物聯網技術在發電廠安全管理中的應用

夏 杰，安欣睿，呂兆俊，金旭明

（1.上海上電漕涇發電有限公司，上海 201507；2.浙江大學，浙江 杭州 310058）

0 引 言

隨著社會生活水平的提高和工業生產規模的擴大，電力供給的重要性日益凸顯。大型發電廠內關鍵設施的日常運行狀況直接關系到電力供給的可靠性，因此嚴格監管和定期運維必不可少。然而，由于運維人力不足、管理手段相對落后、缺乏高效實時監測手段等原因，很多時候仍需依靠技術人員定期對鍋爐房、汽輪室、開關室等關鍵區域進行人工巡檢，在異常發生時常常無法及時響應，危及設備甚至廠內人員的安全[1-3]。

隨著物聯網技術的飛速發展，近年來也逐步應用到了發電廠的運維和管理中。文獻[4]提出通過ZigBee和LoRa等無線通信技術，對220 kV隔離刀閘動、靜觸頭溫度進行實時監測和告警，提高電氣連接點的可靠性。運用LoRa無線通信和振動、聲音、圖像等傳感器技術，還可以進一步提升系統感知能力，對設備振動、聲音、溫度場、液位、標記等信息進行全面掌控，實現故障自動診斷，提高電廠設備的運維效率[5]。除了設備異常檢測外，物聯網和人工智能技術也可應用于規范作業管理，如文獻[6]提出的基于物聯網的電廠智能安全管控系統，對工作票和操作票進行智能診斷，統籌規劃安全隔離措施。然而，上述文獻均未能針對電廠在日常運營中環境、設備和人員管理方面的漏洞或隱患，提出完善的安全管理系統或手段。

本文提出了一套基于物聯網技術的全景感知系統，以上海漕涇電廠6 kV電氣開關室為例，從環境安全、設備安全、人員管理和運維成本四個方面闡述其作用，并討論物聯網技術對發電系統安全管理的重要意義，以及未來在類似場合的應用前景。

1 研究對象

上海漕涇電廠廠內6 kV電氣開關室于2010年投運，各站房內均無環境監控系統，長期依靠人工巡檢、手工記錄、遠程控制操作的運營模式，在安全管理上存在如下諸多漏洞和風險：

（1）站房內的溫度、濕度、氧氣濃度等常規環境參數，以及SF6/O3濃度、煙霧、水浸狀況等異常環境信息缺失，無法實時掌握站房狀態；

（2）缺乏對設備狀態（局部放電、電氣連接點溫度、蓄電池狀況等）的監測手段；

（3）僅在站房出入口、過道等關鍵位置安裝攝像機，缺乏全局視頻監控；

（4）電廠采用工作票系統，持票人員通常僅憑鑰匙出入站房，智能化監管手段不足；

（5）站房內無任何區域監管措施，由于開關柜數量眾多，存在較大的誤操作風險。

2 系統架構

為解決上述問題，本文提出一套集環境和設備狀態傳感器、視頻攝像設備、巡檢機器人和智能門禁于一體的全景感知系統（整體架構如圖1所示），應用目標/文字/圖案識別等人工智能技術，對站房內的設備和人員進行及時有效的安全管理。整個系統采用模塊化設計，根據功能分為環境和設備監測、機器人巡檢、智能門禁和視頻監控四個子系統，各子系統之間獨立運行。前兩個子系統負責站房內的環境和設備運行狀態監測，前者通過傳感器采集相應信息，后者則通過機器人搭載的攝像機采集并智能識別開關柜面的儀表讀數、開關位置、壓板狀態以及文字告警等信息。智能門禁與電廠工作票系統綁定，根據工作人員的授權信息（指紋、人臉等）自動管理站房門禁，并登記出入信息。視頻監控分為常規監控（固定攝像機）和區域監控兩部分：前者24 h不間斷運行，覆蓋站房全部區域；后者僅在站房有人時開啟，覆蓋開關柜工作區域，并在后臺預先劃分區域，精準定位到每個開關柜，同時利用人工智能模塊，對采集的圖像進行實時目標/文字/圖案識別，實現區域檢測功能，將操作人員與其授權的工作區域相關聯。

圖1 全景感知系統整體架構

3 環境和設備檢測

3.1 環境和設備

環境和設備監測子系統由環境監控終端、設備狀態監測終端和智能網關組成。環境監控終端分為環境傳感器和聯動控制器，后者根據前者采集的信息自動控制站房內的空調、除濕機、風機、水泵等設施，兩者之間的聯動關系如圖2所示。設備狀態監測終端通過采集開關柜內局部放電、線纜電氣連接點溫度、蓄電池電壓/電量等信息，對柜內設備的運行狀態進行實時監測。智能網關對下（站房端）可以通過有線或無線的方式實時采集各監測終端的數據，并具備一定邊緣計算能力，根據預置邏輯直接向聯動控制器下發相應指令；對上（平臺端）可將采集到的傳感器和控制器信息傳輸到智能輔助平臺。

圖2 智能網關連接的終端設備及聯動關系

3.2 通信協議

作為全景感知系統的核心通信設備，智能網關必須具有多種規約轉換功能[7-9]，對下需要支持RS 485、以太網、LoRa等通信方式，實現與各個傳感器之間的實時通信；對上需要具備光纖以太網和4G通信功能。表1列出了智能網關需要支持的通信協議和相關接口/通信模塊，以及對應的終端設備。值得注意的是，網關和傳感器的通信方式不唯一，表1中列出的是基于所傳數據的特點以及控制要求的推薦配置。例如，局放傳感器理論上也可支持LoRa無線通信，但由于圖譜數據較大且終端往往置于開關柜內，采用有線通信更為穩定可靠。同時，在實際選擇通信方式時也應結合終端的供電模式，例如電池或電磁感應取電的終端盡可能采用LoRa通信，可以大幅節約布線施工成本。

4 機器人巡檢

隨著機器人技術的飛速發展，以及巡檢工作量和人力成本的逐漸攀升，電力行業中的很多場景已不乏巡檢機器人的身影。例如，文獻[12]提出一種機器人小車巡檢系統，利用RFID、藍牙通信、紅外成像、聲音檢測等物聯網技術，以及模糊識別和二階差分等算法，實現配電房巡檢工作的智能化和自動化。另一種常用的設計為掛軌式機器人巡檢系統，與機器人小車相比更適用于面積較大、高度較高、設備排列規則的站房[13]。

掛軌式機器人巡檢系統的硬件分為三部分：站控系統、軌道和機器人本體。站控系統負責整個系統的供電、通信和控制。對于面積較大的站房，可采用滑觸線供電和電力線載波通信（PLC）的方式，以保證系統的穩定、可靠；對于面積相對較小的站房，電池供電和無線通信（4G/LoRa）則可以提供一定的靈活性[14-15]。機器人本體包括運動機構和儀器艙兩部分，前者受站控系統控制，提供沿軌道方向的移動和豎直方向上的伸縮、旋轉能力。由于環境和設備監測子系統已經對開關柜內外的重要環境和設備信息進行實時采集，機器人無須搭載紅外熱像、音頻、局放等采集終端，僅利用攝像機對開關柜面的儀表、開關、壓板和文字等信息進行采集和智能分析即可。

圖像智能識別是巡檢機器人系統的核心功能，可采用前置方式在站端完成，或部署于平臺服務器中。通過機器人搭載的可見光攝像機，對開關柜面的視頻圖像進行采集，再利用高精度圖像識別算法，對采集的畫面進行智能分析處理，識別其中的關鍵內容。實現圖像智能識別一般分為兩步：首先需要進行目標識別，將目標區域（如儀表或開關）從采集的圖像中提取出，此舉的好處在于摒棄圖像中的無效信息，節省算力資源；然后通過人工智能算法對目標區域的特征進行判別。不同的目標判別特征亦不相同，需要預先進行大量訓練，才能保證目標及特征的準確識別。圖像識別功能需要準確區分儀表、開關、壓板、指示燈、液晶屏文字等多種目標類型，并準確判別其位置、狀態及內容，從而全面掌握相關電力設備的運行狀態信息。

機器人巡檢系統的另一特點在于可以靈活設置巡檢模式，常用的巡檢模式包括定時全檢、手動全檢和特殊巡檢等，其中特殊巡檢又可分為針對某一項或幾項目標的專項巡檢，以及針對某一個和幾個開關柜的區域巡檢。巡檢模式的切換和設置可在集成于智能輔助平臺的機器人管理模塊實現。

5 門禁與工作票系統

發電廠通常采用工作票系統進行人員管控[16-17]，但一張工作票往往只含負責人信息，無法精確對應進入開關室的每一個操作人員，給站房管理帶來一定的安全隱患。同時，以機械鑰匙作為進出站房唯一憑據的模式過于簡單，會給多人次分批出入帶來較大的不便。因此，以指紋、人臉等生物信息作為進出站房或重點區域憑據的人員管理系統正逐步得到應用[18-20]。

開關室門禁可以與電廠工作票系統有機結合，除了人員身份信息外，將工作時間也作為權限派發的重要依據。此外，門禁子系統與后文即將討論的視頻監控子系統中的區域監控功能深度結合，在操作人員完成指紋認證或面部掃描獲得開門權限的同時，對其安全帽上的二維碼或數字等標識進行采集，作為進入站房后的唯一合法身份標簽。只有成功取得開門權限的人員才會獲得身份標簽，同一人員重復進入站房則自動對其身份標簽進行更新（以防兩次進入佩戴不同安全帽）。

6 視頻監控

視頻監控子系統根據功能，可以分為常規監控和區域監控兩部分。前者可采用角度固定、焦距較長的槍型攝像機，安裝在開關室出入口、過道等區域，實現站房區域全覆蓋，24 h不間斷運行。同時，在后臺服務器或站端人工智能模塊中，預置摘除安全帽、人員倒地、小動物入侵等異常情況的識別模型，對采集到的畫面進行智能分析。區域監控功能則推薦廣角攝像機或帶云臺功能的半球型或球型攝像機，實現每臺攝像機監控區域的最大化。將其以接近垂直的角度安裝于站房頂部（如圖3所示），對開關柜前的操作區域進行監控，主要目標為站內人員及其安全帽頂的二維碼或數字等標識。

圖3 區域監控攝像機安裝示意圖

作者注意到，文獻[21]提出了一種智能安全帽，內置的智能芯片集成了NB-IoT、藍牙、GPS/北斗等技術，也可以實現人員的精準定位。然而，其應用場景為建筑工地等面積較大的室外區域，“精準定位”也是相對該應用場景而言。對于面積較小的室內場景（如電氣開關室），以及更高的定位精度要求（如定位到具體某開關柜），基于視頻監控的物理手段，結合區域劃分和目標智能檢測等技術，可以更經濟、有效地完成區域監控。

區域監控的主要目的是確保操作人員處于正確的工作區域，對于發電廠的大型電氣開關室，每條母線有數十面開關柜，稍有不慎很容易發生操作錯開關柜的情況。采用垂直照射的攝像機，同時后臺對每臺攝像機覆蓋的區域按開關柜劃分區域，可以實時獲取站房內每個開關柜的人員分布情況。輔以人員進入開關室時采集的安全帽標識（即人員身份標簽），可以僅對授權開關柜對應的工作區域開放權限，進入其他開關柜的工作區域并有操作趨勢時，立刻生成后臺和現場告警。具體判別邏輯如圖4所示。

圖4 誤操作判別邏輯

7 對電廠安全管理的意義

利用傳感器、無線通信、人工智能等先進的物聯網技術，站房智能輔助系統可以解決發電廠電氣開關室面臨的主要安全隱患，同時更加可靠、經濟地完成日常運維任務，具體體現在以下4個方面。

7.1 環境安全

實時監控站房內溫度、濕度等指標，并聯動空調或通風系統自動處理異常，防止天氣原因或設備發熱等異常情況對站內人員和其他設備造成進一步危害。同時，對開關室內可能產生的SF6、O3、CO2等有害氣體濃度進行監控，發現異常時及時通知技術人員排查泄漏原因，確保站房安全。此外，對煙感、噪音等環境異常因素的實時監測，可以幫助運維人員遠程判斷站房是否發生火災，以及是否存在設備故障風險（如變壓器或某些設備的散熱風扇發生故障時往往伴隨噪音異常）。

7.2 設備安全

電氣開關室內存在大量線纜、銅排、開關、互感器、變壓器等一、二次設備。部分運行狀態可以通過表計、文字等方式在開關柜面展示，機器人巡檢代替傳統的人工巡檢，可定時、定量地完成對柜面信息的采集、分析和記錄，并將異常實時反饋到智能輔助平臺。此外，部分與設備狀態相關的信息無法直接被二次設備測量，如線纜電氣連接點溫度、開關柜局部放電等，即便常規的人工巡檢也無法有效排查。該類信息也可通過專門的傳感器采集，由智能網關實時上傳智能輔助平臺，實現對相關設備運行狀態的全景感知。

7.3 人員管理

發電廠電氣開關室的人員安全管理的整體水平有待提高，很多方面缺乏必要的監督機制和手段，全憑操作人員自我管理，例如機械鑰匙和僅含負責人信息的工作票系統在站房門禁權限的授權方面存在較大漏洞，無法實現人員和權限的精準匹配。采用指紋、人臉等生物信息可以杜絕鑰匙轉借、非工作時段使用等不合規的行為，同時也避免了多人分批次進入站房時需要多把鑰匙的問題。操作人員進入站房后，將安全帽頂的識別信息綁定人員工作權限（時間和區域），并利用攝像設備對工作區域進行實時監控和目標檢測，可以有效防止操作人員誤入非授權區域操作，進而避免開關柜的誤操作。未來，甚至可以將工作票授權的操作流程數字化，結合采集的視頻畫面對人員操作進行實時判別，在發生錯誤或不規范操作時立即發出告警，予以糾正。

7.4 運維成本

采用站房全景感知系統可以大幅減少人工運維成本，唯一的人力消耗在平臺監控端。在絕大部分設備正常運營的情況下，一個監控人員可以同時負責多個站房的監控工作，每個站房實際占用的人力資源微乎其微。系統中的傳感器大多采用低功耗或微功率終端，對電能的消耗極低，針對一個典型的電氣開關室（面積400 m2，60面開關柜），表2列出一套全景感知系統所需的日均能耗。絕大部分設備全天不間斷運行（機器人巡檢和區域監控攝像機為2 h/天），系統每天耗電量大約為11 kWh。

為響應當前社會節能減排的總體要求，早日達成“雙碳”目標，可利用物聯網技術對站房全景感知系統做出以下節能設計：

（1）智能網關可以靈活配置微功率無線傳感器的數據上報頻率，例如設置不同頻率檔位，自動降低長時間無異常傳感器的數據上報頻率；

（2）通過智能輔助平臺將燈光控制器與固定攝像機聯動，一段時間（如5 min）檢測不到站房內有人員時，自動關燈；

（3）電氣開關室內無人時，自動停用區域監控攝像機，僅保持固定攝像機開啟，以最低能耗實現24 h、全方位無死角監控。

8 結 語

傳統發電廠的電氣開關室由于大多建成時間較早，缺乏有效的安全管理系統和機制。站房全景感知系統利用傳感器、無線通信、人工智能等先進的物聯網技術，不僅可以從環境和設備運行狀態等方面對站房進行實時監測，采用具備邊緣計算功能的智能網關本地進行簡單的聯動控制，還可以優化電氣開關室現有的門禁和視頻監控系統，彌補人員管理方面存在的安全漏洞，提升出入站房及特定區域操作的規范性和可追蹤性，杜絕設備誤操作風險。同時，該系統還在整體設計中加入靈活的傳感器通信頻率配置及部分設備的節能運行策略，有效降低了系統能耗。最后，該系統采用模塊化設計，不僅適用于發電廠的電氣開關室，還可根據不同場景（如變/配電房、倉庫、車間等）增減終端設備，滿足客戶定制化需求，具有較為廣泛的應用前景和推廣價值。