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基于边缘智能控制器的变电所巡检系统
  • 企业:和利时集团     行业:智慧交通     领域:边缘计算    
  • 点击数:4784     发布时间:2024-07-05 18:02:01
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★北京和利时系统工程有限公司柴军,曹娇,刘宇

1 项目介绍

本项目为边缘智能控制系统在城市轨道交通行业的产业化落地示范应用,对大连地铁1号线大连北站进行升级改造,通过1套边缘智能控制系统实现4个相邻变电所的智能化、无人化巡检功能。

大连地铁1号线,于2015年10月30日开通运营一期工程,2017年6月7日开通运营二期工程。线路起于姚家站,途经甘井子区(北部)、沙河口区、甘井子区(南部),贯穿大连北站、华南广场商圈、西安路商圈、星海广场、东北财经大学、大连海事大学、大连高新技术产业园区等区域,止于河口站,大致呈南北走向。线路全长28.34千米,全部为地下线;共设置22座车站,全部为地下车站。截至2023年4月,大连地铁1号线日最高客运量为2023年4月30日的38.86万人次。

供电系统作为轨道交通关键系统之一,承担着全线牵引系统和动力照明系统供电的首要任务,其运行安全性、可靠性直接关系到轨道交通的运营安全。传统模式下,为保证变电所的安全运行,巡视人员需每日对全线变电所设备进行巡视工作,确认设备运行状态及环境安全情况。但是,人工巡检存在巡检工作量大、手动录入数据巡检效率低、定期巡视无法满足实时掌握设备运行情况等问题。

针对巡检现状,为满足智能化及无人值守的牵引变电所的发展需求,项目组选取了大连地铁1号线大连北站变电所作为边缘智能控制系统的试点站,开展变电所智能巡检系统改造。在变电所安装边缘智能控制器、高清云台摄像机、传感器、巡检工作站和中心级智能巡检平台,实现变电所可视化智能巡检的功能,提高地铁线路供电系统巡检效率,减少运营维护成本,提高运维整体安全性和质量。

2 项目实施与应用

2.1 总体设计

智能巡检系统首先是遵循国际或行业标准的系统,摒弃自制各种非标准化件的思路,底层硬件平台、网络、操作系统等选型上注重标准化和通用性。软件从设计到实现充分考虑模块化、接口化、尽量遵循相关标准规范,充分利用现有开源软件资源,为今后的应用发展和第三方系统集成预留足够的开放接口,保障系统的可持续发展和用户投资的持续有效。

同时针对使用者、工程实施人员提出的灵活性需求,通过精心的前期设计使系统具备足够的灵活性,从而做到后期满足用户的各种临时性需求,保证系统安全性可靠性的同时满足应用的灵活性和多样性。

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图1 变电所智能巡检系统结构图

如图1所示,变电所智能巡检系统可实现对变电所综合自动化系统既有数据的采集,以及视频摄像头等满足巡检需求新增传感器数据的采集,实现变电所设备的智能诊断,提高系统维护管理水平。

考虑到大连地铁1号线智能巡检项目的当前需求,以相邻变电所(以牵混所为核心,带动相邻降压所、跟随所、箱变)合用1套EIC的系统能力。相邻降压所、跟随所、箱变通过所在变电所的交换机链接巡检专用网络,接入核心站牵引降压所EIC,实现1套EIC巡检2~4个变电所的目标。系统具备如下优势:

(1)硬件综合承载:边缘智能控制系统替代传统PSCADAPLC、环境监测系统数据采集器、SF6数据采集器、视频解码服务器、视频分析服务器,并实现相应实时控制、智能计算功能;

(2)统一控制网络:基于边缘智能控制系统的物联网络整合传统PSCADA控制网络、环境监测网络及视频分析网络,实现生产控制数据和高频视频流数据统一接入;

(3)数据融合管理:边端生产与运维数据统一采集,减少接口数量和调试工作量;云边数据的分发和协同,降低中心数据处理压力,提高数据质量;

(4)统一开发平台:符合IEC61131-3国际标准的低代码开发环境,内置上百种工业控制及智能诊断算法库,降低开发难度,提升开发质量与效率。

2.2 系统功能

变电所智能巡检系统具备全景感知、智能识别、视频监控、巡检管理、历史查询、配置管理功能。

2.2.1 全景感知

变电所智能巡检对变电所带电设备进行远距离、高精度、全覆盖巡检,采集到的图像能快速拼接成全景图,对目标设备进行图像识别,依托数据智能处理平台完成统一数据管理,最终实现无人机对变电站自主巡检。

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图2 变电所智能巡检系统全景感知

2.2.2 智能识别

智能识别主要完成对高压开关柜、直流开关柜、低压开关柜、变压器、整流器、轨电位排流柜、交直流屏、控制信号屏等变电所内设备智能巡视,通过智能算法识别现场设备运行情况预判设备运行趋势。

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图3 变电所智能巡检系统对各色指示灯转换开关识别

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图4 变电所智能巡检系统对表计进行读数

2.2.3 视频监控

完全实现摄像机功能,边缘智能控制器智能控制摄像机等监控设备实现智能巡检功能,调用查看系统内的所有摄像头的实时视频;图像存储及回放功能;完整控制视频前端设备实现对摄像机视角、方位、焦距、光圈、景深的调整等功能。

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图5 变电所智能巡检系统实现视频监控功能

2.2.4 巡检管理

系统能够完成巡检计划编制并下发至EIC边缘智能控制器,让系统按计划实时或定期巡检,或者手工选择某个计划立即执行。系统按计划配置的设备检测项顺序,按每个检测项对应的巡检点位置控制固定摄像头运动到位,执行检测项规定的任务(拍照、识别、测温),如异常则产生报警,并将结果记录到数据库中以供后续查询。

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图6 变电所智能巡检系统实现巡检管理功能

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图7 变电所智能巡检系统生成巡检报告

2.2.5 历史查询

系统具有历史数据的查询功能页面,包括:报表统计、报警查询、报告查询、视频回放、操作记录。

(1)报表统计:支持选择按年、月、周、日或指定时间范围,以及选择设备类型或全部类型来查询设备故障报警统计报表;

(2)报警查询:支持按报警开始时间、结束时间、报警区域、报警系统、报警级别、报警类型、报警对象进行查询;

(3)报告查询:系统支持按开始时间、结束时间、巡检人员等条件查询巡检计划执行结果;

(4)视频回放:系统能随时查询并回放视频网络录像机上存储的所有摄像头的历史视频数据;

(5)操作记录:系统能按时间段查询用户的操作记录。

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图8 变电所智能巡检系统历史查询

2.2.6 配置管理

系统具有参数配置管理页面,包括视频管理、报警管理、用户管理、设备管理。

(1)视频管理功能可以配置视频实时监视、轮巡监视和分组监视三部分的相关参数;

(2)报警管理功能可以查询、选择并配置系统报警器的相关参数;

(3)用户管理功能实现用户管理;

(4)设备管理功能可以对变电所巡检设备的新建、查询、删除、编辑操作。

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图9 变电所智能巡检系统配置管理功能

3 项目创新

3.1 硬件设备创新

项目采用边缘智能控制器(EIC)作为边缘侧平台承载变电所巡检业务。边缘控制器(EIC)是紧凑的工业尺寸,融合工业控制、边缘计算、边云协同、物联网络、信息安全、本地显示等核心能力于一体的边缘智能计算控制平台,具备以下核心技术:

(1)PLC技术:采用工业级硬件架构,通过结构、电源、散热等设计满足工业运行环境要求,依托成熟PLC的冗余技术,实现边缘控制器的冗余,提高系统可靠型和可用性;

(2)网络技术:基于时间敏感网络(TSN)技术,时隙分配和管理软件,实现实时、非实时数据的获取、交互,支持主流现场总线协议用于汇聚现场监控设备,支持Lora、5G、Wi-Fi等无线网络用于汇聚现场无线物联设备,支持标准以太网用于汇聚现场IT设备;

(3)虚拟化技术:采用虚拟化平台,对边缘智能控制器中的硬件资源进行虚拟化映射、调度和管理,实现基于网络的算力优化调度和动态重构,形成与硬件无关的虚拟控制器和虚拟计算资源,提高设备的资源利用效率。

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3.2 应用功能创新

智能巡检系统解决了传统人工巡检的巡检难、管理难、效率低三大痛点。实现以下创新功能:

(1)远程快速智能巡视:按时自动完成巡视,节省路途时间,杜绝漏巡漏检,随时增加巡视计划,一键获取设备状态信息,零延时;

(2)设备状态识别、异常报警:自动读取表计数据,设备面板指示灯状态、压板状态,图像识别准确率约为95%,24小时实时设备状态全看护,及时发现设备运行隐患并报警;

(3)巡视报表智能生成及分析:巡视报表自动生成,减少人员统计录入环节,保证数据准确性,巡视报表可通过同比、环比等多种途径进行分析,实时判断设备运行状况。

4 项目效益分析

边缘智能控制系统整合算法服务器、控制器、诊断器及网络接入。通过云、边协同的变电站智能图像分析实现变电所智能化巡检,提高地铁线路供电系统巡检效率。

以大连1号线全线部署智能巡检系统计算为例,结果如表1所示。

表1 大连1号线智能巡检与传统人工巡检对比

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相较以往巡检次数每日5次增加到8次增加160%;巡检人员配置56人,智能巡检系统运行后预估配置18人,可整体降低人员投入约67.86%。

通过变电站智能图像分析体系,不断扩充图像仓库,不断优化图像分析的模型的精度,将极大地提高算法模型的更新效率,促进变电站图像智能分析的应用效果不断提升。现有巡检211项,自动巡检覆盖率94.3%,可从传统人工现场巡检模式转向更精准有效的全自动智能巡检,进而减少不必要的运维人员投入,预估提升运维整体效率约77.78%。

5 项目意义

大连地铁1号线变电所智能巡检项目为边缘智能控制器(EIC)在城市轨道交通行业的产业化落地示范应用。

大连地铁1号线变电所智能巡检项目以大连北站变电所作为试点站,采用1套边缘智能控制器作为核心单元构建智能巡检系统,实现相邻4个变电所的全景感知。通过智能识别算法,实现自动化的系统巡检功能,并实现巡检报表的自动填报,避免了人工巡检存在巡检工作量大、手动录入数据巡检效率低、定期巡视无法满足实时掌握设备运行情况等问题。本项目的实施提高了地铁线路供电系统巡检效率,减少了运营维护成本,提高了运维整体安全性和质量,可在全国各大新建、改造的城市轨道交通线路进行推广落地。

摘自《自动化博览》2024年6月刊

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