基于泛在电力物联网的特高压换流变自动巡检技术研究及应用

毛志平，武剑利，叶天舒，黎志，罗凌

(国网湖南省电力有限公司检修公司，湖南长沙410004)

国家电网有限公司明确提出 “三型两网、世界一流”战略目标，要求建设运营好以特高压为骨干网架、各级电网协调发展的坚强智能电网，打造状态全面感知、信息高效处理、应用便捷灵活的泛在电力物联网，二者相辅相成、融合发展，共同构成能源流、业务流、数据流 “三流合一”的能源互联网[1-2]。随着特高压直流网架建设规模大幅增长，新设备、新技术大量应用对设备状态管控能力提出了更高的要求，当前换流站运维工作在设备、环境和人员的状态管控方面还缺乏更有效的手段，亟需以智能化为方向，推动现代信息通信技术、设备状态检测技术与传统运检业务的融合，加快智能运检体系建设，引领适应智能电网快速发展的运检管理和技术变革。

近年来，特高压变压器火灾、爆炸等故障频发，如2018年4月，某特高压换流站换流变网侧套管运行中突然爆炸，2019年1月某±1 100 kV特高压换流站换流变因分接开关引发设备着火，2019年11月某1 000 kV特高压变电站内1 000 kV特高压变压器轻瓦斯报警约20 min后发生爆炸。上述火灾爆炸事故均无前期征兆，给现场巡视人员带来极大风险，研究如何利用现代先进传感技术、信息传输技术实现换流变设备全面自动巡检，替代人员现场巡视，是十分有必要的。本文提出了一种基于泛在电力物联网框架下的特高压换流变自动巡检技术，通过前端无死角设备布置和数据采集、后台大数据分析和专家诊断，智能化实现现场巡视的全替代，并为全数字换流站建设提供必要的技术支撑。

1 建设原则

基于泛在电力物联网建设框架，通过在换流变区域布置适量的前端采集终端，以构建大容量骨干有线传输网和无线传输网为支撑[3-4]，以精细化三维图像引擎搭建的三维可视化全景模型为抓手，将换流变实时运行数据、现场音频视频及消防感知等信息全维度联通，实现换流变区域信息全景交互、人工巡检智能替代、作业人员全程管控、风险隐患自动预警、指挥决策精准高效，进一步提升换流站设备、人员管控水平[7-9]。主体功能结构如图1所示。

图1 换流变自动巡检系统主体功能结构

2 特高压换流变基本情况

某特高压换流站共有28台换流变压器，每极12台，备用4台。2018年至今系统换流站、特高压变电站变压器发生多起故障，对人身安全造成一定威胁。目前，特高压换流站站换流变BOX-IN内仅布置1—3台普通的高清摄像机用以观察换流变本体有无异常。换流变本体及其附属设备多，需巡视观测的点位众多，抄录巡视的数据类型繁杂，运维人员定期巡视换流变设备过程中，需长期滞留在换流变区域，一旦运行中的换流变套管、分接开关发生事故时，将严重威胁现场运维人员人身安全[10]。

3 建设方案

3.1 前端采集终端配置

3.1.1 换流变BOX-IN内高清摄像机配置

如图2所示，每台换流变BOX-IN内设置4台高清摄像机、2台双视红外摄像机 (编为2—7号摄像机)，实现换流变整体及所有元器件外观监测，运行状态及有关表计数据的实时监测，监测有无渗漏油现象、各部件的接地情况等。

图2 BOX-IN内高清摄像机典型安装位置

3.1.2 阀厅挑檐下方红外测温摄像机配置

每3台换流变设置红外高清摄像机1台 (编号为1号)，安装在换流变侧阀厅挑檐下方，对换流变顶部、导线、套管、升高座、接头等各部位进行红外测温。典型安装位置及效果如图3所示。

图3 红外测温摄像机典型安装位置及效果

3.1.3 换流变区域拾音器配置

每台换流变2号、5号摄像机下各配置1台拾音器。通过实时声音收听及历史录音回放，运维人员可全面监视设备运行状况。拾音器典型安装位置如图4所示。

图4 拾音器典型安装位置

3.1.4 换流变冷控柜、TEC柜内摄像机配置

如图5所示，在换流变冷控柜、TEC柜内共设置3台针孔高清摄像机 (编号为8—10)，2台微型双视红外摄相机 (编为11—12)，将冷控柜、TEC柜分为3个巡视大区。2个红外巡视点，监测柜内交流电源、各空开分合位、切换把手位置、各端子排、柜内凝露、封堵等情况，对柜内交流电源总空开、关键继电器进行温度状态监测。

图5 换流变冷控柜、TEC柜摄像机典型安装位置及效果

3.1.5 移动式高清摄像机

配置1台高清摄像机，利用4G网络环境，可采用电池、太阳能、外接电源供电，用于临时作业现场、重点设备、重点区域的实时监控[11]。

3.2 组网方式

融合多种组网方式实现前端采集设备联网(如图6所示)。巡检机器人采用系统自带无线加密模块通过无线网络通讯技术传输至安全接入模块，再通过有线网络传输至监控中心；摄像机均采用大容量高速光纤网络传输[12-13]；运行人员工作站 (OWS)和一体化监测平台数据使用正向隔离装置，通过光纤单向接入该系统，系统所采集的图像、声音及识别数据均能存储90天以上[14]。

图6 换流变自动巡检系统组网方式

3.3 系统功能组成

3.3.1 全面监视功能

通过红外双光谱热像检测仪、多光谱监测仪、高清摄像机、拾音器等设备位置优化和搭配，达到全覆盖人工巡视范围，实现巡视要点和要求完全满足巡检规范[15-16]。

3.3.2 自动巡检功能

1)定期全覆盖智能巡检:在几分钟内系统按照要点对全部换流变区域进行全面巡视。

2)日常智能漫巡:在无巡检任务时，对全站设备实现全覆盖的实时监测，当监测到异常时触发相应前端设备而进行定点监测。

3)快速定制分类、分区巡检任务:根据运行人员需求快速地生成定期巡检任务和临时巡检任务。

4)人工AR远程巡检:采用图像智能感知，运用无线传输技术，基于三维可视化技术和增强现实技术 (AR)，实现运检人员无需到现场进行AR远程智能巡检[17]。

3.3.3 图像智能识别功能

自动判断换流变本体、套管升高座、分接开关、阀/网侧套管、换流变连接金具是否存在过热缺陷[18]。实现设备温度、呼吸器运行状态、本体及网侧高压套管油位和油温等数据采集，并与模拟量信号比对分析。自动存储换流变运行声音并进行可视化判断。同时，还可以对换流变区域人员运行中闯入识别、检修时人员的行为进行安全管控，如未戴安全帽、未穿工作服等违章行为进行判断。发生异常时均可通过声光提醒运行人员，并在后台弹出相应画面。

3.3.4 视频拼接融合功能

利用多路视频流汇集融合，将处在不同位置的分镜头视频拼接到一起，实现空间和时间结合，建立图像在现实空间的感知能力，达到身临其境的直观监控视角，使换流变区域空间位置一目了然，具备跨视频无死角追踪、VR全局总览功能。灵活调用现场任意固定和移动摄像终端，并通过图形界面和现场相关视频、音频、数据全面联动，构建可广域监控全局的视频监控系统。

3.3.5 故障预警功能

前端设备采集数据后，系统自动分析判断，根据缺陷库迅速分析出故障类别，准确定位故障位置，自动锁定目标，在后台三维图形中以部件“闪烁”的形式实现故障的可视化告警，并以语音播报方式进行提醒，便于运维人员快速了解告警信息，准确标识故障位置，加快故障处理速度。

3.3.6 系统扩展功能

系统具备预留接口扩展功能，将来可接入相关智能管控系统。在完成相关网络安全建设后，支持远方WEB访问，远方专家可直接同步现场音视频及数据，与现场联合开展故障分析诊断，实现智力资源共享，为后续建立全数字换流站平台搭建基础。

4 应用效果

2019年11月20日21时3分，某换流站全自动巡检系统发现极Ⅱ高端YY-A相换流变顶层油温表的温包处出现漏油并及时报警通知运行人员。运行人员通过人工VR巡视证实为温包鼓胀产生裂纹造成渗漏油，后经及时处理，缺陷消除。

2019年12月1日24时10分17秒，换流变自动巡检系统发出极Ⅱ高端换流变角接C相漏油报警，运行人员通过人工VR巡视进行核实，漏油点为为滤油机回油管卡扣漏油，后经及时处理，缺陷消除。

2019年12月5日15时31分28秒，换流变自动巡检系统接收到在线油色谱数据，自行分析极Ⅱ低端换流变YYC相总烃含量3个月内增长了30 mg/mL，并自动调用多光谱测温对该台换流变进行实时监视，并通过声光通知运行人员。

5 结语

基于泛在电力物联网框架下的特高压换流变自动巡视技术的应用可全面替代现场人工巡视，无需人员进入现场开展巡视工作，有效防范人身伤害风险，系统按设定周期或设定任务开展巡检工作，极大提升巡检效率，并杜绝运维人员主观判断等对巡视结果的影响，全部巡检内容有照片、数据佐证，有迹可循，巡视结果科学客观。当前特高压换流变自动巡检技术，可从优化高清摄像机配置、增加红外监测、采用图像智能识别、视频拼接融合等方面深化应用，不断完善系统功能。