變壓器、斷路器等電力設(shè)備在運行時產(chǎn)生的聲學(xué)和振動信號包含大量的狀態(tài)信息，且像人的指紋一樣具有辨識特征。設(shè)備產(chǎn)生缺陷或發(fā)生故障后，其聲紋會隨之改變。準(zhǔn)確識別聲紋信息，有助于運維人員診斷設(shè)備缺陷，鎖定故障原因。
12月8日，在±1100千伏古泉換流站主控室內(nèi)，運維人員高懷正登錄聲學(xué)指紋智能識別系統(tǒng)（以下簡稱“聲紋智能識別系統(tǒng)”），為站內(nèi)設(shè)備“聽診把脈”。系統(tǒng)將采集到的異常聲紋上傳至中國電力科學(xué)研究院有限公司組織建立的聲紋數(shù)據(jù)中心。這些異常聲紋數(shù)據(jù)可以支撐聲紋智能識別系統(tǒng)持續(xù)優(yōu)化，促進聲紋識別技術(shù)不斷升級，提升設(shè)備運維管控水平。
2018年，在國網(wǎng)設(shè)備部指導(dǎo)下，中國電科院牽頭，與安徽電科院、國網(wǎng)信通產(chǎn)業(yè)集團、南瑞繼遠(yuǎn)電網(wǎng)等共10家單位組建起研發(fā)團隊，開展聲紋識別技術(shù)研究。團隊經(jīng)過多年攻關(guān)，研發(fā)了聲紋在線監(jiān)測裝置及智能識別系統(tǒng)，打造了云邊端協(xié)同巡檢模式，實現(xiàn)了電力設(shè)備狀態(tài)實時監(jiān)測和故障快速診斷。目前，該技術(shù)已在浙江、安徽、福建、陜西等地的18座變電站、換流站試點應(yīng)用。
研發(fā)在線監(jiān)測裝置
精準(zhǔn)獲取設(shè)備聲紋
在試點變電站內(nèi)，每一臺變電主設(shè)備都配備了一套聲紋在線監(jiān)測裝置。這些能夠?qū)崟r感知設(shè)備狀態(tài)的智能終端可以替代“人工聽診”，24小時不間斷采集對應(yīng)設(shè)備的聲紋信號。所有裝置都布置在電力設(shè)備附近，與設(shè)備沒有任何電氣連接，所以完全不會影響設(shè)備的正常運行。
以前，少數(shù)有經(jīng)驗的運檢人員可以憑借設(shè)備運行時的聲音判斷其是否出現(xiàn)異常。然而，電網(wǎng)發(fā)展日新月異，隨著電力設(shè)備不斷增多，傳統(tǒng)的“人工聽診”方式遠(yuǎn)不能滿足智能管控的實際需求。2018年，聲紋識別技術(shù)展現(xiàn)出良好的應(yīng)用前景。然而當(dāng)時電力行業(yè)內(nèi)還沒有可供借鑒的成功經(jīng)驗，研發(fā)團隊只能自主研發(fā)。
研發(fā)團隊在采集聲紋樣本的過程中發(fā)現(xiàn)，惡劣天氣及環(huán)境噪聲會嚴(yán)重影響聲紋采集質(zhì)量，甚至損傷傳感器。因此，選擇合適的傳感器、確定合理的布置方式成為研發(fā)團隊的重點攻關(guān)方向。2019年，團隊歷經(jīng)4個多月的時間，先后嘗試了數(shù)碼錄音筆和電容式、壓電式工業(yè)拾音器等多種聲音傳感器，通過上千次的頻率響應(yīng)特性、靈敏度、磁屏蔽試驗，才最終確定了適用于電力設(shè)備監(jiān)測的傳感器技術(shù)參數(shù)。同時，研發(fā)團隊通過深入研究聲紋產(chǎn)生及傳播機理，確定了傳感器最佳安裝位置。
2020年6月，聲紋在線監(jiān)測裝置通過中國合格評定國家認(rèn)可委員會（CNAS）認(rèn)證實驗室的第三方性能測試。測試結(jié)果表明，該裝置能夠經(jīng)受戶外的惡劣天氣以及站內(nèi)的復(fù)雜電磁環(huán)境，對于各頻段信號都有良好的采集效果，可以精確獲取目標(biāo)設(shè)備聲紋。
運用智能識別算法
實現(xiàn)故障快速診斷
10月17日，來自安徽電科院的研發(fā)團隊成員張晨晨對古泉換流站內(nèi)已經(jīng)穩(wěn)定運行兩年多的聲紋智能識別系統(tǒng)進行了新一輪升級。升級后，該系統(tǒng)的聲紋識別準(zhǔn)確率可達90%以上，單次識別最快僅用0.06秒。
時間回溯到2019年2月，研發(fā)團隊在古泉換流站現(xiàn)場收集到了第一條音頻信號。但由于站內(nèi)環(huán)境復(fù)雜，信號里夾雜電暈、風(fēng)機、開關(guān)動作以及鳥鳴、人聲等噪聲，難以提取有效的聲紋特征。當(dāng)年4月，中國電科院、華北電力大學(xué)等單位共同研發(fā)了語音智能識別算法。研發(fā)團隊利用該算法將設(shè)備聲紋與瞬態(tài)、持續(xù)性噪聲進行分離處理，成功去除了各類干擾。
“語音智能識別算法訓(xùn)練最關(guān)鍵的要素是異常樣本。在研發(fā)初期，這些異常狀態(tài)音頻數(shù)據(jù)稀少且難以獲取，給模型驗證及迭代優(yōu)化帶來不小的挑戰(zhàn)。”研發(fā)團隊技術(shù)專家韓帥說。團隊在多個實驗室搭建了缺陷故障模擬平臺，模擬變壓器、有載分接開關(guān)、斷路器的15類缺陷故障，快速獲得有效異常樣本，為算法的優(yōu)化奠定了堅實基礎(chǔ)。
經(jīng)過對算法的持續(xù)優(yōu)化，聲紋智能識別系統(tǒng)實現(xiàn)了對變壓器、斷路器等設(shè)備繞組變形、組部件松動、操動機構(gòu)卡澀等異常工況的實時監(jiān)測與故障診斷，為設(shè)備狀態(tài)在線監(jiān)測與故障診斷提供了有力支撐。
貫通聲紋數(shù)據(jù)渠道
打造云邊端協(xié)同機制
今年10月，聲紋數(shù)據(jù)中心和安徽電科院分中心相繼成立，聲紋數(shù)據(jù)統(tǒng)一管理體系初步形成。11月17日，聲紋數(shù)據(jù)中心成功接收安徽電科院分中心上傳的第一批聲紋在線監(jiān)測數(shù)據(jù)。這標(biāo)志著電力設(shè)備聲紋在線監(jiān)測技術(shù)正式進入云端集中分析、邊緣側(cè)數(shù)據(jù)處理、端側(cè)智能感知的“云邊端”協(xié)同發(fā)力新階段。
終端數(shù)據(jù)通常是統(tǒng)一傳輸?shù)皆破脚_后再統(tǒng)一處理。然而隨著設(shè)備數(shù)量增加，上傳數(shù)據(jù)量直線上升，云平臺的通信和計算壓力過大，存在傳輸成本高、處理不及時等問題。
“要充分利用‘邊’的就地處理能力。我們團隊研發(fā)的聲紋智能識別系統(tǒng)在變電站就可以對數(shù)據(jù)進行篩選和處理，這樣就可以減輕聲紋數(shù)據(jù)中心作為云平臺的壓力?！眮碜試W(wǎng)信通產(chǎn)業(yè)集團的研發(fā)團隊成員王維佳說。變電站聲紋智能識別系統(tǒng)識別出異常聲紋信號并上傳至云端的聲紋數(shù)據(jù)中心，能夠支撐算法模型持續(xù)優(yōu)化迭代。目前，聲紋數(shù)據(jù)中心已積累了總時長約20萬個小時的聲紋數(shù)據(jù)。
聲紋數(shù)據(jù)中心聯(lián)合省側(cè)分中心及試點變電站、換流站，實現(xiàn)模型自動下發(fā)更新，無需人工手動更新，能提高工作效率，打造現(xiàn)場感知層智能替代、業(yè)務(wù)管控層集約高效、指揮決策層精準(zhǔn)穿透的“云、邊、端”一體化場景應(yīng)用體系，推動電網(wǎng)運檢工作方式和生產(chǎn)管理模式的革新。
隨著聲紋識別技術(shù)逐步推廣應(yīng)用，開展電力行業(yè)聲紋在線監(jiān)測裝置的標(biāo)準(zhǔn)化工作迫在眉睫。目前，團隊已完成了適用于電力設(shè)備的聲紋在線監(jiān)測裝置技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)編制。作為牽頭單位，中國電科院正繼續(xù)深化與系統(tǒng)內(nèi)外單位的合作，將推動擴大試點應(yīng)用范圍，形成行業(yè)聲紋監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)聲紋識別技術(shù)在電力設(shè)備智能運維領(lǐng)域的深度應(yīng)用。（中國電科院供圖）
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