淺析水輪發(fā)電機風洞智能感知巡檢系統(tǒng)

宋訓(xùn)利，朱 保,王 新

（雅礱江流域水電開發(fā)有限公司，四川 成都 610051）

0 前言

2015年國家發(fā)改委、能源局發(fā)布《關(guān)于促進智能電網(wǎng)發(fā)展的指導(dǎo)意見》，短短幾年時間，智能電網(wǎng)在我國高速發(fā)展。作為智能電網(wǎng)建設(shè)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，智能巡檢系統(tǒng)的建設(shè)同樣也迎來了發(fā)展機遇期。目前智能巡檢主要應(yīng)用于變電站以及輸電線路，主要采用機器人代替人工巡檢的方式。機器人巡檢在視覺處理、距離測量、數(shù)據(jù)記錄存儲、傳輸?shù)确矫婢哂酗@著優(yōu)勢，能夠依托自身的技術(shù)特點替代人工完成大量工作，采用替代人工進行電力巡檢作業(yè)[1]。

除了電網(wǎng)智能化，電力行業(yè)同樣開啟了智能水電站建設(shè)的新征程。智能水電站的建設(shè)涉及方方面面，既涉及電力生產(chǎn)設(shè)備，也涉及管理，同時也涉及電力生產(chǎn)服務(wù)的輔助系統(tǒng)。水電站由于環(huán)境復(fù)雜，當前國內(nèi)外智能巡檢系統(tǒng)均處于理論研究階段，應(yīng)用實例不多。發(fā)電機風洞歷來是水電站巡檢的重點區(qū)域，設(shè)備類型多，運行風險高，是事故隱患的高發(fā)區(qū)域，極易發(fā)生漏水、漏油、冒煙、異常發(fā)熱、異味、甚至起火等事件；此外發(fā)電機風洞內(nèi)設(shè)備布置緊湊，過道狹窄且崎嶇不平，人員頻繁進入風洞檢查不僅容易發(fā)生絆倒、磕碰傷害，還容易因絆倒誤碰設(shè)備引發(fā)設(shè)備誤動、人員觸電風險。本文選取發(fā)電機風洞為背景，以智能元素探索研究全天候感知發(fā)電機風洞智能巡檢，為水電站智能化提供思路。

1 發(fā)電機風洞巡檢現(xiàn)狀

為保證發(fā)電廠機組的安全穩(wěn)定運行，日常巡檢是必不可少的項目，水輪發(fā)電機風洞是重要的巡檢部位。發(fā)電機風洞內(nèi)設(shè)備主要為發(fā)電機及其附屬設(shè)備，設(shè)備種類繁多，結(jié)構(gòu)類型復(fù)雜，噪音大，工頻電磁場輻射強，對巡檢人員責任心要求高，人工巡檢不僅費時費力，還威脅巡檢人員身體健康。且當前水電站風洞巡檢內(nèi)容較多，如表1所示。

由于巡檢內(nèi)容多，風洞內(nèi)設(shè)備繁雜無序，因此水電站發(fā)電機風洞巡檢作業(yè)涉及較多風險因素和管理問題，主要包括：

（1）當前國內(nèi)水電站的風洞主要采用人工巡檢，由于巡檢時間和次數(shù)的限制，無法保證在設(shè)備出現(xiàn)異常時第一時間發(fā)現(xiàn)和處理，滿足不了實時監(jiān)控、實時預(yù)警的要求。

（2）由于現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，噪音大，設(shè)備設(shè)施多，油、水管道交織，依靠定期人工巡檢，一些異常現(xiàn)象仍有可能被疏漏，無法被有效發(fā)現(xiàn)，例如油、水等液體跑冒滴漏、放電、局部發(fā)熱、異音、異味和絕緣損壞。

（3）風洞內(nèi)空間狹窄，地面有孔洞、油污，巡檢人員勞動強度大，面臨高溫、電磁輻射、碰撞等風險。

（4）人工巡檢記錄，通常采用打點記錄或紙質(zhì)記錄的方式，滿足不了現(xiàn)場巡檢數(shù)據(jù)的實時無間斷傳達要求。

總體而言，發(fā)電機風洞巡檢涉及的風險因素和管理問題主要包括問題發(fā)現(xiàn)滯后、人員勞動強度大，不能實時傳達異常情況，人工巡檢不能保證所有設(shè)備巡檢到位，所有異常現(xiàn)象均能發(fā)現(xiàn)。

表1 人工巡檢一覽表

2 功能需求分析

水電站風洞智能巡檢系統(tǒng)應(yīng)具備全天候24 h實時巡檢功能，提前發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常，及時發(fā)出報警信號，綜合給出建議，提升機組運行可靠性和機組等效可利用系數(shù)，降低機組非計劃停運率。水電站風洞智能巡檢系統(tǒng)應(yīng)具備以下功能。

2.1 液體“跑、冒、滴、漏”識別

發(fā)電機風洞內(nèi)布置了許多油、水管路，因此發(fā)電機風洞智能巡檢系統(tǒng)應(yīng)具備液體“跑、冒、滴、漏”識別能力。

2.2 發(fā)電機部件異常發(fā)熱識別

發(fā)電機風洞智能巡檢系統(tǒng)應(yīng)能對一次設(shè)備關(guān)鍵部位全天候測溫，進行數(shù)據(jù)保存與后臺趨勢分析，為故障判斷預(yù)測提供幫助。

2.3 局放監(jiān)測

發(fā)電機風洞智能巡檢系統(tǒng)應(yīng)能全天候檢測到風洞內(nèi)電氣設(shè)備局部放電情況，對異常狀態(tài)立即進行報警，提示檢修人員到現(xiàn)場進行維護。

2.4 異味監(jiān)測

發(fā)電機風洞密閉的環(huán)境，異味往往表現(xiàn)在：

（1）電氣設(shè)備或電纜絕緣破壞后發(fā)熱燒損引起的異常焦糊味；

（2）油槽異常滲油的異常油味。

因此，發(fā)電機風洞智能巡檢系統(tǒng)應(yīng)具備識別焦糊味和異常油味等功能。

2.5 異音監(jiān)測

發(fā)電機風洞內(nèi)的異音主要表現(xiàn)在：

（1）機組的異常振動，發(fā)電機轉(zhuǎn)子與定子等部件間的刮擦；

（2）風洞內(nèi)油泵電機的異常運行聲音等，如高壓油泵、推力外循環(huán)油泵等；

（3）發(fā)電機故障或異常運行時發(fā)出的異常電磁聲。

因此，發(fā)電機智能巡檢系統(tǒng)應(yīng)具備異音監(jiān)測的功能。

2.6 煙霧監(jiān)測

發(fā)電機風洞內(nèi)如發(fā)生著火或者線路絕緣皮燒損，則可能產(chǎn)生煙霧。因此發(fā)電機風洞智能巡檢系統(tǒng)應(yīng)具備煙霧監(jiān)測報警功能。

2.7 閥門、儀表狀態(tài)識別

發(fā)電機風洞內(nèi)布置了眾多閥門以及儀表。因此發(fā)電機風洞智能巡檢系統(tǒng)應(yīng)具備閥門、儀表狀態(tài)識別能力。

3 風洞智能巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)淺析

在智能電網(wǎng)建設(shè)探索的道路上，大部分采用機器人智能元素代替人工巡檢，并第一時間將巡檢采集信息傳輸至后臺管理系統(tǒng)存儲并供運行人員分析實驗。但對樓層多、設(shè)備高低不一、可視化參差不齊、空間有限等特點的水電站發(fā)電機風洞而言，機器人巡檢的應(yīng)用存在一定的局限性。它僅能代替人的勞動和確保信息的及時性，它的工作具有間斷性，存在時間死區(qū)，不能實現(xiàn)全天候?qū)崟r感知設(shè)備和環(huán)境的變化，更不能第一時間發(fā)現(xiàn)設(shè)備和環(huán)境發(fā)生的變化，時效性差。對電力生產(chǎn)來說，控制事故發(fā)生的關(guān)鍵是及時發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象，及時有效處置，防止異常發(fā)展演變成事故。因此智能巡檢機器人不適用于風洞智能巡檢系統(tǒng)。

隨著攝像機技術(shù)的發(fā)展，當前專業(yè)攝像機已將傳感技術(shù)、紅外熱成像技術(shù)、移動感知技術(shù)等高新技術(shù)高度集成，并且這類專業(yè)攝像機已經(jīng)充分應(yīng)用到工業(yè)電視領(lǐng)域。同時，工業(yè)電視具備全天候?qū)崟r感知功能更符合水電站發(fā)電機風洞運行要求，符合其特殊的環(huán)境。

基于此，水電站風洞智能巡檢系統(tǒng)信息采集宜采用由布置在上下風洞的多個固定高清攝像頭、紅外攝像機、環(huán)境傳感器單元組成的終端信息采集系統(tǒng)。再加上通信單元，集中控制中心，智能決策系統(tǒng)以及終端計算機共同組成風洞智能巡檢系統(tǒng)。

圖1 智能巡檢系統(tǒng)圖

3.1 終端信息采集系統(tǒng)

本系統(tǒng)主要包括可見光高清防抖攝像頭、紅外攝像機、煙感探頭、聲學識別傳感器、MEMS氣味傳感器等數(shù)據(jù)采集裝置，布置在上下風洞內(nèi)部，負責收集風洞內(nèi)各項數(shù)據(jù)指標以及信號，包括視頻、音頻、煙霧、溫度等。

3.2 集中控制中心和智能決策系統(tǒng)

集中控制中心和智能決策系統(tǒng)布置在云服務(wù)器內(nèi)，集中控制中心主要負責將終端信息采集系統(tǒng)的圖像視頻、溫度信號、聲音信號、氣體信號進行收集存儲和預(yù)處理分析，根據(jù)設(shè)定的閾值實現(xiàn)預(yù)報警。智能決策系統(tǒng)，集合智能AI視覺、聽覺、觸覺、嗅覺識別系統(tǒng)，實現(xiàn)“跑、冒、滴、漏”、火花、放電、異音、異常發(fā)熱、異味缺陷識別，綜合判斷，發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷規(guī)律，提前判斷設(shè)備異常狀態(tài)，將分析結(jié)果通過無線通信方式傳送至終端計算機[2]。

另外，可設(shè)置手動和自動兩種模式，在手動模式下，需手動關(guān)閉發(fā)電機風洞照明系統(tǒng)，通過圖像視頻拍攝，捕捉火花、放電等異常現(xiàn)象，相應(yīng)保護裝置和消防裝置動作均需手動確認，確保保護和消防裝置動作的正確性。在自動模式時，能定期關(guān)閉發(fā)電機風洞照明系統(tǒng)，通過圖像視頻拍攝，捕捉火花、放電等異?，F(xiàn)象，相應(yīng)的保護裝置和消防裝置均直接動作，有利于限制事故的發(fā)展。

3.3 終端計算機

終端計算機布置在中控室，同時還應(yīng)顯示在第三方平臺監(jiān)控系統(tǒng)簡報窗口中，智能決策系統(tǒng)和集中控制中心將處理結(jié)果上送至終端計算機，終端計算機上能實時顯示巡檢結(jié)果報警信息。此外，在終端計算機上還可完成風洞設(shè)備巡檢數(shù)據(jù)的趨勢分析，自動形成報表導(dǎo)出。

3.4 通信單元

各傳感器通過局域網(wǎng)連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)、校驗、解析。

圖2 智能巡檢系統(tǒng)硬件拓撲圖

4 關(guān)鍵技術(shù)要點

4.1 圖像智能識別技術(shù)

發(fā)電機風洞智能巡檢系統(tǒng)搭載高清可見光攝像頭，對運行設(shè)備進行實時拍攝監(jiān)視，利用圖像模式識別技術(shù)，通過拍攝照片，經(jīng)過處理完成設(shè)備運行狀態(tài)的初步識別與判斷。當前可實現(xiàn)的主要識別類型包括：表計讀數(shù)、指示燈狀態(tài)、閥門機械指示位置等[3]。

4.2 視頻智能識別技術(shù)

視頻智能識別技術(shù)主要用來檢測設(shè)備、傳輸管道和閥門故障，如管道或閥門液體泄漏，以及局部放電[4]、現(xiàn)場明火等異常事件。與圖像智能識別技術(shù)不同，視頻智能識別技術(shù)在設(shè)備運行的一段時間內(nèi)，通過設(shè)備產(chǎn)生的一系列變化，來判別是否發(fā)生故障。

圖像智能識別技術(shù)主要通過單張圖像判斷是否發(fā)生故障，判據(jù)較為單一，可能存在偶然情況，因此可能出現(xiàn)漏報誤報。視頻數(shù)據(jù)智能識別的優(yōu)勢在于其判別依據(jù)中加入了時間維度，通過對比設(shè)備的狀態(tài)變化，達到實時監(jiān)測設(shè)備的目的。

該技術(shù)采用可旋轉(zhuǎn)可見光攝像頭采集設(shè)備運行狀態(tài)視頻，進行兩級處理。信息采集系統(tǒng)采集到設(shè)備的視頻數(shù)據(jù)后，對數(shù)據(jù)進行一系列濾波處理，濾除大部分無關(guān)視頻。隨后對連續(xù)視頻序列圖像數(shù)據(jù)幀與背景圖像進行幀差圖像比對，當通過設(shè)定適當?shù)拈撝礣H，得到閾值分割圖像[5]。如式（1）：

當差分結(jié)果大于閾值時，則判定為異常狀態(tài)；當差分結(jié)果小于閾值時，則判定為正常狀態(tài)。同時將一定時間內(nèi)的視頻數(shù)據(jù)幀重新定義為背景視頻，如此往復(fù)進行。具體數(shù)據(jù)處理流程如圖3所示。

圖3 視頻智能識別技術(shù)原理圖

此外，還可采集7×24 h以上的正常工作現(xiàn)場視頻數(shù)據(jù)，用于AI監(jiān)測模型的訓(xùn)練，分類識別，建立特征量，構(gòu)建AI監(jiān)測模型,實現(xiàn)多種異常事件的同步、精確檢測和識別[6]，提高智能化識別水平。視頻識別技術(shù)用于局部放電缺陷識別時，此時應(yīng)在發(fā)電機風洞照明系統(tǒng)關(guān)閉的情況下獲取視頻數(shù)據(jù)，進行智能識別。

4.3 紅外熱成像技術(shù)

紅外圖像溫度識別技術(shù)目前已較為成熟，其原理為通過物體的紅外輻射強度實現(xiàn)對設(shè)備的測溫。智能巡檢系統(tǒng)搭載紅外攝像機，拍攝電氣設(shè)備的紅外圖像，自動獲取設(shè)備實時溫度，進行智能AI分析識別，實現(xiàn)風洞內(nèi)有關(guān)電氣設(shè)備的溫度報警和趨勢分析[6]。

4.4 異味智能識別技術(shù)

長期運行的電氣設(shè)備因為元件老化故障或短路過載造成電氣元件不正常，散發(fā)焦糊味甚至燃燒損毀，而這些焦糊味道的來源主要是絕緣橡膠塑料、線圈繞組的絕緣漆等物質(zhì)在高溫下分解出的烴類及苯類的混合氣體。系統(tǒng)可搭載MEMS陣列氣體傳感器，通過信號采集處理電路，將氣體及濃度信息轉(zhuǎn)化為電信號，利用智能AI嗅覺算法，分析確定氣味的類別。

4.5 異音智能識別技術(shù)

異音智能識別技術(shù)收集正常機組在不同工況下的各設(shè)備音頻，進行機器學習和集中訓(xùn)練，得到機組正常工況下的音頻標準庫。機組實際運行中，通過嵌入式聲學識別傳感器實時捕捉設(shè)備音頻，根據(jù)音頻標準庫進行模式識別，同時還可以根據(jù)實際需要實現(xiàn)聲音重現(xiàn)。當識別的聲音特征與標準庫音頻不一致時，將視作異常聲音，發(fā)出報警，提醒運行人員現(xiàn)地檢查確認[7]。

5 不足

5.1 智能巡檢系統(tǒng)誤報率高

當前水電站智能巡檢系統(tǒng)實際應(yīng)用案例較少，應(yīng)用過程中存在誤報率高的問題，主要采用提高報警閾值和縮小視頻識別區(qū)域的辦法。

但提高報警閾值意味著降低系統(tǒng)靈敏度，可能導(dǎo)致現(xiàn)場實際有故障但無報警的情況出現(xiàn)，存在降低了系統(tǒng)的準確度的風險。

5.2 部分功能有待完善

在異味識別方面，當前市面上的氣味傳感器應(yīng)用不成熟，往往多實現(xiàn)單一有毒有害氣體的監(jiān)測功能，主要用于環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，無法通過多種氣體組合準確判斷現(xiàn)場的異味類別。

此外異音識別技術(shù)有待提高，目前無統(tǒng)一的量化標準和研究方法，尤其是在風洞、水車室等環(huán)境噪聲很強的場景下提取關(guān)鍵特征微弱信號準確性有待提高，同時加之缺乏海量有效的音頻特征庫，造成廠家公布的測試結(jié)果識別率很高，實際使用不理想的情況。

5.3 系統(tǒng)智能水平不高

當前智能巡檢系統(tǒng)僅能通過單一的判據(jù)進行異常報警，無法綜合現(xiàn)場實際運行環(huán)境，由多組判據(jù)組合給出正確地隔離故障的建議，也不適用于直接出口使相應(yīng)的保護裝置動作，智能化水平不高。

5.4 行業(yè)標準尚未建立

目前水電站智能巡檢系統(tǒng)尚處于試驗摸索階段，未建立成熟的行業(yè)標準，認證體系欠缺，推廣性不足。

6 總結(jié)

本文選取水電站典型的應(yīng)用環(huán)境發(fā)電機風洞進行現(xiàn)狀研究，闡述目前人工巡檢的不足之處，并對比當前應(yīng)用較多的智能巡檢機器人，針對水電站發(fā)電機風洞特殊環(huán)境，提出了基于高清攝像頭、紅外攝像機等智能檢測設(shè)備的全天候智能感知巡檢系統(tǒng)的構(gòu)想。該智能巡檢系統(tǒng)能提高巡檢質(zhì)量、降低巡檢人員安全風險以及精簡人員，推動水電站“無人值守”落地，為水電站智能化建設(shè)提供參考。