特高压变压器视频监控智能巡检系统研究与应用

郭 杨，李开拓，陈 昊，李义峰，陈维佳

(1.国网江苏省电力有限公司超高压分公司，江苏 南京 211102；2.国网江苏省电力有限公司南京供电分公司，江苏 南京 210019)

0 引言

随着经济的高速发展，特高压电网建设持续推进，截至2023年初，中国已累计建成投运17条交流特高压输电线路，共计32座1 000 kV特高压变电站。特高压变电站占地面积大、运行维护要求高、设备数量多且体积大，其稳定性将直接影响到主电网的安全。目前，绝大多数特高压变电站采用GIS设备，相较于敞开式设备，GIS设备稳定性更高，受气象和环境影响较小，设备故障和缺陷的发生率较低。因此，变电运维人员的巡视重点主要集中在站内敞开式设备，尤其是特高压变压器，不仅体积庞大、巡视点位多，同时因其内部充有大量变压器油，消防安全风险也比较高。特高压变电站内充油设备数量众多，以华东某1 000 kV特高压变电站为例，在建成投运后，整个变电站将包含6组特高压变压器，共计18台大型充油设备，其巡视难度和运维工作量将大为增加。

视频监控技术在变电站已应用多年，早期作为变电站内安全防护之用，但因其精细程度不够，在现场设备巡视方面尚未大面积应用。就视频监控技术而言，相关研究基本集中在220 kV及500 kV变电站[1-4]，且监控的重点主要集中在汇控箱、保护屏柜等设备上[5-6]。文献[7]介绍了视频监控系统在变电站火灾报警、红外门禁报警等方面的应用；文献[8]介绍了视频监控在500 kV变电站无人值守、远程监控方面的研究，但未对设备的监视效果进行详细论述；文献[9]在分析视频监控系统构架和配置的基础上，介绍了该系统在变压器红外热成像方面的应用，但其功能较为单一。

随着数字及网络技术的发展，以数字视频服务器为基础的网络化视频监控系统得到了广泛应用[10-11]。因此，以某1 000 kV特高压变电站为例，介绍多功能高分辨率摄像监控系统在站内主变压器巡检方面的应用，通过合理的点位布设以及完善的网络结构，实时采集视频监控信号，利用智能巡检分析系统进行比对和预警，以提高设备巡视质量和效率，减少人员的巡视工作量，保障运维人员巡检工作的安全。

1 传统站内视频监控存在的问题

传统的变电站视频监控系统因各种条件的限制，在多年的运行过程中暴露出以下问题。

1) 摄像机安装数量不足。由于设备巡视摄像机监视范围要求较大，对于体积庞大的单体设备，只能监视其外观整体状态，而无法监视局部关键位置或清晰度不够。

2) 传统的视频监控摄像机分辨率较低，夜视功能薄弱。在光线不足的情况下，监视画面较为模糊，很难对设备的运行状况进行准确辨别；在环境温度较高、负荷较重以及设备有发热缺陷的情况下，运维人员无法监视设备的发热情况，只能依靠人工进行红外测温。

3) 对采集的一次设备图像和视频，缺乏配套的分析系统和数据库，不能进行智能分析，导致早期预警能力不足。

4) 受网络系统结构的限制，只能将采集的视频及图片存储到变电站端的硬盘录像设备内供查询和调用，无法上送到远端智能运检监控中心。

2 特高压变压器巡视要求

1 000 kV特高压变压器一般采用三相分体结构，主变压器由主体变和调压补偿变两部分组成，两者相互独立，油路互不联通，通过各自套管上的导线实现电气连接。变压器器身主要设备包括本体油箱、油枕、压力释放阀、瓦斯继电器、油温表和各电压等级出线套管[12-14]，日常巡视重点有器身有无悬挂异物、呼吸器呼吸是否正常、硅胶变色是否超过规定值、油温油位数值是否正常、冷却器油流指示器是否正常、引线接头有无异常和明显发热现象、套管有无裂纹和放电痕迹、瓦斯继电器有无渗漏及内部是否充满油、运行声音是否正常(是否连续均匀)等。

特高压变压器因体积庞大，需监视的表计及部件多，加之变压器故障运行风险高，存在发生燃烧甚至爆炸的潜在风险，器身本体及周围异物也可能威胁主变的运行安全[15-16]。因此，对变压器的外观、油温、线温以及瓦斯继电器运行情况的监测尤为重要，视频监控智能巡检系统可有效弥补上述监控或巡检的不足[17-18]。

3 视频监控智能巡检系统结构

视频监控智能巡检系统主要由现场就地设备和站端集成分析设备两部分组成。

现场就地设备主要是按需求布置于预制点位的变压器各间隔内不同功能的高清网络摄像机。预制点位包括变压器设备区四周的钢构架、防火墙及特设支柱，各点位摄像机通过网线连接到对应的交换机，再通过光纤与保护小室内视频监控集成屏上的区域光口交换机连接并由该交换机转接至保护室小室内的硬盘录像机，同时区域光口交换机还通过光纤与站端主控室内的光口交换机相连接。

站端集成分析设备包括智能巡检系统站端光口交换机、设备管理单位生产管理系统(PMS)站端光口交换机、前置工作站、智能视频分析服务器。智能视频分析服务器采用模式识别技术对硬盘录像机内采集并存储的图片和视频进行比对分析，对存在异常的分析结果发出预警信息，并通过站端主控室内前置工作站提示运维人员进行检查确认；同时，相关信息还将通过监控中心远端交换机传送至设备管理单位生产管理系统，便于监控人员在远端工作站上查询和调用巡检视频。视频监控智能巡检系统网络拓扑结构如图1所示。

图1 视频监控智能巡检系统网络拓扑结构

4 设备选型

4.1 前端设备

根据设备的位置特点及巡检要求，选用不同类型和功能的摄像机，包括红外测温摄像机、具备巡航功能的球型摄像机、具有光补偿功能的云台摄像机、便于狭小空间安装的卡片式摄像机以及采集声音的声纹收集器[19-20]。

4.2 硬盘录像机

站内变压器共配置30台高清摄像机，分辨率为1 920×1 080像素，考虑站内其他区域的摄像机，共计布设72台，可实现全天候24 h不间断拍摄，视频数据约700 GB/天，保存时间为3个月，硬盘录像机最大可提供64 TB的存储空间。视频存储采用存储局域网络(IP-SAN)存储模式，数据读取能力可满足1080P高清图像码流所需的5～6 M/s传输速率的要求。

4.3 通信控制器

硬盘录像机内置通信控制器为现场每一个摄像机配置全站局域网IP地址，摄像机设备信息和IP地址均通过通信控制器向PMS平台集中注册，PMS后台可通过每个IP地址访问和调用现场视频监控摄像机。

5 应用情况

每相变压器本体四周设置10台摄像机，实现了变压器全覆盖、无死角、多状态实时监控，此外变压器8组冷却器底部布设8台摄像机，用于潜油泵油流表盘监视。布设摄像机种类和功能见表1。

表1 摄像机种类及功能

6 结果比对

视频监控智能巡检系统可根据运行需求，设定不同类型的巡检任务，包括每天2次的例行巡视、每周1次的全面巡视，每月1次的熄灯巡视、异常设备的单点专业巡视以及迎峰度夏(冬)期间保电设备的特殊巡视等，巡检视频可供站端运维人员和远端监控人员调取和查阅。

为验证该系统的实用性和可靠性，从清晰度、准确度、实效性三个方面，将系统在可见光拍摄、套管红外测温、表计读数、瓦斯继电器状态辨识等方面的巡视结果与人工巡视结果进行比对。

1) 可见光拍摄。系统显示画面清晰直观，既可俯视主变顶部全景，也可定位于某一特定设备，实时监控顶部是否有漂浮物、鸟窝等异物存在，查看各套管油位是否正常，是否渗油；人工巡视只能停留在本体下方观察到局部情况，必要时还需借助望远镜、照相机等设备，在运行情况下，无法登高实施检查，存在明显的盲区。

2) 套管红外测温。红外测温摄像机因其安装位置优势，可对变压器顶部易发热部位(套管引线、接头等)进行红外测温，便于发现有显著发热的缺陷点，且能设定定时巡检、定点监控发热点、实时记录热点温度变化值等任务，便于运维人员对缺陷点的发热趋势进行研判和辅助消缺工作的开展；人工红外测温因受位置和视角的限制，无法在同一位置测量所有部件的温度，且对发热缺陷的定期跟踪需耗费较多的时间和人力。

3) 表计读数。对主体变油温、线温表计的读取，运维人员只需在主控室前端工作站上选定对应表计的名称，利用摄像机的自动对焦功能就能完成相关数据的读取，整个过程耗时少、画面清晰、读数准确；人工读取需耗费大量时间，且在恶劣气象下，不仅读取用时增加，准确率也无法得到保障。

4) 瓦斯继电器状态辨识。运维人员在主控室前端工作站选定需辨识的瓦斯继电器名称，摄像机完成对焦，即可直观地观察和辨识瓦斯继电器的状态，包括是否充满油、是否有气泡、双浮球位置是否正确等；因瓦斯继电器安装位置特殊，人工巡视无法直接观察到瓦斯继电器的运行工况。

该系统的投用，使运维人员在变压器轻瓦斯动作等危险情况下，能远程观察到变压器的整体状况和瓦斯继电器的运行情况，便于根据现场情况及时做出应对措施，确保了人员和设备的安全。

7 结束语

通过特高压变电站变压器视频监控智能巡检系统研究与应用，以形式不同、功能各异的高分辨率网络摄像机为基础，结合合理的网络结构设计以及数据分析预警平台的研发，实现了对变电站变压器日常巡检、红外测温以及缺陷预警等功能；基于视频数据采集和巡检分析报告管理等功能，提高了变压器日常巡检和缺陷跟踪的精确度和实效性，有效减轻了变电运维人员设备巡视的工作量，保证了人员和设备的安全。