、智能终端和网络等关键技术研究成果也进一步凸显，其监控系统也日渐成熟，却不可避免地面临着监控通讯网络负荷重、测控装置数量众多、人工运维作业量大、终端现场缺乏智能监测手段，对日常巡检作业带来风险的同时，也降低了经济性和可靠性，与IEC61850标准规约要求相距较远。 显然，在延续智能变电站建设方针不变的指导思想下，研究变电站适用的5G网络接入承载方式，同时结合终端智能识别技术，有利于建立高效、自动化的巡检系统平台，提升监控系统的效率和可靠性。目前国内外针对5G网络建设和智能识别进行了不少研究，也取得了较多成果，但没有进行对监控巡检垂直化领域的具体应用研究，也缺乏对变电站适宜的新型巡检监控方式的结合性探索。 为适应变电站“智能程度”的发展要求，实现遵循IEC61850标准规约的监控巡检方式，本文对变电站内监控系统的传统应用方式进行深入思考，对5G网络在变电站内的应用实现可能性和具体架构进行多项尝试，并总结成为具体试验项目的应用经验，为5G智能巡检平台应用进一步成熟和应用提供了方向和参考。 1智能变电站的监控巡检需求 较常规变电站来讲，智能变电站在数字化和信息共享等方面有了很大提升，作为采集基础数据、掌控运行状态的唯一来源，其监控的有效、稳定是智能变电站稳定、高效运行的基本保证，本文主要研究视频图像监控方式是对设备状态、变电站环境的重要监控实现方式，也是对巡检工作的有力支撑。对此除应保障系统可靠安全及经济性外，还需要对其接入承载传输业务的网络能力、智能识别实现方式提出更高的要求。 1.1 安全可靠及经济性 智能变电站的监控系统最根本的要求仍然是安全可靠。智能变电站由于增加了合并单元、智能终端等过程层设备，监控系统实际上由过程层、间隔层及通信网络共同完成，实现环节的增多，不仅延长响应时间，也在一定程度上降低了监控系统的可靠性。同时实现环节的增多，节点设备和监控辅助设备也随之增设，带来的是功能重复利用不利于节约建设成本。 1.2 网络承载 变电站内的新型监控方式对网络承载信道宽度也提出了一定要求，以全景监控方式为例，其传输的高清视频图像画面信息量巨大，尤其是针对监控视频图像进行采样处理并实时识别反馈处理结果，传输时延要求不超过100ms级，在变电站内的广泛待接入终端，其传统的视频接入线路在带宽上无法有效满足需求，也不符合分布式接入的客观要求。 1.3 功能完善的智能识别 变电站，尤其是20kV及以下变电站在输配电网络结构中占有较大比重，其地理位置及周边环境无法达到长期人员值守条件。根据现有监控手段和人员巡检计划，在事故预防、故障起源辅助定位均存在一定滞后性，以重庆市部分20kV变电站为例，当发生故障导致跳闸时，运维人员赶赴现场时间需耗时30分钟以上，再加上故障源定位和分析、排查，导致负荷损失增大，停电时间延长，带来较大的经济损失和不良社会影响。此时，功能齐备的智能识别技术可以即时发挥作用，在事故未扩散的初期或者萌芽期甚至是征兆显现时，进行及时监测和预警，例如通过红外视角温度变化判断设备运行状态，通过监控机械仪表盘读数甚至其变化波动范围来预测油温和主变设备临界状态等等。智能识别技术的应用，其应该达到及时有效判断预警，同时也在一定程度上减少人为干预和代替人工巡检。 2系统架构2.1 建设架构 针对上述的需求现状，开展节点环节设备感知能力，推进电网设备与物联网深度融合，在数据共享的基础上实现智能化的设备状态监控和电网智能化的巡检作业方式，达到一体化、平台化的要求目标。本文阐述的5G智能巡检平台建设，主要是通过对网络部分进行接入建设，同时搭配打通现场终端与5G网关的统一协调接入，主体包括应用于变电站环境的5G基站，新型变电站监控设备（包括360度全景监控和输电线路监控），网关计入设备以及云端的服务器等。 图1 系统整体架构 系统结构中，对网络部分建设的内容同运营商进行协调优化配合，在引入社会资源后配合其建设计划进行调整，使其基础网络覆盖满足变电站5G网络分布要求，减少了建设投入和后期维护投入。 2.2 网络建设 对于变电站及周边线路复杂环境的状态监控、信息数据的传输质量、电力检修效率等，建设5G系统的端到端网络作为基本传输信道支撑，在变电站内建设固定的5G基站等。5G网络系统可以根据不同的地理环境采用不同的组网结构，包括5G+光纤、5G+微波和5G+卫星系统。总体网络拓扑图如下： 图2 5G网络架构内容 跟进一步的，根据具体环境限制，支持通过车载基站实现5G网络覆盖。 建设的5G核心网分省部署网络架构由全国骨干网、省网和地市网组成。骨干层网元主要包括骨干NRF和全国NEF。省内的核心网设备主要包括AMF、UDM、AUSF、PCF、SMF、UPF、省NEF、省NRF与省NSSF等，UPF视需求可下沉到试点区域。 接入层设置两种交换机：电口交换机TOR和光口交换机TOR。电口交换机TOR每个机架1台，对接OAM平面，用于进行PXE安装，并接入机房内全部NFVI设备的底层硬件管理信息；一般情况下，光口交换机TOR每个机架2台，做堆叠，对接业务网络平面、存储网络平面和VIM管理平面，各平面相互隔离。核心层设置一对高性能，端口可扩展的三层核心交换机，接入层各类交换机全部直连核心层两台交换机，机房内不同接入交换机的数据流通过核心交换机进行汇聚转发，核心交换机上联云综合接入网关设备（IP RAN B设备），接入CN2和163网络。 采用IP RAN方案，在长距离传输场景下拟采用WDM/OTN网络为IPRAN设备提供底层传送通道。对于5G回传，初期业务量不太大，可以采用比较成熟的IPRAN，后续根据业务发展情况，在业务量大而集中的区域可以采用OTN方案，PON技术在部分场景可作为补充。初期基于已商用设备满足5G部署需求，逐步引入SR、EVPN、FlexE/FlexO接口、M-OTN等新功能，回传接入层按需引入更高速率（如25G/50G）接口；中远期适应5G规模部署需求，建成高速率、超低时延、支持网络切片、基于SDN智能管控的回传网络。 2.3 智能识别技术 本次项目研究使用的智能识别，其实现方式基于多源信息融合和深度学习的监测与判别方案，技术路径包括了多源信息采集与预处理模块可见光、红外对设备、环境以及输电线路进行监测，进而得到变电站设备、环境以及输电线路的目标图像、温度、角度、距离等信息；然后通过时空配准后分别提取出对应的感兴趣区域信息并输出至深度学习模块；深度学习模块基于离线学习优化得到的深度学习网络对多种特征进行在线模式识别得到对应的检测和识别结论并输出至故障推理诊断模块。故障推理诊断模块主要包括：故障知识库、推理规则库以及推理机；根据其中预存的故障知识库以及推理规则来判断当前状态下的最终决策。 图3 智能识别处理模块化流程 智能识别技术作为项目研究的关键内容，对传输结果进行智能识别处理，对线路、设备状态进行运维监测判别，识别处理流程如图3所示。对于变电站和输电线路的智能巡检监控，其设计的业务要求内容包括： （1）变电站方面 1)日常巡视：按照事先设定的巡视顺序，运行人员在主站查看各摄像头自动旋转巡检的信息，具备自动和手动巡视功能，夜间巡视自动开启照明灯。 2)专业巡视：OCR查询依次查看设备的压力值、油位、高压室湿度、主变温度。 3)特殊巡视：依据天气、设备运行情况可自由选择或自由设定部分设备的巡视。 4)熄灯巡视：利用视频和红外测温系统开展巡查，查看设备是否存在放电、发热现象。 （2）线路方面 对输电线路导地线、上部塔材、金具、绝缘子、附属设施、线路走廊等进行常规性检查，大致可分为以下几个方面：① 对线路本体设备导地线、杆塔、金具、绝缘子、基础进行日常巡视，通过可见光检测发现例如杆塔倾斜、塔材弯曲、异物、塌方、护坡受损、回填土沉降等一系列缺陷；② 附属设施缺陷查找，包括防鸟、防雷装置、标识牌、各种监测装置等损坏、变形、松脱等；③ 线路通道缺陷监控，包括超高树竹、违章建筑、施工作业、沿线交跨、地质灾害等；④ 利用监控设备中红外模块对线路进行红外测温监控检查。 2.4 平台对接 边缘计算平台（边缘DC）与云端平台（区域或中心DC）需形成密切的协同关系，中心、区域、边缘乃至多种接入方式多层布局，共同构建简洁、敏捷、开放、集约的弹性网络。 采用“云、管、端”的端到端部署方式，部署边缘计算平台，提供面对面服务的体验；云端建设一套电力云平台提供基础型、通用型应用的共享服务支撑；协同一体落实5G业务部署。 在网络侧设计采用软件定义基础架构，让AI的算法发挥作用，根据外部环境自动调整网络的架构。5G智能化，体现在终端方面、不同的网络设备方面，通过一些数据进行训练，主要包括对视频画面分流提取、图像帧处理、AI判别处理器比对分析、预警信息回传，最终产生出供决策的建议。 3项目应用实践 根据此次项目研究课题，建设基于5G网络传输模式下智能巡检平台，于500kV玉屏变电站进行试点建设试用。试点建设规模：1覆盖变电站及周边线路的5G基站一座；站内全景监控及辅助使用高速球机一套；输电线路监控机一台；5G网关传输设备含配合使用的交换机等。 新建设的平台系统，减少了前端接入设备接入链路，通过5G网关设备CPE转换5G信号匹配设备无线通讯接口，并与5G基站侧进行传输通讯，形成无线网络接入环境，提供最高不超过4ms，最低仅为1ms， eMBB模式下行1Gbps，上行500Mbps的通讯传输条件，保障监测活动。同时，通过云平台智能巡检平台，用以支撑电力检修情况的实时信息计算、存储和预警。基于云端应用的本地缓存、转发以及本地业务需求，部署1套边缘计算平台（MEC）。边缘计算平台包括构成MEC基础平台的服务器、存储和组网设备。 新建现场监控终端可选用不同厂家产品，具备标准接入接口统一与5G网关设备进行互动传输，且5G网关设备无需上屏，具备分布式设计布放特点，有利于变电站内的的监控摄像头适宜性部署，并具备良好扩展性。巡检平台系统对变电站原有监控系统未进行改动，且通过信息交换机保留接入内网视频监控平台路径。基于5G网络传输的视频图像，从帧率、响应时延以及接入便捷性上，体现出了明显优越性，在试运行期间，智能巡检平台系统有效减少了人工巡检频次和变电站、线路的故障前期预防的人工干预，做到精准判别、快速定位突发事件位置，有效提升值守人员处理效率。 4总结本文主要研究了基于5G网络的新型巡检平台系统搭建，在新建5G网络覆盖的基础上，不改变原有监控系统结构，加入全景摄像、线路摄像两类监控设备，利于5G网关CPE设备进行标准化信号转换接入，实现变电站全景模式、输电线路带云台自动模式下的智能化巡检监控，针对性解决高清视频图像内容承载传输和智能化识别设备、环境状况的问题，配合运营商5G网络建设，投入成本仅包括新建全景监控及线路监控终端，云端服务器减少运维投入，其设备管理与现有视频监控可兼容，系统整体运行稳定与安全性与所选用终端产品相关联，依据电力系统内部供应商评价具有较好的选择空间，试点系统稳点运行对后续深化进行多模态视频图像信源信息采集应用、平台数据跨专业应用以及决策支撑积累丰富经验。
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