近年來(lái)，隨著我國(guó)智能電網(wǎng)的快速發(fā)展，電網(wǎng)中各類設(shè)備的自動(dòng)化程度越來(lái)越高，為減少一線工作人員的工作強(qiáng)度、降低人力成本及發(fā)展“少人值守”變電站運(yùn)行方式提供了必要基礎(chǔ)。然而，超高壓直流換流站與常規(guī)交流變電站存在著顯著區(qū)別，前者設(shè)備類型多，數(shù)量大，控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)十分復(fù)雜。可見(jiàn)，電網(wǎng)公司推進(jìn)直流換流站“少人值守”的工作方式必須依賴其自動(dòng)化、智能化水平的進(jìn)一步發(fā)展。

直流換流站發(fā)揮著大電網(wǎng)可靠互聯(lián)及大規(guī)模可再生能源外送的作用，是電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的重要保障。因此，上級(jí)調(diào)度部門及電網(wǎng)管理者對(duì)直流換流站內(nèi)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)，尤其對(duì)站內(nèi)設(shè)備缺陷、事件報(bào)警信息及故障處理情況尤為重視。

然而，上級(jí)管理者對(duì)設(shè)備運(yùn)行關(guān)鍵信息的獲取途徑有限，不利于及時(shí)、準(zhǔn)確掌握設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)。通常仍需直流換流站運(yùn)行人員向本單位或上級(jí)管理部門負(fù)責(zé)人電話匯報(bào)各類故障信息及故障處理進(jìn)度，這在一定程度上影響了事故處理速度，對(duì)電網(wǎng)可靠運(yùn)行造成一定影響。

通過(guò)對(duì)國(guó)家電網(wǎng)公司某直流換流站的運(yùn)行、維護(hù)現(xiàn)狀調(diào)研發(fā)現(xiàn)：

• 1）直流換流站內(nèi)的運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)具有監(jiān)控和報(bào)警功能，但對(duì)“故障/異常”處理過(guò)程的信息查詢、分析、決策與實(shí)施完全依靠運(yùn)行人員的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)，缺乏故障處理方案的輔助決策功能。
• 2）直流換流站各類異常報(bào)警信息種類繁多，現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)并不具備信息篩選功能，事故處理方案的制定過(guò)程易受無(wú)效或低價(jià)值故障信息的影響。
• 3）直流換流站的上級(jí)調(diào)度部門及相關(guān)管理者對(duì)于站內(nèi)“故障/異常”信息、處理進(jìn)度的了解相對(duì)滯后，不利于直接管理層對(duì)直流換流站運(yùn)行的宏觀把握。

因此，設(shè)計(jì)并研發(fā)具有智能監(jiān)測(cè)、智能分析和輔助決策功能的“監(jiān)控系統(tǒng)智能機(jī)器人”，是直流換流站安全運(yùn)行的重要保障措施，并且其對(duì)于提高直流換流站智能化水平、最終實(shí)現(xiàn)“少人值守”運(yùn)行、優(yōu)化基層企業(yè)科學(xué)化管理具有重要意義。

本文設(shè)計(jì)了“監(jiān)控系統(tǒng)智能機(jī)器人”的基本結(jié)構(gòu)框架，并詳細(xì)分析了與之相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，再通過(guò)具體案例驗(yàn)證了設(shè)計(jì)方案的可行性。

1 監(jiān)控系統(tǒng)智能機(jī)器人的結(jié)構(gòu)框架

1.1 整體框架

監(jiān)控系統(tǒng)智能機(jī)器人的原理為：①通過(guò)智能識(shí)別技術(shù)采集直流換流站運(yùn)維監(jiān)控系統(tǒng)的故障/事件信息（智能獲取），并基于數(shù)據(jù)識(shí)別技術(shù)對(duì)事件信息進(jìn)行分類（智能識(shí)別），提取關(guān)鍵知識(shí)，實(shí)現(xiàn)智能報(bào)警功能；②經(jīng)過(guò)云處理技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通信，通過(guò)故障信息分析系統(tǒng)制定故障處理預(yù)案；③采用云處理技術(shù)將故障信息分析系統(tǒng)的處理建議發(fā)送至手機(jī)客戶端，為運(yùn)行人員及管理者提供相關(guān)的決策參考。監(jiān)控系統(tǒng)智能機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 機(jī)器手臂設(shè)計(jì)技術(shù)

直流換流站監(jiān)控系統(tǒng)智能機(jī)器人的視覺(jué)掃描功能是通過(guò)一個(gè)機(jī)器手臂設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。機(jī)器手臂本身有6個(gè)自由度，分別由手臂Ⅰ段、手臂Ⅱ段、手臂Ⅲ段組成；快速掃描攝像頭被安裝在機(jī)器手臂末端；機(jī)械手臂Ⅰ段底部被安裝在金屬底座上，其內(nèi)部為控制硬件系統(tǒng)。在智能識(shí)別過(guò)程中，快速掃描攝像頭能夠迅速以圖片形式記錄顯示屏的主要信息，將其傳輸至底座內(nèi)的控制硬件系統(tǒng)，然后進(jìn)行圖像信息分析處理。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)智能機(jī)器人硬件結(jié)構(gòu)

圖2 機(jī)械手臂硬件結(jié)構(gòu)圖

2 監(jiān)控系統(tǒng)智能機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)

智能識(shí)別技術(shù)主要分為“快速掃描攝像頭”采集關(guān)鍵信息和“控制硬件系統(tǒng)”分析信息兩項(xiàng)。其中，控制硬件系統(tǒng)的最重要任務(wù)是對(duì)掃描到的故障/異常信息圖片進(jìn)行分析。系統(tǒng)測(cè)試過(guò)程中的某次故障/異常信息掃描原圖如圖3所示。

圖3中所采集圖片的信息包括拍攝圖片原框、應(yīng)用軟件邊框、紅色告警信息和黃色告警信息。智能識(shí)別的關(guān)鍵便是對(duì)紅色告警信息的獲取與分析及對(duì)其他無(wú)用信息的刪減。

圖3 某次故障/異常信息掃描原圖

2.1 關(guān)鍵信息的定位

關(guān)鍵信息定位是智能識(shí)別的基礎(chǔ)，即從拍攝圖片中定位有用信息，將復(fù)雜干擾信息進(jìn)行分割，剔除無(wú)效信息（包括拍攝圖片邊框、應(yīng)用軟件邊框和黃色告警信息）。在完成關(guān)鍵信息定位后，字符分割和識(shí)別功能才能夠最終實(shí)現(xiàn)。具體步驟如下。

1）采用色度的差異性特征提取關(guān)鍵信息。如 圖3中所示的紅色告警信息與其他信息色彩存在較大差異，且范圍較大，因此憑借該特征能夠快速甄別“有用”與“無(wú)用”信息。

2）信息掃描原圖的二值化處理。控制硬件系統(tǒng)采用最大類間方差法選取合適的閾值。若t為閾值，則依據(jù)t值將字符和紅色背景進(jìn)行分割，此時(shí)字符的像素個(gè)數(shù)占“信息掃描源圖”比例為w1，平均灰度為u1。紅色背景像素個(gè)數(shù)占“信息掃描源圖”的比例為w2，平均灰度為u2，因此，“信息掃描源圖”的平均灰度為

公式（1）

字符、數(shù)字和紅色背景之間的方差為

公式（2）

當(dāng)方差g取得最大值時(shí)，所需信息和紅色背景的灰度差值是最大的、也是最為理想的灰度閾值。可以選擇t作為“信息掃描原圖”二值化的閾值，將“信息掃描原圖”中灰度值小于t的像素灰度值設(shè)為0，將灰度值大于t的像素灰度值設(shè)為1。

2.2 關(guān)鍵信息的識(shí)別

關(guān)鍵信息識(shí)別就是將處理后的字符圖片信息加工為信息匹配可用的字符信息，以方便“監(jiān)控系統(tǒng)智能機(jī)器人”對(duì)關(guān)鍵信息進(jìn)行編譯加工。一般情況下，報(bào)警信息中的字符主要為數(shù)字和英文字母。因此，首先提取待識(shí)別數(shù)字和英文字母的特征信息，利用相應(yīng)的算法對(duì)提取特征進(jìn)行分析歸類，然后找到與待識(shí)別字符特征相近的數(shù)字和英文字母。具體關(guān)鍵信息識(shí)別流程如圖4所示。

圖4 關(guān)鍵信息識(shí)別流程圖

1）對(duì)數(shù)字和字母的特征提取。“監(jiān)控系統(tǒng)智能機(jī)器人”采用左右輪廓特征的方法對(duì)數(shù)字和字母進(jìn)行初步分類，然后通過(guò)密度特征對(duì)其細(xì)分。該方法的提取模型為

公式（3）

式中：left(t)、right(t)分別為字符圖像第i行最左側(cè)與最右側(cè)邊界點(diǎn)的位置；l_border、r_border分別為字符圖像左、右兩側(cè)的邊界。因此，可以將數(shù)字和字母掃描取樣后，計(jì)算得到字符特征。

2）數(shù)字和字母的特征匹配。“監(jiān)控系統(tǒng)智能機(jī)器人”的數(shù)據(jù)庫(kù)已為每一個(gè)字符建立了一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)模板，識(shí)別數(shù)字和字符后僅需對(duì)其逐個(gè)比較，根據(jù)相似度來(lái)決定待識(shí)別字符的信息即可。本系統(tǒng)采用歐式距離法，其基本原理為

公式（4）

式中：x、y分別為不同信息序列；d(x, y)為x和y之間的距離。

2.3 特征信息的匹配技術(shù)

完成識(shí)別關(guān)鍵字母和字符后，應(yīng)對(duì)其所傳遞的關(guān)鍵信息進(jìn)行“翻譯”，以便直流換流站運(yùn)行人員能夠理解其真實(shí)信息。本系統(tǒng)中采用提取信息與故障數(shù)據(jù)庫(kù)信息匹配的方式，通過(guò)關(guān)聯(lián)模型將兩者的因果關(guān)系按照大概率事件的模式展現(xiàn)出來(lái)。

其中，事件知識(shí)模型是從對(duì)象庫(kù)中提取信息，將知識(shí)庫(kù)中已經(jīng)存儲(chǔ)的各種可能的事件與“監(jiān)控系統(tǒng)智能機(jī)器人”識(shí)別的信息按照因果關(guān)系表示出來(lái)。基于因果關(guān)系的故障信息匹配技術(shù)流程如圖5所示。

圖5 基于因果關(guān)系的故障信息匹配技術(shù)流程圖

3 監(jiān)控系統(tǒng)智能機(jī)器人的運(yùn)行流程

監(jiān)控系統(tǒng)智能機(jī)器人的總程序流程如圖6所示。其中，由圖2所示的“控制硬件系統(tǒng)”完成采集故障圖片，并在上位機(jī)中接受該信息，然后完成故障圖像處理及關(guān)鍵字符提取。

值得注意的是：①所采集的故障圖片經(jīng)過(guò)關(guān)鍵字符提取后可能出現(xiàn)重復(fù)現(xiàn)象，因此必須進(jìn)行檢測(cè)重復(fù)判斷，若存在重復(fù)，則繼續(xù)采集圖片，否則保存并編碼；②將提取關(guān)鍵信息與系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)中已有知識(shí)相匹配，并對(duì)故障類別作出判斷；③給出數(shù)據(jù)庫(kù)中已有的決策方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)故障信息的智能采集與智能決策。

圖6 總程序流程圖

4 案例分析

以某特高壓直流換流站內(nèi)運(yùn)行人員模擬系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性測(cè)試。通過(guò)“監(jiān)控系統(tǒng)智能機(jī)器人”捕捉圖片并處理后的數(shù)據(jù)信息見(jiàn)表1。提取故障日期和時(shí)間、事件點(diǎn)組、事件記錄等信息，依據(jù)“AC Yard；WA.Z1.Q2 SF6 Pressure Faulty 1”及“AC Yard；WA.Z1.Q2 SF6 Pressure Faulty 2”等信息進(jìn)行檢索，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)中已有故障典型案例。最后，翻譯發(fā)送事件報(bào)文“5612開(kāi)關(guān)SF6壓力等級(jí)1、2報(bào)警。”

表1 事件描述信息重新構(gòu)建

5 結(jié)論

本文提出了一種直流換流站監(jiān)控系統(tǒng)智能機(jī)器人的設(shè)計(jì)方法，提出了機(jī)械手臂設(shè)計(jì)、智能定位和智能識(shí)別等關(guān)鍵技術(shù)，并介紹了系統(tǒng)的具體工作流程。相關(guān)研究成果適用于直流換流站內(nèi)的“運(yùn)維人員工作站”監(jiān)控自動(dòng)化程度的提升，特別對(duì)“少人值守、運(yùn)維一體化”的換流站十分適用。

同時(shí)，本文提出的數(shù)據(jù)采集分析算法及圖像模糊識(shí)別技術(shù)，具有良好的推廣價(jià)值，能夠應(yīng)用于機(jī)器人、城市交通信號(hào)識(shí)別和智能家居等多個(gè)領(lǐng)域。今后將繼續(xù)對(duì)軟件系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，并對(duì)工程應(yīng)用展開(kāi)深入研究。