基于泛在電力物聯網的特高壓換流變自動巡檢技術研究及應用

毛志平，武劍利，葉天舒，黎志，羅凌

(國網湖南省電力有限公司檢修公司，湖南長沙410004)

國家電網有限公司明確提出 “三型兩網、世界一流”戰略目標，要求建設運營好以特高壓為骨干網架、各級電網協調發展的堅強智能電網，打造狀態全面感知、信息高效處理、應用便捷靈活的泛在電力物聯網，二者相輔相成、融合發展，共同構成能源流、業務流、數據流 “三流合一”的能源互聯網[1-2]。隨著特高壓直流網架建設規模大幅增長，新設備、新技術大量應用對設備狀態管控能力提出了更高的要求，當前換流站運維工作在設備、環境和人員的狀態管控方面還缺乏更有效的手段，亟需以智能化為方向，推動現代信息通信技術、設備狀態檢測技術與傳統運檢業務的融合，加快智能運檢體系建設，引領適應智能電網快速發展的運檢管理和技術變革。

近年來，特高壓變壓器火災、爆炸等故障頻發，如2018年4月，某特高壓換流站換流變網側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引發設備著火，2019年11月某1 000 kV特高壓變電站內1 000 kV特高壓變壓器輕瓦斯報警約20 min后發生爆炸。上述火災爆炸事故均無前期征兆，給現場巡視人員帶來極大風險，研究如何利用現代先進傳感技術、信息傳輸技術實現換流變設備全面自動巡檢，替代人員現場巡視，是十分有必要的。本文提出了一種基于泛在電力物聯網框架下的特高壓換流變自動巡檢技術，通過前端無死角設備布置和數據采集、后臺大數據分析和專家診斷，智能化實現現場巡視的全替代，并為全數字換流站建設提供必要的技術支撐。

1 建設原則

基于泛在電力物聯網建設框架，通過在換流變區域布置適量的前端采集終端，以構建大容量骨干有線傳輸網和無線傳輸網為支撐[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據、現場音頻視頻及消防感知等信息全維度聯通，實現換流變區域信息全景交互、人工巡檢智能替代、作業人員全程管控、風險隱患自動預警、指揮決策精準高效，進一步提升換流站設備、人員管控水平[7-9]。主體功能結構如圖1所示。

圖1 換流變自動巡檢系統主體功能結構

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年至今系統換流站、特高壓變電站變壓器發生多起故障，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備多，需巡視觀測的點位眾多，抄錄巡視的數據類型繁雜，運維人員定期巡視換流變設備過程中，需長期滯留在換流變區域，一旦運行中的換流變套管、分接開關發生事故時，將嚴重威脅現場運維人員人身安全[10]。

3 建設方案

3.1 前端采集終端配置

3.1.1 換流變BOX-IN內高清攝像機配置

如圖2所示，每臺換流變BOX-IN內設置4臺高清攝像機、2臺雙視紅外攝像機 (編為2—7號攝像機)，實現換流變整體及所有元器件外觀監測，運行狀態及有關表計數據的實時監測，監測有無滲漏油現象、各部件的接地情況等。

圖2 BOX-IN內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臺換流變設置紅外高清攝像機1臺 (編號為1號)，安裝在換流變側閥廳挑檐下方，對換流變頂部、導線、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，運維人員可全面監視設備運行狀況。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柜內攝像機配置

如圖5所示，在換流變冷控柜、TEC柜內共設置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。2個紅外巡視點，監測柜內交流電源、各空開分合位、切換把手位置、各端子排、柜內凝露、封堵等情況，對柜內交流電源總空開、關鍵繼電器進行溫度狀態監測。

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網絡環境，可采用電池、太陽能、外接電源供電，用于臨時作業現場、重點設備、重點區域的實時監控[11]。

3.2 組網方式

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

圖6 換流變自動巡檢系統組網方式

3.3 系統功能組成

3.3.1 全面監視功能

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

3.3.2 自動巡檢功能

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

2)日常智能漫巡:在無巡檢任務時，對全站設備實現全覆蓋的實時監測，當監測到異常時觸發相應前端設備而進行定點監測。

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

4)人工AR遠程巡檢:采用圖像智能感知，運用無線傳輸技術，基于三維可視化技術和增強現實技術 (AR)，實現運檢人員無需到現場進行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、閥/網側套管、換流變連接金具是否存在過熱缺陷[18]。實現設備溫度、呼吸器運行狀態、本體及網側高壓套管油位和油溫等數據采集，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。發生異常時均可通過聲光提醒運行人員，并在后臺彈出相應畫面。

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，實現空間和時間結合，建立圖像在現實空間的感知能力，達到身臨其境的直觀監控視角，使換流變區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。靈活調用現場任意固定和移動攝像終端，并通過圖形界面和現場相關視頻、音頻、數據全面聯動，構建可廣域監控全局的視頻監控系統。

3.3.5 故障預警功能

前端設備采集數據后，系統自動分析判斷，根據缺陷庫迅速分析出故障類別，準確定位故障位置，自動鎖定目標，在后臺三維圖形中以部件“閃爍”的形式實現故障的可視化告警，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，準確標識故障位置，加快故障處理速度。

3.3.6 系統擴展功能

系統具備預留接口擴展功能，將來可接入相關智能管控系統。在完成相關網絡安全建設后，支持遠方WEB訪問，遠方專家可直接同步現場音視頻及數據，與現場聯合開展故障分析診斷，實現智力資源共享，為后續建立全數字換流站平臺搭建基礎。

4 應用效果

2019年11月20日21時3分，某換流站全自動巡檢系統發現極Ⅱ高端YY-A相換流變頂層油溫表的溫包處出現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生裂紋造成滲漏油，后經及時處理，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發出極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接收到在線油色譜數據，自行分析極Ⅱ低端換流變YYC相總烴含量3個月內增長了30 mg/mL，并自動調用多光譜測溫對該臺換流變進行實時監視，并通過聲光通知運行人員。

5 結語

基于泛在電力物聯網框架下的特高壓換流變自動巡視技術的應用可全面替代現場人工巡視，無需人員進入現場開展巡視工作，有效防范人身傷害風險，系統按設定周期或設定任務開展巡檢工作，極大提升巡檢效率，并杜絕運維人員主觀判斷等對巡視結果的影響，全部巡檢內容有照片、數據佐證，有跡可循，巡視結果科學客觀。當前特高壓換流變自動巡檢技術，可從優化高清攝像機配置、增加紅外監測、采用圖像智能識別、視頻拼接融合等方面深化應用，不斷完善系統功能。