电气设备交接试验智能管控技术研究与应用

郑文杰李程启

(国网山东省电力公司电力科学研究院,山东 济南 250003)

0 引言

电气设备在运行中发生事故,会影响电网安全稳定运行,从而影响社会生活秩序和生产活动。在设备投运前开展全面的交接试验,可以及时发现设备潜在缺陷,确保设备健康投运,对电力系统安全稳定运行具有重要意义。为此,多家业内权威机构共同制定了电气装置安装工程电气设备交接试验标准,对电力变压器、电抗器、真空断路器等主要电气设备的交接试验项目、判定标准做了明确规定[1-2]。

现行标准未明确试验步骤,缺乏试验过程管控手段[3]。国内鲜有系统的交接试验管控技术研究。刘路昕等对特高压直流输电工程300 MVar大型调相机组现场验收及交接试验过程中的质量管控技术进行了探讨,提出了部分试验项目的注意事项,但未明确整体试验步骤[4];兰柏等针对GIS交接试验流程进行优化,但缺乏试验人员、试验仪器管控措施[5];曹江平等从节约与节能角度研究了现场交接试验方法、程序以及注意事项,但未实现对试验整体过程管控[6]。

针对上述问题,提出一种电气设备交接试验智能管控技术,通过建立试验人员库、试验仪器库,利用人脸识别、RFID 技术实现现场试验人员、仪器的管控;通过研发试验数据上传通用格式规范、试验仪器数据图像识别技术,实现交接试验数据的自动采集上传。

1 智能管控技术方案

为了加强电气设备交接试验的过程管控,实现试验人员、试验仪器、试验项目、试验模板、判定规则、试验工程全面管控,试验数据自动采集、试验结论智能判定,本文提出了交接试验管控系统设计方案。

1.1 系统功能设计

基于电气设备交接试验智能管控系统及移动终端APP的系统整体功能逻辑如图1所示。

图1 智能管控系统及移动终端APP系统整体功能

(1)人员、仪器管理方面:建立全省试验人员、试验仪器台账,现场试验时利用交接试验APP人脸识别、扫码认证功能,实现人员资质、仪器校验信息的验证。

(2)试验项目、试验模板管理方面:依据交接试验核心标准,整理归纳主变压器、电压互感器组合电器等17类电气设备试验项目;参考《电气装置安装工程电气设备交接试验报告统一格式》[7],结合试验现场实际,制定各项交接试验报告模板,实现试验报告统一规范。

(3)试验工程管理:试验人员根据试验计划创建试验工程,并完成数据录入、试验报告审核、试验报告生成。

(4)试验数据自动采集:提出无线通信、图像识别2种方式,实现各种试验仪器数据的自动采集、自动上传至交接试验主站系统进行存档、解析[8-9]。

(5)试验结论智能判定:制定17类电气设备试验项目判定标准,试验数据回传到系统后自动调用判定规则进行试验数据分析,系统将智能诊断结果反馈至移动终端,协助现场试验人员进行问题查找。

试验人员、试验仪器、试验工程、试验项目台账要求如表1所示。

表1 人员、仪器、项目、工程台账要求

1.2 系统管控指标设计

为了有力推进电气设备交接试验智能管控系统全面推广应用,切实提高交接试验质量与效率,需要设计切实可行的系统应用评价指标体系。如表2所示,试验人员管理方面,主要考虑试验人员试验资质、试验证书有效期;试验仪器方面,主要考虑试验仪器校准信息,试验仪器是否定期检验;试验工程方面,主要考虑试验项目完整性、试验工程执行及时率。

表2 系统管控指标设计

2 试验数据自动采集技术

为减少交接试验数据采集中人为干预、提高试验数据记录效率,实现交接试验仪器数据自动采集、自动上传是最有效的方法。已有基于移动终端有线接口的数据采集方案,无法实现无线方式数据采集[10-11]。

因此,本文针对型号较新的试验仪器,制定了试验数据自动采集上传通用格式规范,对试验仪器软硬件进行升级,实现试验数据自动采集;对于不具备升级条件的仪器,采用自学习、自更新的试验仪器数据智能识别算法,实现试验仪器“一键拍照、智能识别、自动回传”。

2.1 试验数据自动采集上传通用格式规范

首先编制了试验数据自动采集上传通用格式规范,规定了直流电阻测试仪、变压器变比测试仪、有载分接开关测试仪等十余类试验仪器上传数据规范,并支持灵活扩展新型仪器。

试验仪器通信数据帧结构如表3所示,其中:帧头固定为BEG 的ASCII码(0x42 0x45 0x47);帧长度表示帧的字节数,从帧头开始计算到校验码结束;命令字即控制命令,表示当前帧的性质;数据区长度即当前帧中数据区的字节数;数据区存放当前帧所传输的试验数据,数据采集终端下发均为控制指令,数据区为空,试验仪器上传为历史数据或当前数据;校验码:采用CRC16校验码,校验范围为从帧头开始到数据区的所有数据。

表3 试验仪器通信数据帧结构

以获取当前测试数据为例,数据采集终端发送格式、试验仪器相应格式见表4。

表4 数据采集、试验仪器响应0x03命令字发送格式

各类试验仪器根据试验数据特点规定其上传数据格式,以直流电阻测试仪为例,需要记录测试时间、测试时使用的电流、每个分接开关位置对应的各相电阻值,数据格式如图2所示。

图2 直流电阻测试仪上传数据格式

2.2 基于候选域的试验仪器数据智能识别

针对老旧试验仪器不具备升级改造条件的问题,已有研究针对特定格式图像的文本识别研究取得了不错效果,但未能对不同类型格式图片进行有效识别[12-14]。

本文提出基于候选域的智能图像识别算法。该算法可由现场试验人员在初次使用时自主标注,后续使用中只需将标注框与目标数据对焦,然后采用OCR 算法进行局部识别。具体算法流程如图3所示。

图3 基于候选域的智能图像识别算法流程

(1)首先判定该类仪器是否已经适配;对于已适配仪器,将目标数据与候选框对焦重合,获取数据区域;对于未适配仪器,采用标定框手动框选域采集数据,并将该标定存档;

(2)调用交接试验APP 集成的OCR 算法模块接口,进行数据区解析,自动识别数字、单位;

(3)数字结果自动填充至对应表格;

(4)数据采集完成后,试验数据自动回传至后台系统。

为了对该算法效果进行评估,采用字符识别准确率(Accuracy)、字符识别召回率(Recall)对仪器数据识别效果进行评价。

式中:TP为被正确预测的正例样本数量;FP为被错误预测的负例样本数量;FN为被错误预测的正例样本数量;TN为被正确预测的负例样本数量。

选取电压器变比测试仪、有载分接开关测试仪等20种典型交接试验仪器多角度图片共1 000张。对直接OCR 识别、基于候选域的OCR 识别效果进行对比。后者识别准确率、召回率均超过95%,比直接OCR 识别提高5%以上。主要原因为数据候选框对数据区域进行精准圈定,大幅提高识别算法鲁棒性,识别效果如图4所示。算法性能完全满足现场应用要求。

图4 基于候选域的智能图像识别效果

3 应用情况及效果

3.1 系统部署方案

电气设备交接试验系统应用于变电站现场,需要合理的系统部署、数据交互方案,如图5 所示。为了保证系统性能、节省软硬件资源,本系统作为微应用基于中台进行部署:交接试验数据从PC电脑端、移动终端进行数据采集,然后汇集到基建专业数据中台进行数据存储;电气设备交接试验微应用调取基建专业数据中台数据、调用人脸识别、RFID、标准规范中心等提供人员管理、仪器管理、工程管理等微功能,轻量化部署方式保障现场实用化应用。

图5 电气设备交接试验智能管控系统部署设计方案

3.2 系统应用实践

以某220 kV 新建变电站工程为例,试验人员首先在系统创建变压器、组合电器试验计划,然后开展变压器变比测试等11项试验、组合电器主回路电阻测试等26项试验。以变压器变比测试为例,试验步骤如下:

(1)现场进行人脸识别验证试验人员资质;

(2)使用移动终端对变比测试仪进行扫码验证;

(3)现场接线、操作试验仪器进行17个分接变比测试;

(4)在交接试验APP点击数据采集,17个分接数据一次性自动采集至移动终端,如图6所示。

图6 电压比数据自动采集结果

(5)提交数据,自动回传至后台系统,完成试验数据智能判定,试验结论线上审核无误后自动生成试验报告。

3.3 系统应用效果

与传统交接试验模式相比,完成一座220 kV变电站交接试验效率与质量大幅提升,具体对比如表5所示。

表5 管控系统应用效果对比

电气设备交接试验智能管控系统在某省推广应用以来,目前已累计支撑40个变电站、160台电气主设备交接试验,实现试验人员、试验仪器、试验数据全要素线上管控,试验数据自动采集、智能分析功能显著提高试验效率,每项工程平均缩短调试周期20%以上。通过电气设备交接试验智能管控系统的应用,实现了交接试验管理模式从“事后应对”向“事前防范”、从“分散现场管控”向“集约系统管控”、从“传统人工驱动”向“数据智能驱动”的转变。

4 结论

针对传统交接试验工作模式缺乏过程管控的问题,本文研究构建了电气设备交接试验智能管控系统。通过建立试验人员、仪器台账,试验现场采用人脸识别、RFID 技术实现试验人员、试验仪器管控;制定交接试验仪器数据上传通用格式规范、提出了基于候选域的试验仪器数据智能识别方法,实现试验仪器数据自动采集上传,保障交接试验数据真实性、提高试验数据记录效率。系统应用实现了交接试验人员、仪器、数据全要素管控,显著提高了电网基建智能化水平。随着数字新基建工程推进,输变电建设工程现场数字化管控能力亟待提高,下一步,需要继续扩展基建现场数字化技术应用深度、广度,全面提升基建现场安全管理水平、工程效率水平。