基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)的特高壓換流變自動巡檢技術(shù)研究及應(yīng)用

毛志平，武劍利，葉天舒，黎志，羅凌

(國網(wǎng)湖南省電力有限公司檢修公司，湖南長沙410004)

國家電網(wǎng)有限公司明確提出 “三型兩網(wǎng)、世界一流”戰(zhàn)略目標(biāo)，要求建設(shè)運營好以特高壓為骨干網(wǎng)架、各級電網(wǎng)協(xié)調(diào)發(fā)展的堅強智能電網(wǎng)，打造狀態(tài)全面感知、信息高效處理、應(yīng)用便捷靈活的泛在電力物聯(lián)網(wǎng)，二者相輔相成、融合發(fā)展，共同構(gòu)成能源流、業(yè)務(wù)流、數(shù)據(jù)流 “三流合一”的能源互聯(lián)網(wǎng)[1-2]。隨著特高壓直流網(wǎng)架建設(shè)規(guī)模大幅增長，新設(shè)備、新技術(shù)大量應(yīng)用對設(shè)備狀態(tài)管控能力提出了更高的要求，當(dāng)前換流站運維工作在設(shè)備、環(huán)境和人員的狀態(tài)管控方面還缺乏更有效的手段，亟需以智能化為方向，推動現(xiàn)代信息通信技術(shù)、設(shè)備狀態(tài)檢測技術(shù)與傳統(tǒng)運檢業(yè)務(wù)的融合，加快智能運檢體系建設(shè)，引領(lǐng)適應(yīng)智能電網(wǎng)快速發(fā)展的運檢管理和技術(shù)變革。

近年來，特高壓變壓器火災(zāi)、爆炸等故障頻發(fā)，如2018年4月，某特高壓換流站換流變網(wǎng)側(cè)套管運行中突然爆炸，2019年1月某±1 100 kV特高壓換流站換流變因分接開關(guān)引發(fā)設(shè)備著火，2019年11月某1 000 kV特高壓變電站內(nèi)1 000 kV特高壓變壓器輕瓦斯報警約20 min后發(fā)生爆炸。上述火災(zāi)爆炸事故均無前期征兆，給現(xiàn)場巡視人員帶來極大風(fēng)險，研究如何利用現(xiàn)代先進傳感技術(shù)、信息傳輸技術(shù)實現(xiàn)換流變設(shè)備全面自動巡檢，替代人員現(xiàn)場巡視，是十分有必要的。本文提出了一種基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)框架下的特高壓換流變自動巡檢技術(shù)，通過前端無死角設(shè)備布置和數(shù)據(jù)采集、后臺大數(shù)據(jù)分析和專家診斷，智能化實現(xiàn)現(xiàn)場巡視的全替代，并為全數(shù)字換流站建設(shè)提供必要的技術(shù)支撐。

1 建設(shè)原則

基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)建設(shè)框架，通過在換流變區(qū)域布置適量的前端采集終端，以構(gòu)建大容量骨干有線傳輸網(wǎng)和無線傳輸網(wǎng)為支撐[3-4]，以精細化三維圖像引擎搭建的三維可視化全景模型為抓手，將換流變實時運行數(shù)據(jù)、現(xiàn)場音頻視頻及消防感知等信息全維度聯(lián)通，實現(xiàn)換流變區(qū)域信息全景交互、人工巡檢智能替代、作業(yè)人員全程管控、風(fēng)險隱患自動預(yù)警、指揮決策精準(zhǔn)高效，進一步提升換流站設(shè)備、人員管控水平[7-9]。主體功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 換流變自動巡檢系統(tǒng)主體功能結(jié)構(gòu)

2 特高壓換流變基本情況

某特高壓換流站共有28臺換流變壓器，每極12臺，備用4臺。2018年至今系統(tǒng)換流站、特高壓變電站變壓器發(fā)生多起故障，對人身安全造成一定威脅。目前，特高壓換流站站換流變BOX-IN內(nèi)僅布置1—3臺普通的高清攝像機用以觀察換流變本體有無異常。換流變本體及其附屬設(shè)備多，需巡視觀測的點位眾多，抄錄巡視的數(shù)據(jù)類型繁雜，運維人員定期巡視換流變設(shè)備過程中，需長期滯留在換流變區(qū)域，一旦運行中的換流變套管、分接開關(guān)發(fā)生事故時，將嚴(yán)重威脅現(xiàn)場運維人員人身安全[10]。

3 建設(shè)方案

3.1 前端采集終端配置

3.1.1 換流變BOX-IN內(nèi)高清攝像機配置

如圖2所示，每臺換流變BOX-IN內(nèi)設(shè)置4臺高清攝像機、2臺雙視紅外攝像機 (編為2—7號攝像機)，實現(xiàn)換流變整體及所有元器件外觀監(jiān)測，運行狀態(tài)及有關(guān)表計數(shù)據(jù)的實時監(jiān)測，監(jiān)測有無滲漏油現(xiàn)象、各部件的接地情況等。

圖2 BOX-IN內(nèi)高清攝像機典型安裝位置

3.1.2 閥廳挑檐下方紅外測溫攝像機配置

每3臺換流變設(shè)置紅外高清攝像機1臺 (編號為1號)，安裝在換流變側(cè)閥廳挑檐下方，對換流變頂部、導(dǎo)線、套管、升高座、接頭等各部位進行紅外測溫。典型安裝位置及效果如圖3所示。

圖3 紅外測溫攝像機典型安裝位置及效果

3.1.3 換流變區(qū)域拾音器配置

每臺換流變2號、5號攝像機下各配置1臺拾音器。通過實時聲音收聽及歷史錄音回放，運維人員可全面監(jiān)視設(shè)備運行狀況。拾音器典型安裝位置如圖4所示。

圖4 拾音器典型安裝位置

3.1.4 換流變冷控柜、TEC柜內(nèi)攝像機配置

如圖5所示，在換流變冷控柜、TEC柜內(nèi)共設(shè)置3臺針孔高清攝像機 (編號為8—10)，2臺微型雙視紅外攝相機 (編為11—12)，將冷控柜、TEC柜分為3個巡視大區(qū)。2個紅外巡視點，監(jiān)測柜內(nèi)交流電源、各空開分合位、切換把手位置、各端子排、柜內(nèi)凝露、封堵等情況，對柜內(nèi)交流電源總空開、關(guān)鍵繼電器進行溫度狀態(tài)監(jiān)測。

圖5 換流變冷控柜、TEC柜攝像機典型安裝位置及效果

3.1.5 移動式高清攝像機

配置1臺高清攝像機，利用4G網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，可采用電池、太陽能、外接電源供電，用于臨時作業(yè)現(xiàn)場、重點設(shè)備、重點區(qū)域的實時監(jiān)控[11]。

3.2 組網(wǎng)方式

融合多種組網(wǎng)方式實現(xiàn)前端采集設(shè)備聯(lián)網(wǎng)(如圖6所示)。巡檢機器人采用系統(tǒng)自帶無線加密模塊通過無線網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)傳輸至安全接入模塊，再通過有線網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控中心；攝像機均采用大容量高速光纖網(wǎng)絡(luò)傳輸[12-13]；運行人員工作站 (OWS)和一體化監(jiān)測平臺數(shù)據(jù)使用正向隔離裝置，通過光纖單向接入該系統(tǒng)，系統(tǒng)所采集的圖像、聲音及識別數(shù)據(jù)均能存儲90天以上[14]。

圖6 換流變自動巡檢系統(tǒng)組網(wǎng)方式

3.3 系統(tǒng)功能組成

3.3.1 全面監(jiān)視功能

通過紅外雙光譜熱像檢測儀、多光譜監(jiān)測儀、高清攝像機、拾音器等設(shè)備位置優(yōu)化和搭配，達到全覆蓋人工巡視范圍，實現(xiàn)巡視要點和要求完全滿足巡檢規(guī)范[15-16]。

3.3.2 自動巡檢功能

1)定期全覆蓋智能巡檢:在幾分鐘內(nèi)系統(tǒng)按照要點對全部換流變區(qū)域進行全面巡視。

2)日常智能漫巡:在無巡檢任務(wù)時，對全站設(shè)備實現(xiàn)全覆蓋的實時監(jiān)測，當(dāng)監(jiān)測到異常時觸發(fā)相應(yīng)前端設(shè)備而進行定點監(jiān)測。

3)快速定制分類、分區(qū)巡檢任務(wù):根據(jù)運行人員需求快速地生成定期巡檢任務(wù)和臨時巡檢任務(wù)。

4)人工AR遠程巡檢:采用圖像智能感知，運用無線傳輸技術(shù)，基于三維可視化技術(shù)和增強現(xiàn)實技術(shù) (AR)，實現(xiàn)運檢人員無需到現(xiàn)場進行AR遠程智能巡檢[17]。

3.3.3 圖像智能識別功能

自動判斷換流變本體、套管升高座、分接開關(guān)、閥/網(wǎng)側(cè)套管、換流變連接金具是否存在過熱缺陷[18]。實現(xiàn)設(shè)備溫度、呼吸器運行狀態(tài)、本體及網(wǎng)側(cè)高壓套管油位和油溫等數(shù)據(jù)采集，并與模擬量信號比對分析。自動存儲換流變運行聲音并進行可視化判斷。同時，還可以對換流變區(qū)域人員運行中闖入識別、檢修時人員的行為進行安全管控，如未戴安全帽、未穿工作服等違章行為進行判斷。發(fā)生異常時均可通過聲光提醒運行人員，并在后臺彈出相應(yīng)畫面。

3.3.4 視頻拼接融合功能

利用多路視頻流匯集融合，將處在不同位置的分鏡頭視頻拼接到一起，實現(xiàn)空間和時間結(jié)合，建立圖像在現(xiàn)實空間的感知能力，達到身臨其境的直觀監(jiān)控視角，使換流變區(qū)域空間位置一目了然，具備跨視頻無死角追蹤、VR全局總覽功能。靈活調(diào)用現(xiàn)場任意固定和移動攝像終端，并通過圖形界面和現(xiàn)場相關(guān)視頻、音頻、數(shù)據(jù)全面聯(lián)動，構(gòu)建可廣域監(jiān)控全局的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

3.3.5 故障預(yù)警功能

前端設(shè)備采集數(shù)據(jù)后，系統(tǒng)自動分析判斷，根據(jù)缺陷庫迅速分析出故障類別，準(zhǔn)確定位故障位置，自動鎖定目標(biāo)，在后臺三維圖形中以部件“閃爍”的形式實現(xiàn)故障的可視化告警，并以語音播報方式進行提醒，便于運維人員快速了解告警信息，準(zhǔn)確標(biāo)識故障位置，加快故障處理速度。

3.3.6 系統(tǒng)擴展功能

系統(tǒng)具備預(yù)留接口擴展功能，將來可接入相關(guān)智能管控系統(tǒng)。在完成相關(guān)網(wǎng)絡(luò)安全建設(shè)后，支持遠方WEB訪問，遠方專家可直接同步現(xiàn)場音視頻及數(shù)據(jù)，與現(xiàn)場聯(lián)合開展故障分析診斷，實現(xiàn)智力資源共享，為后續(xù)建立全數(shù)字換流站平臺搭建基礎(chǔ)。

4 應(yīng)用效果

2019年11月20日21時3分，某換流站全自動巡檢系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)極Ⅱ高端YY-A相換流變頂層油溫表的溫包處出現(xiàn)漏油并及時報警通知運行人員。運行人員通過人工VR巡視證實為溫包鼓脹產(chǎn)生裂紋造成滲漏油，后經(jīng)及時處理，缺陷消除。

2019年12月1日24時10分17秒，換流變自動巡檢系統(tǒng)發(fā)出極Ⅱ高端換流變角接C相漏油報警，運行人員通過人工VR巡視進行核實，漏油點為為濾油機回油管卡扣漏油，后經(jīng)及時處理，缺陷消除。

2019年12月5日15時31分28秒，換流變自動巡檢系統(tǒng)接收到在線油色譜數(shù)據(jù)，自行分析極Ⅱ低端換流變YYC相總烴含量3個月內(nèi)增長了30 mg/mL，并自動調(diào)用多光譜測溫對該臺換流變進行實時監(jiān)視，并通過聲光通知運行人員。

5 結(jié)語

基于泛在電力物聯(lián)網(wǎng)框架下的特高壓換流變自動巡視技術(shù)的應(yīng)用可全面替代現(xiàn)場人工巡視，無需人員進入現(xiàn)場開展巡視工作，有效防范人身傷害風(fēng)險，系統(tǒng)按設(shè)定周期或設(shè)定任務(wù)開展巡檢工作，極大提升巡檢效率，并杜絕運維人員主觀判斷等對巡視結(jié)果的影響，全部巡檢內(nèi)容有照片、數(shù)據(jù)佐證，有跡可循，巡視結(jié)果科學(xué)客觀。當(dāng)前特高壓換流變自動巡檢技術(shù)，可從優(yōu)化高清攝像機配置、增加紅外監(jiān)測、采用圖像智能識別、視頻拼接融合等方面深化應(yīng)用，不斷完善系統(tǒng)功能。