發(fā)電機(jī)出口開關(guān)狀態(tài)可視化監(jiān)測

張世璐，陳 鋒，李汶珈

（中國長江電力股份有限公司白鶴灘電廠籌建處，四川 涼山615400）

0 引言

近年各發(fā)電廠均在發(fā)電機(jī)和升壓變之間設(shè)置發(fā)電機(jī)出口開關(guān)（以下簡稱：GCB），以優(yōu)化設(shè)備運行方式。GCB 結(jié)構(gòu)可靠、維護(hù)量小，具有減小高壓斷路器操作臺次；避免高壓斷路器頻繁操作對系統(tǒng)產(chǎn)生干擾；實現(xiàn)主變壓器倒掛運行，提高廠用電可靠性；開斷正常負(fù)荷電流以及故障短路電流等優(yōu)點[1-2]。白鶴灘水電站安裝有16 臺世界第一的百萬千瓦機(jī)組，其GCB 額定電壓31.5 kV，額定電流29 kA，額定短路開斷電流170 kA，額定短時耐受電流170 kA/3 s等設(shè)備性能，對GCB 的可靠性提出了更高要求。但GCB 三相傳動連桿及拐臂發(fā)生變形、松動、移位，開關(guān)動靜觸頭分、合不到位等異常情況導(dǎo)致的事故也是接二連三發(fā)生，GCB 的安全穩(wěn)定運行存在很大安全隱患。2019 年某電廠GCB B 相隔刀連桿脫落，引起A、B 隔刀合閘不到位，B 相隔離刀閘導(dǎo)電環(huán)、靜觸頭觸指、滅弧室殼體嚴(yán)重?zé)龘p，故障情況如圖1 所示。現(xiàn)有GCB 保護(hù)裝置還不具備對操動機(jī)構(gòu)以及斷口間隔存在的隱患和故障進(jìn)行提前預(yù)判能力，也不具備實時狀態(tài)可視化監(jiān)測能力。本文基于圖像識別比對技術(shù)對發(fā)電機(jī)出口開關(guān)可視化狀態(tài)監(jiān)測進(jìn)行了探討，利用可視化在線監(jiān)測手段對開關(guān)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測，以提高GCB 的運行可靠性。

圖1 GCB 隔離刀閘斷口受損情況

1 GCB 常見故障

GCB 的斷路器、隔離開關(guān)、接地開關(guān)均為三相分體式結(jié)構(gòu)，且都是使用一套操動機(jī)構(gòu)通過傳動連桿三相聯(lián)動實現(xiàn)分合閘，所以其保護(hù)裝置獲取控制均從就近一相獲取，這樣就使現(xiàn)有保護(hù)裝置的保護(hù)范圍存在盲區(qū)，缺乏對三相實際情況的覆蓋。而且現(xiàn)有保護(hù)裝置對三相傳動連桿及拐臂，開關(guān)動靜觸頭，斷口內(nèi)支撐絕緣子等設(shè)備的狀態(tài)沒辦法覆蓋， 而由于上述設(shè)備故障多有發(fā)生，嚴(yán)重影響了電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運行。GCB 常見故障類型如表1 所示。

表1 GCB 常見故障類型表

目前，為了保證GCB 的工作穩(wěn)定一般采用定期巡檢的方式對GCB 進(jìn)行檢查。在GCB 巡檢工作時不但要求巡檢時間準(zhǔn)確，巡檢點不能遺漏，還要求記錄設(shè)備的異常和缺陷情況、運行數(shù)據(jù)[3]，為分析故障留下及時、詳盡的資料，保證設(shè)備狀態(tài)良好、連續(xù)、安全、可靠運行。然而，上述定期巡檢的方式需要耗費大量的人力物力，難以及時更新GCB 的運行狀態(tài)，實時性差。而且，很多故障的發(fā)現(xiàn)需要依賴技術(shù)人員的經(jīng)驗判斷，精確性差。同時GCB 隔離開關(guān)、接地開關(guān)動靜觸頭分、合是否到位則常常由于觀察窗位置較高、位置空間較狹窄等原因無法觀察 到位。

針對上述問題，為了保證電力企業(yè)能夠高質(zhì)量生產(chǎn)，設(shè)備安全運行，完備的應(yīng)急預(yù)案管理，高效的故障分析判斷，本文基于圖像識別比對技術(shù)對發(fā)電機(jī)出口開關(guān)設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測進(jìn)行探討，希望能夠利用在線監(jiān)測手段對GCB 進(jìn)行監(jiān)測，減少巡檢工作量，彌補(bǔ)巡檢工作的不足，最大程度的減少安全隱患，以提高設(shè)備的運行可靠性。

2 圖像識別比對技術(shù)的應(yīng)用

圖像識別比對是人工智能的一個重要領(lǐng)域。圖像識別比對，是指利用計算機(jī)對圖像進(jìn)行處理、分析和理解，以識別各種不同模式的目標(biāo)和對象的技術(shù)，是應(yīng)用深度學(xué)習(xí)算法的一種實踐應(yīng)用[4]。在計算機(jī)視覺識別系統(tǒng)中，圖像內(nèi)容通常用圖像特征進(jìn)行描述。一般工業(yè)使用中，采用工業(yè)相機(jī)拍攝圖片，然后利用軟件根據(jù)圖片灰階差做處理后識別出有用信息。圖像的傳統(tǒng)識別流程分為4 個步驟：圖像采集、圖像預(yù)處理、特征提取、圖像識別[5]。

圖像偏移識別是在圖像識別比對的基礎(chǔ)上，計算出拍攝圖像與標(biāo)準(zhǔn)圖像中某一標(biāo)識基準(zhǔn)的角度偏移、距離偏移的技術(shù)。該技術(shù)可以快速有效的計算出圖像偏移參數(shù)量的數(shù)值。現(xiàn)在可以實現(xiàn)距離偏差達(dá)到2 mm 時，輸出報警。

3 狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能介紹

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與布置

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為3 部分：第1 部分為視頻監(jiān)控元件；第2 部分為現(xiàn)地服務(wù)器；第3 部分為監(jiān)控報警。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)示意圖

視頻監(jiān)控元件：視頻監(jiān)控元件將拍攝到的設(shè)備狀態(tài)圖片或錄制的設(shè)備操作視頻發(fā)送至現(xiàn)地服務(wù)器，以便進(jìn)行下一步的處理和運算。

視頻監(jiān)控元件安裝在GCB 觀察窗處，探頭采用高集成式、高精度、超廣角紅外鏡頭，體積小，不影響設(shè)備的安全穩(wěn)定運行。視頻監(jiān)控元件采用3合1 或者2 合1 探頭，實現(xiàn)全空間無死角拍攝，可以清晰的拍攝出隔離刀閘觸指咬痕，觸指是否有偏差、歪斜等情況。開關(guān)斷口及支撐絕緣子監(jiān)測攝像頭布置位置可參照圖3 進(jìn)行。操作機(jī)構(gòu)連桿監(jiān)測攝像頭布置可參照圖4 進(jìn)行。現(xiàn)場可根據(jù)實際需要增加鏡頭，擴(kuò)大監(jiān)測范圍，如安裝在接地開關(guān)1、2 的兩側(cè)。此時可通過主設(shè)備外殼處開一小孔進(jìn)行 安裝。

現(xiàn)地服務(wù)器：現(xiàn)地服務(wù)器的主要工作內(nèi)容是接收并處理視頻監(jiān)控元件拍攝到的設(shè)備狀態(tài)圖片、錄制的設(shè)備操作視頻。

圖3 開關(guān)斷口及支撐絕緣子監(jiān)測攝像頭布置

圖4 傳動機(jī)構(gòu)監(jiān)測攝像頭布置

監(jiān)控報警系統(tǒng)：監(jiān)控報警系統(tǒng)對現(xiàn)地服務(wù)器發(fā)出的設(shè)備狀態(tài)異常信息按設(shè)備類型進(jìn)行保存，并輸出報警信號及時提醒運行人員設(shè)備狀態(tài)異常。

3.2 系統(tǒng)應(yīng)用功能

系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要分為實時監(jiān)控、圖像比對、異常報警、趨勢曲線、圖像調(diào)用5 個應(yīng)用模塊，如圖5 所示。

圖5 系統(tǒng)的應(yīng)用結(jié)構(gòu)圖

實時監(jiān)控：設(shè)備維護(hù)人員或運行人員可通過視頻監(jiān)控元件實時查看隔離開關(guān)斷口、接地開關(guān)斷口、支撐絕緣子、沖擊保護(hù)電容，接地開關(guān)、隔離開關(guān)、斷路器傳動機(jī)構(gòu)狀態(tài)，直接判斷隔離刀閘斷口、接地刀閘是否分合到位，傳動機(jī)構(gòu)是否異常。同時設(shè)備維護(hù)人員或運行人員可通過視頻監(jiān)控對設(shè)備狀態(tài)異常報警進(jìn)行二次確認(rèn)，避免誤報警的發(fā)生。

圖像比對：現(xiàn)地服務(wù)器應(yīng)用圖像識別比對技術(shù)對設(shè)備狀態(tài)圖片進(jìn)行分析處理并分類保存，并與系統(tǒng)內(nèi)存儲的設(shè)備標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)圖片進(jìn)行比對，與引入的監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備狀態(tài)比對，得出設(shè)備狀態(tài)是否正確的結(jié)論。同時基于圖像偏移識別計算出操作隔離刀閘斷口動靜觸頭距離、傳動連桿位移、傳動拐臂松動、隔離開關(guān)斷口觸指位移等圖像偏移參數(shù)量的數(shù)值，并與系統(tǒng)設(shè)定報警值進(jìn)行比較。

異常報警：根據(jù)圖像識別比對得出的結(jié)論，對設(shè)備異常狀態(tài)輸出報警信號，保證GCB 本質(zhì)安全。將報警上傳監(jiān)控系統(tǒng)，運行人員可遠(yuǎn)程發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常并及時進(jìn)行處理；也可將報警信息引入開停機(jī)流程中，提高設(shè)備操作可靠性。

趨勢曲線：將設(shè)備狀態(tài)、圖像偏移參數(shù)量的數(shù)值等信息進(jìn)行匯總，繪制時間趨勢曲線，便于維護(hù)人員對設(shè)備長期狀態(tài)的了解與分析。

圖像調(diào)用：在GCB 發(fā)生故障時，調(diào)用系統(tǒng)拍攝的監(jiān)測視頻，可以對故障判斷、分析提供依據(jù)。在設(shè)備運行時，通過對系統(tǒng)拍攝的監(jiān)測視頻、圖片的分析，也可以發(fā)現(xiàn)GCB 存在的操作連桿輕微位移、隔離開關(guān)斷口觸指變形等設(shè)備隱患，將隱患消除在故障發(fā)生前。同時監(jiān)測視頻也可以用于人員培養(yǎng)，提升運行、維護(hù)人員對設(shè)備的了解。

4 結(jié)論

利用可視化監(jiān)測技術(shù)對發(fā)電機(jī)出口開關(guān)設(shè)備的運行情況進(jìn)行實時且長期的監(jiān)測，不僅能夠使運行人員準(zhǔn)確了解GCB 的當(dāng)前運行狀態(tài)，而且還能夠使維護(hù)人員對設(shè)備的運行變化趨勢進(jìn)行預(yù)知性研判，提高GCB 隱患排查和事故分析處理的準(zhǔn)確性和效率，實現(xiàn)GCB 檢修維護(hù)方式從故障檢修、定期檢修向事故預(yù)防、狀態(tài)檢修轉(zhuǎn)變，為降低設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)費用，提高設(shè)備的利用率奠定基礎(chǔ)。此監(jiān)測系統(tǒng)仍無法實現(xiàn)對GCB 斷路器滅弧室的可視化監(jiān)測。如何做好斷路器滅弧室內(nèi)部的監(jiān)測，將故障消除在隱患階段，仍需要我們繼續(xù)摸索。