一种电网倒闸操作票智能监护系统设计新方案

  作者：张毅

  倒闸操作是电力系统中变更一次接线方式、调整继电保护定值、启停用保护装置、切换二次回路、投切自动装置、切换试验等一次、二次设备操作过程的总称  电网操作票是保证电力系统安全运行及管理的有效措施经过多年的改进和优化，现有的电网倒闸操作票系统已经达到了很好的通用性和维护性，基于一次、二次接线图的在线实时开票系统已经把专家知识库等相应操作规范固化在程序里。介绍了倒闸操作票开票和防误系统，防误规范在操作票开票过程中保证了倒闸操作票各步骤的逻辑性和安全性，但是其缺少在倒闸操作票执行时保证安全的有效措施和方法。介绍了未来计算机辅助的发展方向，其中就包括谷歌眼镜技术和3D显示技术在虚拟与增强现实中的应用。

    正常情况下，调度员必须提前以书面或者网络的方式预先发布操作任务票，才能正式发令操作．只有在紧急情况或事故处理时，才能采用口头指令方式下达倒闸操作任务。不论以何种方式下达倒闸操作任务，倒闸操作过程巾必须由监护人和操作人共同执行同一张倒闸操作票。本系统是采用服务器终端，通信网络和谷歌眼镜组建的电网倒闸操作票智能监护系统，同时配有图像识别和语音识别双重校验机制，用计算机辅助现场人员监护操作．并将操作票现场执行情况实时传送调度员与值班员。

    本系统优点在于使用智能校验机制和远程监控．真正做到操作现场的防误功能和辅助作业功能．使用谷歌眼镜设备，解放了现场操作人员双手．使其可以从容地应对倒闸操作过程中的突发事件和调度员口令无票操作任务的安全性。该系统使得原本需要1人监护1人操作的工作任务变为1人监护1人操作的同时电脑作为第2个监护人员和具有远程监护功能的模式，大大降低了误操作的可能性，有效地提高了工作效率，使原本调度员口令无票操作任务变为凋度员口令有票远程监护操作任务。

1  电网倒闸操作要求和流程

    国家电网公司和各网省电力公司都对电网倒闸操作做出了明确的规定，并严格遵循《电力安全工作规程（变电部分）》（国家电网安监[2009]664号），2010年汀苏省电力公司为了更有效地规范变电站电气设备倒闸操作工作，并适应目前变电运行管理方式的改变，确保人身、电网与设备的安全，提高变电运行管理水平，颁布了《变电站电气没备倒闸操作规范》，该规范适用于江苏省电力公司管辖范围内所有500 kV及以下变电站电气设备的倒闸操作管理。

1.1  电网倒闸操作要求

    倒闸操作共有监控（调控）远方操作和变电站现场操作2种方式。

    监控班（调控班）值班员在调度自动化系统监控工作站上所执行的遥控操作称为远方操作。执行远方操作的调度自动化系统监控工作站的人机工作界面，必须强制手动输入待操作的变电站代码及设备编号，使系统能核对待操作的变电站及设备的正确性。系统必须强制操作人、监护人分别输入正确的倒闸操作密码来保证操作监护工作．监控班（调控班）值班员在倒闸操作完成后必须将变电站运行方式和设备状态的改变情况告知操作班值班员。

    操作班值班员在变电站现场所进行的倒闸操作称为现场操作。一次设备在正常情况下“就地操作”只适用于变电检修工作。如在紧急情况下确实需要就地操作断路器等设备，必须满足以下条件：符合现场规程，必须保证即将带电的设备（变压器、母线、线路等）处于无故障状态，受某些条件或情形的限制对设备（变压器、母线、线路等）进行空载状态下的操作。操作班现场值班员在操作前告知监控班（调控班）值班员即将进行的操作内容，操作结束后必须告知设备状态变化情况。

1.2  电网倒闸操作流程

    接受正令：发令调度员正式发令时，发令调度员与受令操作人应使用标准调度术语和普通话．并全程电话录音。发令调度员将该项倒闸操作任务的编号，以及对应的变电站、操作任务和发令时问依次口述给受令操作人，受令操作人填写接收到的正令时间，并向发令调度员正确复诵正令内容，经双方核对正确后发令即结束，受令操作人才可以开始该项倒闸操作。该项倒闸操作T作的操作人、监护人在倒闸操作票中签名．监护人填写倒闸操作开始时间，准备倒闸操作一次模拟图预演。

    模拟预演：监护人手持倒闸操作票与操作人一起进行一次模拟图预演。监护人根据倒闸操作票的步骤，手指一次模拟图上具体设备位置执行模拟倒闸操作唱票，操作人则根据监护人指令执行复诵并操作一次模拟图。

    正式操作：变电站现场操作时监护人手持操作票、录音笔和解锁钥匙走在后面，操作人携带正确的工器具、安全用具走在前面。正式倒闸操作必须严格执行复诵并录音，在没有得到监护人的指令前，操作人不得擅自进行操作，监护人必须严格执行监护工作，严禁操作设备一监护人、操作人到达相应设备操作地点后．首先依据倒闸操作项目进行站位、设备名称编号和设备实际状况是否与操作项目相符的核对工作，核对无误后监护人依据操作步骤，高声唱票的同时手指设备名称编号，操作人听到监护人指令后，高声复诵的同时也手指设备名称编号进行核对．操作人核对正确无误并且监护人也再次核对正确无误后．操作人才可操作。每项倒闸操作工作完成后都必须对设备的当前状态进行检查。在倒闸操作过程中必须严格按照操作步骤依次操作．每项操作结束后由监护人在倒闸操作票相应项后打钩。倒闸操作全部完成后，监护人与操作人共同对所操作的设备进行检查，以确认操作正确兀误，设备运行状态正常。监护人在倒闸操作票上填写操作完成时间。

    操作汇报：倒闸操作完毕后，监护人应及时使用录音电话向发令调度员汇报：某时某分已完成某变电站的某操作任务，并核对相应设备操作后的运行方式正确无误，得到发令调度员确认无误后该倒闸操作任务才算全部执行结束。

2系统架构设计

    目前无论是纸质操作票、电子操作票、还是全程自动化远程操作，都需要1人操作1人监护一电网倒闸操作是一项逻辑严谨的T作．适合采用程序化和标准化工作，但是人工智能技术发展永远替代不了人的工作，只能作为一种辅助手段，减轻操作人员的劳动强度，弥补操作人员因疲劳、疏忽和习惯性违章而导致的误操作发生．提高电网倒闸操作的安全性和可靠性。

    本系统开发的电网倒闸操作票智能监护系统，主要创新核心在于安装于谷歌眼镜中基于安卓系统开发的APP程序，该程序可以辅助操作票监护人员的工作，使用计算机完成对操作人员的监护，保证操作安全执行一该系统使电网倒闸操作从现场人工监护、计算机监护和调度员远程监护共同向完全由计算机监护和调度员远程监护的工作方式进行过渡。

    操作票监护是一个比较复杂的过程，其过程包含了站所名称的核对，操作开关问隔的核对，设备电气状态核对，模拟操作，操作票复诵核对，整个操作过程中不能有任何错误和疏忽。

    计算机辅助监护操作票的执行，不仅可以降低人为的误操作率，还可以实时核对关键信息，及时发出告警提示．采用谷歌眼镜可以有效地释放操作人员双手，使其可以从容应对突发事件和正在进行的工作。

2.1  谷歌眼镜特点

    谷歌公司在2012年4月推出了一款“拓展现实”数码产品，即谷歌眼镜，用户可以通过语音控制它摄影摄像、视频通话和导航，并具有智能手机同样的功能，如上网冲浪、处理文字信息和收发电子邮件等。

    谷歌眼镜的结构主要包括位于镜框右侧一个宽条状的电脑处理器装置和1台悬置在眼镜前方500万像素的摄像头，该摄像头可拍摄720P视频（一种在逐行扫描下达到1280x720分辨率的显示格式）。谷歌眼镜的镜片上装有一个将数据投射到用户右眼上方的头戴式微型显示屏，它的显示效果就像2.4 m外的25英寸高清显示屏一样。

2.2  系统总体硬件结构

    本系统的研究基础是基于专家系统进行的，通过在专家规则中引入手势识别，图像识别和语音识别进行防误操作监护，从而提高了系统的通用性。系统为了提高通用性和易维护性，在结构设计上采用了模块化设计方法。图1给出了本系统硬件结构体系。本系统主要由信息交互总线、数据处理服务器、PC终端、站所通信终端和谷歌眼镜(Google Glass)构成。

2.3  系统总体软件结构

    本系统功能模块框架如图2所示。

    数据处理服务器：具有倒闸操作票管理模块，用户权限管理模块，视频通信模块，倒闸操作统计分析模块，通信模块（有线）。强大的支持平台是实现智能操作票管理的基础，可以有效地进行操作票的管理、保存、流转、倒闸操作情况统计分析汇总。

    PC终端：以B/S形式访问数据处理服务器，具有倒闸操作票编辑模块，视频通信模块，通信模块（有线）。该终端负责操作票的编辑、查询、删除、打印等功能，并将操作票内容实时发布至操作人佩戴的谷歌眼镜中，当操作票在现场执行时可以通过显示器向调度员和值班员展示现场操作票执行情况。

    站所：站所内安装有站所通信终端，具有数据加密打包模块，通信模块（有线），通信模块( WiFi)。该终端负责谷歌眼镜与PC终端之间的数据传输，为谷歌眼镜提供无线网络支持。

    谷歌眼镜：配置有640x480像素的投影显示屏．具有语音提示功能和内置式摄像头，基于安卓系统的APP具有倒闸操作票监护模块、语音识别模块、图像识别模块、手势识别模块、视频通信模块、通信模块( WiFi)。

    图3是谷歌眼镜APP中操作票安全执行流程。关键系统为手势识别、语音识别和图像识别模块的算法和开发。

3模式识别算法设计

    谷歌眼镜APP基于谷歌公司的安卓平台开发，它虽然也是基于安卓平台，但是与普通的智能手机上使用的安卓平台有着明显的区别。谷歌公司对于谷歌眼镜所使用的APP环境采取很高的安全措施，使程序编写的随意度大大地降低．也提高了使用过程中的安全性。它严格禁止APP程序运行过程中的弹窗、提示和切换等功能，保证了用户使用过程中不被打扰。对程序中文字显示的字体、颜色和显示位置有严格的限制．保证了用户使用中的安全性。冈为采用了这些严格的限制措施，使得谷歌眼镜APP有着很好的使用安全性，也能很好地满足电网倒闸操作工作的安全性。

3.1  手势识别算法设计

    电网倒闸操作开始后，操作人要对现场模拟图进行预演操作。目前电力公司采用的预演模拟图为马赛克版模拟接线图或者显示屏版模拟接线图，操作人根据操作票要求在模拟图上进行模拟操作。本系统设计了直接在谷歌眼镜的显示屏上显示现场一次接线模拟图，操作人进行人机复诵．并用手指在当空模拟操作，谷歌眼镜上的摄像头取景，识别操作人手势拨动开关的情况．确认模拟操作的正确性．

    本系统所述的模拟操作过程，采用了一种半自动标定方法，利用随机决策树建立深度像素的标定数据集，并利用该基于视觉的手势交互桌面应用开发框架，实现电网倒闸操作复杂手势的实时识别。电网模拟倒闸操作过程如图4所示。

3.2  图像识别算法设计

    电力公司运维部门对变电站所（包括站所名称和设备）标志都有严格的要求和标准．在设备命名上用词严谨而简洁，设备面板颜色区别度大．这样对于本系统建立图像中文字识别需要的文字识别数据库有着很大的可操作性和识别准确度。

    在电网倒闸操作过程中，操作人复诵操作票的过程中需要反复核对操作项和操作设备．通过谷歌眼镜摄像头取景识别设备编号和文字．识别设备电气状态，辅助完成操作监护人的工作  当操作人操动机构前通过谷歌眼镜的摄像头取景检查操作人是否翻下防护面罩和穿戴绝缘手套，谷歌眼镜亦通过绝缘手套和防护面罩的色差准确识别操作人的安全防护设备。

    本系统采用基于颜色聚类和多帧融合的视频文字识别方法，该方法充分考虑了文字区域的2个显著特征：密集文字边缘和一致文字颜色。采用近邻传播聚类算法把不同颜色的边缘分解到若干边缘子图中，使得在各个边缘子图中检测和定位文字区域更加准确。操作过程中人机互动如图5所示。

3.3  语音识别算法设计

    电力公司运维部门对电网倒闸操作过程中的操作票复诵环节有着严格的用语要求，操作人和监护人采用标准普通话完成操作任务的复诵和确认工作。电网操作票采用标准流程和标准化用词，因此对于建立语音识别需要的语音数据库有着很大的可操作性和识别准确度，主要难度在于对环境噪声的过滤。

    电网倒闸操作过程中，谷歌眼镜显示屏上显示需要操作人复诵的操作内容，操作人严格进行复诵，谷歌眼镜的拾音器对操作人的复诵进行采集、滤噪和进行数字化处理，完成对操作人复诵情况的核实，同步进行操作录音，保证操作人复诵操作票内容正确无误。

    本系统采用离散隐马尔科夫模型的嵌入式语音识别系统的实现方法，在嵌入式系统上完成语音识别功能，在PC系统上完成模板训练功能的软件架构。根据语音信号不可逆的特点，该方法提出一种优化的Viterbi算法，在保证识别率的条件下系统取得了200 ms以内的实时响应速度，具有很高的实用性。

4安全性和效益分析

    本系统设计的目的在于提高电网倒闸操作，尤其是紧急情况下口令无票操作工作的安全性和准确性。该系统使电网倒闸操作从现场人工监护，到现场人工监护、计算机监护和调度员远程监护共同进行向完全由计算机监护和调度员远程监护的工作方式进行过渡。使用现场人工监护、计算机监护和调度员远程监护共同进行工作时，可以极大地提高电网倒闸操作工作的安全性。当完全采用计算机监护和调度员远程监护的倒闸操作工作方式时，可以真正地做到单人执行电网倒闸操作的构想，极大地提高了工作效率和电力公司的经济效益。

4.1  安全性分析

    谷歌眼镜等穿戴式智能设备开发的初衷就是辅助用户工作以及给用户提供便利，使用的场景比如在驾车、体育运动等对安全性要求较高的场合。本系统使用谷歌眼镜作为终端，完成了整个电网操作票安全执行系统设计和开发工作，谷歌眼镜APP的开发要求远远严格于安卓手机的APP开发环境，这样也从软件的角度保证了系统的安全可靠性。

    本系统依旧采用电力公司规定的1人监护1人操作的要求，监护人监护操作人与谷歌眼镜共同操作情况，调度员通过谷歌眼镜进行远程监控，使发令人、监护人和操作人融为一体．最大限度地保证了操作的安全性。在技术和系统逐渐成熟后．将尝试采用计算机监护和调度员远程监护的工作方式，用调度员远程监控和谷歌眼镜监护代替现场监护人的工作。

4.2效益分析

    目前，各地电力公司依旧有电网倒闸操作过程中发生误操作的通报，采用本系统后，可以最大限度地使调度员、操作人和监护人都融入倒闸操作过程中，在人员配置上达到了最大化，通过谷歌眼镜和人工共同监护操作人的工作，最大限度地避免误操作的发生，减少因误操作导致的设备、人生和财产的损失。

    未来采用计算机监护和调度员远程监护的工作方式，用调度员远程监控和谷歌眼镜监护代替现场监护人的工作，可以使常规的电网倒闸操作工作减少1／3的工时。

5结语

本文综合采用服务器终端、通信网络、智能穿戴设备以及计算机模式识别校验机制．完成了电网倒闸操作票智能监护系统设计工作。系统优点在于使用智能校验机制和远程监控，真正做到操作现场的防误操作功能和辅助作业功能。使用谷歌眼镜设备，解放了现场操作人员双手，使其可以从容应对倒闸操作过程中的突发事件和调度员口令无票操作任务的安全性。该系统使得原本需要1人监护1人操作的工作任务变为1人监护1人操作，电脑作为第2监护人员和具有远程监护的模式，大大降低了误操作的可能性，有效地提高了工作效率，使原本调度员口令无票操作任务变为调度员口令有票远程监护操作任务。

6摘要：介绍了电网公司现行电网倒闸操作票的操作现状、操作要求和操作流程，提出了电网倒闸操作票智能监护系统。该系统综合采用服务器终端、通信网络、智能穿戴设备以及计算机模式识别校验机制，使得原本需要1人监护1人操作的工作模式变为1人监护1人操作的同时电脑作为第2个监护人和具有远程监护人功能的模式，从技术和工作效率上最大限度地避免电网倒闸操作过程中发生误操作的可能性，有效地提高了工作效率。该系统同时使原本调度员口令无票操作任务变为调度员口令有票远程监护操作任务。当完全采用计算机监护和调度员远程监护的工作方式时，可以真正地做到单人执行电网倒闸操作的构想，极大地提高了工作效率和电力公司的经济效益。