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基于物联网的设备状态感知技术及应用国网江苏省电力公司电力科学研究院2018年4月26日业务现状分析1物联网体系架构2智能运检装备研发3目录一、业务现状分析1、业务现状分析1.1基本情况作为国网公司设备体量最大的省级电力公司，截止2018年4月，全省500kV级以上变电站62座，220kV变电站553座。不断增长设备体量带来了巨大的运维检修工作量。掌握设备运行状态，主要通过运行巡检、带电检测、在线监测等方式。但是，传统的业务模式存在诸多问题，无法满足新形势下的运维检修要求。1、业务现状分析1.1日常巡检人机交互方式效率较低，需要现场人员在手持机上查询数据，无法解放人员双手；1.交互效率低巡检对象关联信息获取不便，影响对于设备异常的综合诊断效率。3.诊断效率低常规移动巡检作业中，运检设备量大，设备身份与后台巡检数据关联过程影响了巡检效率；2.设备关联差装备使用•仪器体积大、携装不便、布线复杂•操作复杂、功能单一•设备身份与数据关联依赖人工数据交互•纸质记录誊抄，易出错•孤岛设备，相关信息无法便捷获取诊断分析•人工诊断，专业要求高•报告编写，大量重复劳动1、业务现状分析1.1运检业务分析—带电检测213传统在线监测装置采用电缆供电、光缆通信，施工量大，安装复杂；装置安装传统在线监测系统采用人工数据巡视方式发现缺陷，工作量大，对人员专业要求高。缺陷检出在线监测装置结构复杂，故障率高；不易于更换，维修维护困难；装置运维1、业务现状分析1.1运检业务分析--在线监测前端状态感知技术•小型化：随着MEMS、嵌入式技术发展，新型传感器具有体积小、重量轻、成本低、功耗低等特点。数据链路传输技术•LPWAN技术：NB-loT、LoRa等低功率无线传感技术涌现，具有低功耗、广覆盖、多接入、低成本等特点。人工智能诊断技术•深度学习：以深度学习技术为代表的的人工智能技术飞速发展，在人脸识别、围棋竞赛等领域已经获得实质性突破。2、技术发展现状分析1.2新技术发展现状二、基于物联网的感知体系2、基于物联网的感知体系2.1业务覆盖变压器GIS电缆其他设备开关柜局部放电发热可视缺陷超声波电磁波电流热辐射紫外线缺陷图像超声波局放带电检测特高频局放带电检测高频电流局放带电检测暂态地电波带电检测红外带电检测紫外带电检测可见光巡检AR巡检眼镜一体化巡检主机多光谱巡检头盔多合一综合带电检测仪低功率无线传感器系列感知层网络层接入网关设备层AE超声智能传感器机械特性智能传感器高频智能传感器特高频智能传感器超声波、暂态地电波一体智能传感器无线传感网汇聚节点基于卷积神经网络的红外图像分析AR巡检眼镜应用层接入控制器电力APN多合一局放检测仪带电检测传感器（UHF、AE、HF等）RFID标签多光谱巡检头盔GIS变压器电缆其他基于深度学习的局放大数据分析平台其他智能分析平台开关柜PMSSCADA在线监测管控平台环境监测其他业务系统可穿戴主机2.2系统结构2、基于物联网的感知体系感知层（传感器）：通过传感器技术实现对设备身份与状态参量的感知感知层（数据汇聚）：通过基于无线传感网的中间节点等实现数据汇集应用层：通过业务系统、人工智能诊断系统，实现数据管理与分析。网络层：通过电力专网、电力APN等内网数据交互三、智能运检装备研发AR智能巡检眼镜1.1主要技术特点-AR智能巡检眼镜1、AR智能巡检眼镜及智能穿戴主机增强现实：采用增强显示（AR）技术，将显示场景与虚拟信息融为一体，为巡检人员提供直观的辅助增强显示；安全交互：通过电力APN与后台系统实时互联，实现巡检信息智能交互，打破巡检作业信息孤岛，实现现场巡检作业可视、可管、可控。智能穿戴主机全模式通信：采用1.8GLTE、2.4GLTE、蓝牙、WIFI、PTT对讲等多中通讯模式。多达5根天线在机体内集成，天线优化设计避免彼此干扰。集成多种功能：集成微型红外热成像测温模块；集成UHFRFID/二维码读写模块；集成多星精确定位、环境传感器等。1.1主要技术特点-智能穿戴主机1、AR智能巡检眼镜及智能穿戴主机AR眼镜的设备感知以及数据提取算法对硬件算力要求较高，直接提升眼镜功耗，导致眼镜的体积重量增大。1.8GLTEBT、WIFI1.2技术难点1、AR智能巡检眼镜及智能穿戴主机技术难点1：AR眼镜功耗与算力矛盾解决解决方法：为了将AR眼镜计算功耗降到最小，系统采用了分布式计算设计理念：将智能穿戴主机作为AR眼镜的主要环境感知计算单元，完成设备身份识别等图像计算功能采用1.8GHzLTE无线专网与后台服务器高速互联，完成后台数据检索与推送功能。智能穿戴主机需要在有限体积内集成了PTT对讲、2.4GLTE、1.8GLTE、GPS、WIFI、蓝牙、RFID等多种通讯方式，如何处理天线之间的干扰成为难题。1.2技术难点1、AR智能巡检眼镜及智能穿戴主机技术难点2：智能穿戴主机多天线抗干扰技术解决方法：采用多天线差异化设计方式。2.4GLTE、GPS、WIFI、蓝牙、RFID采用PIFA、FICA天线多频技术、PTT对讲，1.8GLTE则基于MIMO技术设计，有效避免同类天线相互耦合。分时工作策略。通过嵌入式系统实现通信调度，采用不同通讯模块分时工作策略，避免同时开机的相互干扰。系统需要在识别设备身份后，快速提取设备相关的调度运行、检修试验等数据。数据量的较大，对传输速率要求较高；同时，不同的数据存在不同的电力内网分区中，物理隔离使得数据交互存在障碍。1.2技术难点1、AR智能巡检眼镜及智能穿戴主机技术难点3：多源数据交互实现解决方法：采用1.8GTD-LTE专网技术，可实现智能穿戴主机与电力内网后台的快速关联。打通电力内网不同分区的数据库，可获取电力内网二区D5000中的实时负荷、潮流数据；可获取运检PMS、在线监测等系统数据。RFID、二维码识别WIFIBluetoothPMS、SCADA等业务系统智能穿戴主机AR巡检眼镜4G专网①智能识别②信息检索③增强现实显示1.3业务流程1、AR智能巡检眼镜及智能穿戴主机500kV南京东善桥变、无锡梅里变和苏州木渎变、110kV苏州九里变、苏州东沙变、扬州双桥变等变电站开展试点应用，巡检过程能够实时感知设备状态参量，提高了设备状态管控能力。1.4应用成效1、AR智能巡检眼镜及智能穿戴主机红外探测器件和紫外探测器件在头盔顶部呈“左右分布”；红外、紫外融合技术，便于开展现场带电检测工作。2.1结构设计2、多光谱巡检系统红外热像仪模块紫外成像检测仪模块头戴式多光谱巡检仪结构简图传统红外传统紫外红外头盔红外+紫外头盔采用多光路融合技术，头盔集成可见光、红外、紫外功能，并将三路视频融为一体；通过头盔采用微投显示技术，显示清晰、不影响佩戴人员行走；基于卷积神经网络的后台图像诊断，进行红外图像自动诊断，解决人工诊断工作量大的问题。2.2技术特点2、多光谱巡检系统头戴式多光谱巡检仪红外/可见光图像智能诊断分析系统2.2技术特点2、多光谱巡检系统红外测温参数紫外检测参数温度范围-30-150℃视场角15°×11°视场角24ºx18º最小放电灵敏度1pc@10m测温精度±2℃或±2%紫外检测灵敏度3x10e-18watt/cm2分辨率640×480分辨率720x576总重量985克集成化要求较高，需要保证在体积有限的情况下，尽可能提高红外成像的精度。2.3技术难点解决方法：红外探测器采用高精度凝视红外焦平面非制冷非晶硅探测器技术，确保光感原件精度；采用双透镜透射式光学系统，可满足轻量化要求，同时能够通过光学被动补偿方式，使系统能够在-40℃～＋80℃温度范围内良好成像。非均匀校正技术。基于参照元并结合动态实时补偿的线性两点校正技术，简单有效的去除了图像非均匀性。2、多光谱巡检系统技术难点1：红外成像检测精度头戴式多光谱巡检仪为了同时开展设备的发热缺陷、放电缺陷，需要将紫外和红外光同时采集、同时进行观察。2.3技术难点2、多光谱巡检系统解决方法：双光路同视场结构设计。紫外和红外两套光路，通过反射镜组共享同一视场。通过调整反射镜组以及红外镜头调焦来确保紫外成像探测与红外成像探测在同一视场、同一光路下观测目标物。图像匹配调整技术。采用图像倍率调整，数字位移配准等技术，实现两路成像的精确配准。技术难点2：紫外与红外融合技术实现红外图像的自动诊断，三个重要技术环节：温度点及参数提取、设备智能分区、缺陷匹配。设备智能分区（自动分区与诊断的图，陈舒）2.3技术难点2、多光谱巡检系统技术难点3：红外图像自动诊断解决方法：建立了基于深度神经网络技术的红外图像诊断系统,实现以下功能：温度点及参数提取。实现了基于国网红外成像统一格式标准的红外成像数据格式解析，并能够兼容国内主流厂商数据格式。设备智能分区。采用卷积神经网络算法，实现对变电设备的智能分区，可自动将完整设备分为按照规则分为几个主要部件；缺陷匹配。设计了基于红外诊断导则的缺陷匹配算法，可根据设备分区温度对设备缺陷进行判定。已经在1000kV特高压泰州站、±800kV同里换流站、±500kV政平换流站、500kV伊芦变等多座一、二类变电站开展试点应用，有效提高巡检效率，提高设备诊断率80%以上。3.4应用成效2、多光谱巡检系统信号采集传感器套件手持终端3、多合一带电检测仪3.1系统设计高性能主嵌入式处理芯片嵌入式操作系统高级程序应用存储模块数据存储和管理RFID电子标签设备台帐电子识别人机交互大触摸液晶屏非接触式AE传感器UHF传感器HFCT传感器TEV传感器3G/4G/WiFi通讯管理接触式AE传感器无线通讯模块信号调理器信号调理器信号调理器信号调理器信号调理器后台云诊断系统红外传感器信号调理器蓝牙端口连接集成开关柜TEV、空间超声波（手持终端顶部）表贴式超声特高频局放电缆高频局放红外变压器高频局放无线化模块化集成化3、多合一带电检测仪3.2装备组成手持终端基于局放大数据云诊断平台•现场局放检测数据的任务管理、智能诊断、数据分析统计。•通过电力APN，实现多合一、无线传感器的数据安全接入内网系统•采用了“深度学习”技术，构建了局放诊断的深度神经网络，可实现PRPD、PRPS谱图的识别。3、多合一带电检测仪3.3系统功能3、多合一带电检测仪3.4技术特点集成化、小型化设计利用MEMS传感器技术，将7种带电检测类型集成在一套设备上最大限度减少装备体积；传感器无线化设计。采用近距离无线通讯技术，解决了仪器接线问题，提高检测效率RFID读写功能。抗金属高频RFID电子标签，可以识别设备身份标签，快速建立现场设备与后台数据关联；局部缺陷云诊断。采用深度学习技术，建立局放诊断神经网络，准确率达到95%以上，解决人工诊断工作量大的问题。解决方法：结构设计：采用自顶向下进行结构设计，通过分析计算、装配干预检查、调整以及结构件的绘图完成电子设备的结构设计，最大限度的有效利用空间。电路仿真：针对多模块化设计和多天线的应用，进行电路模型仿真，计算瞬态分析仿真、应和相频响应、噪声仿真等，确保电路高可靠性。3、多合一带电检测仪3.4技术难点多合一带电检测仪包含多达7种检测手段外，还包括多种通信方式如Wi-Fi、4G、蓝牙、USB、RFID读写功能等；手持设备上实现高集成度、小型化的设计难题，需要高级综合设计技术。技术难点1：集成化、小型化设计主机重量：580g整套设备重量：7kg解决方法：采用基于反馈式主动降噪的局放干扰信号过滤技术，从源端排除了局放检测时现场的电磁干扰信号，有效避免了干扰信号对局放信号检测带来的影响，提高了局放检测准确度。3、多合一带电检测仪3.4技术难点在现场局放检测过程中，传感器除了检测到局放信号外，更多的检测到的是干扰信号。为了避免干扰信号的影响，有效提取有效去局放信号技术难点2：局放监测主动降噪技术解决方法：动态调频技术：信号调理器间传输频率根据信号频率占用情况，自动跳到空闲频带；身份ID认证鉴权技术：建立通信连接前，进行身份验证，确认通信合法性；自动应答重传和帧缓存技术：通过嵌入式程序开发相应的功能模块，大大提