特高壓變壓器視頻監(jiān)控智能巡檢系統(tǒng)研究與應(yīng)用

郭 楊，李開拓，陳 昊，李義峰，陳維佳

(1.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司超高壓分公司，江蘇 南京 211102；2.國網(wǎng)江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210019)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，特高壓電網(wǎng)建設(shè)持續(xù)推進(jìn)，截至2023年初，中國已累計(jì)建成投運(yùn)17條交流特高壓輸電線路，共計(jì)32座1 000 kV特高壓變電站。特高壓變電站占地面積大、運(yùn)行維護(hù)要求高、設(shè)備數(shù)量多且體積大，其穩(wěn)定性將直接影響到主電網(wǎng)的安全。目前，絕大多數(shù)特高壓變電站采用GIS設(shè)備，相較于敞開式設(shè)備，GIS設(shè)備穩(wěn)定性更高，受氣象和環(huán)境影響較小，設(shè)備故障和缺陷的發(fā)生率較低。因此，變電運(yùn)維人員的巡視重點(diǎn)主要集中在站內(nèi)敞開式設(shè)備，尤其是特高壓變壓器，不僅體積龐大、巡視點(diǎn)位多，同時(shí)因其內(nèi)部充有大量變壓器油，消防安全風(fēng)險(xiǎn)也比較高。特高壓變電站內(nèi)充油設(shè)備數(shù)量眾多，以華東某1 000 kV特高壓變電站為例，在建成投運(yùn)后，整個(gè)變電站將包含6組特高壓變壓器，共計(jì)18臺(tái)大型充油設(shè)備，其巡視難度和運(yùn)維工作量將大為增加。

視頻監(jiān)控技術(shù)在變電站已應(yīng)用多年，早期作為變電站內(nèi)安全防護(hù)之用，但因其精細(xì)程度不夠，在現(xiàn)場設(shè)備巡視方面尚未大面積應(yīng)用。就視頻監(jiān)控技術(shù)而言，相關(guān)研究基本集中在220 kV及500 kV變電站[1-4]，且監(jiān)控的重點(diǎn)主要集中在匯控箱、保護(hù)屏柜等設(shè)備上[5-6]。文獻(xiàn)[7]介紹了視頻監(jiān)控系統(tǒng)在變電站火災(zāi)報(bào)警、紅外門禁報(bào)警等方面的應(yīng)用；文獻(xiàn)[8]介紹了視頻監(jiān)控在500 kV變電站無人值守、遠(yuǎn)程監(jiān)控方面的研究，但未對(duì)設(shè)備的監(jiān)視效果進(jìn)行詳細(xì)論述；文獻(xiàn)[9]在分析視頻監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架和配置的基礎(chǔ)上，介紹了該系統(tǒng)在變壓器紅外熱成像方面的應(yīng)用，但其功能較為單一。

隨著數(shù)字及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，以數(shù)字視頻服務(wù)器為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用[10-11]。因此，以某1 000 kV特高壓變電站為例，介紹多功能高分辨率攝像監(jiān)控系統(tǒng)在站內(nèi)主變壓器巡檢方面的應(yīng)用，通過合理的點(diǎn)位布設(shè)以及完善的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，實(shí)時(shí)采集視頻監(jiān)控信號(hào)，利用智能巡檢分析系統(tǒng)進(jìn)行比對(duì)和預(yù)警，以提高設(shè)備巡視質(zhì)量和效率，減少人員的巡視工作量，保障運(yùn)維人員巡檢工作的安全。

1 傳統(tǒng)站內(nèi)視頻監(jiān)控存在的問題

傳統(tǒng)的變電站視頻監(jiān)控系統(tǒng)因各種條件的限制，在多年的運(yùn)行過程中暴露出以下問題。

1) 攝像機(jī)安裝數(shù)量不足。由于設(shè)備巡視攝像機(jī)監(jiān)視范圍要求較大，對(duì)于體積龐大的單體設(shè)備，只能監(jiān)視其外觀整體狀態(tài)，而無法監(jiān)視局部關(guān)鍵位置或清晰度不夠。

2) 傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)分辨率較低，夜視功能薄弱。在光線不足的情況下，監(jiān)視畫面較為模糊，很難對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行準(zhǔn)確辨別；在環(huán)境溫度較高、負(fù)荷較重以及設(shè)備有發(fā)熱缺陷的情況下，運(yùn)維人員無法監(jiān)視設(shè)備的發(fā)熱情況，只能依靠人工進(jìn)行紅外測(cè)溫。

3) 對(duì)采集的一次設(shè)備圖像和視頻，缺乏配套的分析系統(tǒng)和數(shù)據(jù)庫，不能進(jìn)行智能分析，導(dǎo)致早期預(yù)警能力不足。

4) 受網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的限制，只能將采集的視頻及圖片存儲(chǔ)到變電站端的硬盤錄像設(shè)備內(nèi)供查詢和調(diào)用，無法上送到遠(yuǎn)端智能運(yùn)檢監(jiān)控中心。

2 特高壓變壓器巡視要求

1 000 kV特高壓變壓器一般采用三相分體結(jié)構(gòu)，主變壓器由主體變和調(diào)壓補(bǔ)償變兩部分組成，兩者相互獨(dú)立，油路互不聯(lián)通，通過各自套管上的導(dǎo)線實(shí)現(xiàn)電氣連接。變壓器器身主要設(shè)備包括本體油箱、油枕、壓力釋放閥、瓦斯繼電器、油溫表和各電壓等級(jí)出線套管[12-14]，日常巡視重點(diǎn)有器身有無懸掛異物、呼吸器呼吸是否正常、硅膠變色是否超過規(guī)定值、油溫油位數(shù)值是否正常、冷卻器油流指示器是否正常、引線接頭有無異常和明顯發(fā)熱現(xiàn)象、套管有無裂紋和放電痕跡、瓦斯繼電器有無滲漏及內(nèi)部是否充滿油、運(yùn)行聲音是否正常(是否連續(xù)均勻)等。

特高壓變壓器因體積龐大，需監(jiān)視的表計(jì)及部件多，加之變壓器故障運(yùn)行風(fēng)險(xiǎn)高，存在發(fā)生燃燒甚至爆炸的潛在風(fēng)險(xiǎn)，器身本體及周圍異物也可能威脅主變的運(yùn)行安全[15-16]。因此，對(duì)變壓器的外觀、油溫、線溫以及瓦斯繼電器運(yùn)行情況的監(jiān)測(cè)尤為重要，視頻監(jiān)控智能巡檢系統(tǒng)可有效彌補(bǔ)上述監(jiān)控或巡檢的不足[17-18]。

3 視頻監(jiān)控智能巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

視頻監(jiān)控智能巡檢系統(tǒng)主要由現(xiàn)場就地設(shè)備和站端集成分析設(shè)備兩部分組成。

現(xiàn)場就地設(shè)備主要是按需求布置于預(yù)制點(diǎn)位的變壓器各間隔內(nèi)不同功能的高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)。預(yù)制點(diǎn)位包括變壓器設(shè)備區(qū)四周的鋼構(gòu)架、防火墻及特設(shè)支柱，各點(diǎn)位攝像機(jī)通過網(wǎng)線連接到對(duì)應(yīng)的交換機(jī)，再通過光纖與保護(hù)小室內(nèi)視頻監(jiān)控集成屏上的區(qū)域光口交換機(jī)連接并由該交換機(jī)轉(zhuǎn)接至保護(hù)室小室內(nèi)的硬盤錄像機(jī)，同時(shí)區(qū)域光口交換機(jī)還通過光纖與站端主控室內(nèi)的光口交換機(jī)相連接。

站端集成分析設(shè)備包括智能巡檢系統(tǒng)站端光口交換機(jī)、設(shè)備管理單位生產(chǎn)管理系統(tǒng)(PMS)站端光口交換機(jī)、前置工作站、智能視頻分析服務(wù)器。智能視頻分析服務(wù)器采用模式識(shí)別技術(shù)對(duì)硬盤錄像機(jī)內(nèi)采集并存儲(chǔ)的圖片和視頻進(jìn)行比對(duì)分析，對(duì)存在異常的分析結(jié)果發(fā)出預(yù)警信息，并通過站端主控室內(nèi)前置工作站提示運(yùn)維人員進(jìn)行檢查確認(rèn)；同時(shí)，相關(guān)信息還將通過監(jiān)控中心遠(yuǎn)端交換機(jī)傳送至設(shè)備管理單位生產(chǎn)管理系統(tǒng)，便于監(jiān)控人員在遠(yuǎn)端工作站上查詢和調(diào)用巡檢視頻。視頻監(jiān)控智能巡檢系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 視頻監(jiān)控智能巡檢系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

4 設(shè)備選型

4.1 前端設(shè)備

根據(jù)設(shè)備的位置特點(diǎn)及巡檢要求，選用不同類型和功能的攝像機(jī)，包括紅外測(cè)溫?cái)z像機(jī)、具備巡航功能的球型攝像機(jī)、具有光補(bǔ)償功能的云臺(tái)攝像機(jī)、便于狹小空間安裝的卡片式攝像機(jī)以及采集聲音的聲紋收集器[19-20]。

4.2 硬盤錄像機(jī)

站內(nèi)變壓器共配置30臺(tái)高清攝像機(jī)，分辨率為1 920×1 080像素，考慮站內(nèi)其他區(qū)域的攝像機(jī)，共計(jì)布設(shè)72臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)全天候24 h不間斷拍攝，視頻數(shù)據(jù)約700 GB/天，保存時(shí)間為3個(gè)月，硬盤錄像機(jī)最大可提供64 TB的存儲(chǔ)空間。視頻存儲(chǔ)采用存儲(chǔ)局域網(wǎng)絡(luò)(IP-SAN)存儲(chǔ)模式，數(shù)據(jù)讀取能力可滿足1080P高清圖像碼流所需的5～6 M/s傳輸速率的要求。

4.3 通信控制器

硬盤錄像機(jī)內(nèi)置通信控制器為現(xiàn)場每一個(gè)攝像機(jī)配置全站局域網(wǎng)IP地址，攝像機(jī)設(shè)備信息和IP地址均通過通信控制器向PMS平臺(tái)集中注冊(cè)，PMS后臺(tái)可通過每個(gè)IP地址訪問和調(diào)用現(xiàn)場視頻監(jiān)控?cái)z像機(jī)。

5 應(yīng)用情況

每相變壓器本體四周設(shè)置10臺(tái)攝像機(jī)，實(shí)現(xiàn)了變壓器全覆蓋、無死角、多狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控，此外變壓器8組冷卻器底部布設(shè)8臺(tái)攝像機(jī)，用于潛油泵油流表盤監(jiān)視。布設(shè)攝像機(jī)種類和功能見表1。

表1 攝像機(jī)種類及功能

6 結(jié)果比對(duì)

視頻監(jiān)控智能巡檢系統(tǒng)可根據(jù)運(yùn)行需求，設(shè)定不同類型的巡檢任務(wù)，包括每天2次的例行巡視、每周1次的全面巡視，每月1次的熄燈巡視、異常設(shè)備的單點(diǎn)專業(yè)巡視以及迎峰度夏(冬)期間保電設(shè)備的特殊巡視等，巡檢視頻可供站端運(yùn)維人員和遠(yuǎn)端監(jiān)控人員調(diào)取和查閱。

為驗(yàn)證該系統(tǒng)的實(shí)用性和可靠性，從清晰度、準(zhǔn)確度、實(shí)效性三個(gè)方面，將系統(tǒng)在可見光拍攝、套管紅外測(cè)溫、表計(jì)讀數(shù)、瓦斯繼電器狀態(tài)辨識(shí)等方面的巡視結(jié)果與人工巡視結(jié)果進(jìn)行比對(duì)。

1) 可見光拍攝。系統(tǒng)顯示畫面清晰直觀，既可俯視主變頂部全景，也可定位于某一特定設(shè)備，實(shí)時(shí)監(jiān)控頂部是否有漂浮物、鳥窩等異物存在，查看各套管油位是否正常，是否滲油；人工巡視只能停留在本體下方觀察到局部情況，必要時(shí)還需借助望遠(yuǎn)鏡、照相機(jī)等設(shè)備，在運(yùn)行情況下，無法登高實(shí)施檢查，存在明顯的盲區(qū)。

2) 套管紅外測(cè)溫。紅外測(cè)溫?cái)z像機(jī)因其安裝位置優(yōu)勢(shì)，可對(duì)變壓器頂部易發(fā)熱部位(套管引線、接頭等)進(jìn)行紅外測(cè)溫，便于發(fā)現(xiàn)有顯著發(fā)熱的缺陷點(diǎn)，且能設(shè)定定時(shí)巡檢、定點(diǎn)監(jiān)控發(fā)熱點(diǎn)、實(shí)時(shí)記錄熱點(diǎn)溫度變化值等任務(wù)，便于運(yùn)維人員對(duì)缺陷點(diǎn)的發(fā)熱趨勢(shì)進(jìn)行研判和輔助消缺工作的開展；人工紅外測(cè)溫因受位置和視角的限制，無法在同一位置測(cè)量所有部件的溫度，且對(duì)發(fā)熱缺陷的定期跟蹤需耗費(fèi)較多的時(shí)間和人力。

3) 表計(jì)讀數(shù)。對(duì)主體變油溫、線溫表計(jì)的讀取，運(yùn)維人員只需在主控室前端工作站上選定對(duì)應(yīng)表計(jì)的名稱，利用攝像機(jī)的自動(dòng)對(duì)焦功能就能完成相關(guān)數(shù)據(jù)的讀取，整個(gè)過程耗時(shí)少、畫面清晰、讀數(shù)準(zhǔn)確；人工讀取需耗費(fèi)大量時(shí)間，且在惡劣氣象下，不僅讀取用時(shí)增加，準(zhǔn)確率也無法得到保障。

4) 瓦斯繼電器狀態(tài)辨識(shí)。運(yùn)維人員在主控室前端工作站選定需辨識(shí)的瓦斯繼電器名稱，攝像機(jī)完成對(duì)焦，即可直觀地觀察和辨識(shí)瓦斯繼電器的狀態(tài)，包括是否充滿油、是否有氣泡、雙浮球位置是否正確等；因瓦斯繼電器安裝位置特殊，人工巡視無法直接觀察到瓦斯繼電器的運(yùn)行工況。

該系統(tǒng)的投用，使運(yùn)維人員在變壓器輕瓦斯動(dòng)作等危險(xiǎn)情況下，能遠(yuǎn)程觀察到變壓器的整體狀況和瓦斯繼電器的運(yùn)行情況，便于根據(jù)現(xiàn)場情況及時(shí)做出應(yīng)對(duì)措施，確保了人員和設(shè)備的安全。

7 結(jié)束語

通過特高壓變電站變壓器視頻監(jiān)控智能巡檢系統(tǒng)研究與應(yīng)用，以形式不同、功能各異的高分辨率網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)為基礎(chǔ)，結(jié)合合理的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)分析預(yù)警平臺(tái)的研發(fā)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)變電站變壓器日常巡檢、紅外測(cè)溫以及缺陷預(yù)警等功能；基于視頻數(shù)據(jù)采集和巡檢分析報(bào)告管理等功能，提高了變壓器日常巡檢和缺陷跟蹤的精確度和實(shí)效性，有效減輕了變電運(yùn)維人員設(shè)備巡視的工作量，保證了人員和設(shè)備的安全。