發電機出口開關狀態可視化監測

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

近年各發電廠均在發電機和升壓變之間設置發電機出口開關（以下簡稱：GCB），以優化設備運行方式。GCB 結構可靠、維護量小，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產生干擾；實現主變壓器倒掛運行，提高廠用電可靠性；開斷正常負荷電流以及故障短路電流等優點[1-2]。白鶴灘水電站安裝有16 臺世界第一的百萬千瓦機組，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生變形、松動、移位，開關動靜觸頭分、合不到位等異常情況導致的事故也是接二連三發生，GCB 的安全穩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 相隔離刀閘導電環、靜觸頭觸指、滅弧室殼體嚴重燒損，故障情況如圖1 所示。現有GCB 保護裝置還不具備對操動機構以及斷口間隔存在的隱患和故障進行提前預判能力，也不具備實時狀態可視化監測能力。本文基于圖像識別比對技術對發電機出口開關可視化狀態監測進行了探討，利用可視化在線監測手段對開關設備進行監測，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、接地開關均為三相分體式結構，且都是使用一套操動機構通過傳動連桿三相聯動實現分合閘，所以其保護裝置獲取控制均從就近一相獲取，這樣就使現有保護裝置的保護范圍存在盲區，缺乏對三相實際情況的覆蓋。而且現有保護裝置對三相傳動連桿及拐臂，開關動靜觸頭，斷口內支撐絕緣子等設備的狀態沒辦法覆蓋， 而由于上述設備故障多有發生，嚴重影響了電網的安全穩定運行。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 的工作穩定一般采用定期巡檢的方式對GCB 進行檢查。在GCB 巡檢工作時不但要求巡檢時間準確，巡檢點不能遺漏，還要求記錄設備的異常和缺陷情況、運行數據[3]，為分析故障留下及時、詳盡的資料，保證設備狀態良好、連續、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，實時性差。而且，很多故障的發現需要依賴技術人員的經驗判斷，精確性差。同時GCB 隔離開關、接地開關動靜觸頭分、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，為了保證電力企業能夠高質量生產，設備安全運行，完備的應急預案管理，高效的故障分析判斷，本文基于圖像識別比對技術對發電機出口開關設備狀態監測進行探討，希望能夠利用在線監測手段對GCB 進行監測，減少巡檢工作量，彌補巡檢工作的不足，最大程度的減少安全隱患，以提高設備的運行可靠性。

2 圖像識別比對技術的應用

圖像識別比對是人工智能的一個重要領域。圖像識別比對，是指利用計算機對圖像進行處理、分析和理解，以識別各種不同模式的目標和對象的技術，是應用深度學習算法的一種實踐應用[4]。在計算機視覺識別系統中，圖像內容通常用圖像特征進行描述。一般工業使用中，采用工業相機拍攝圖片，然后利用軟件根據圖片灰階差做處理后識別出有用信息。圖像的傳統識別流程分為4 個步驟：圖像采集、圖像預處理、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上，計算出拍攝圖像與標準圖像中某一標識基準的角度偏移、距離偏移的技術。該技術可以快速有效的計算出圖像偏移參數量的數值。現在可以實現距離偏差達到2 mm 時，輸出報警。

3 狀態監測系統結構及功能介紹

3.1 系統結構與布置

本系統結構分為3 部分：第1 部分為視頻監控元件；第2 部分為現地服務器；第3 部分為監控報警。系統總體結構見圖2。

圖2 系統總結構示意圖

視頻監控元件：視頻監控元件將拍攝到的設備狀態圖片或錄制的設備操作視頻發送至現地服務器，以便進行下一步的處理和運算。

視頻監控元件安裝在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，不影響設備的安全穩定運行。視頻監控元件采用3合1 或者2 合1 探頭，實現全空間無死角拍攝，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。開關斷口及支撐絕緣子監測攝像頭布置位置可參照圖3 進行。操作機構連桿監測攝像頭布置可參照圖4 進行。現場可根據實際需要增加鏡頭，擴大監測范圍，如安裝在接地開關1、2 的兩側。此時可通過主設備外殼處開一小孔進行 安裝。

現地服務器：現地服務器的主要工作內容是接收并處理視頻監控元件拍攝到的設備狀態圖片、錄制的設備操作視頻。

圖3 開關斷口及支撐絕緣子監測攝像頭布置

圖4 傳動機構監測攝像頭布置

監控報警系統：監控報警系統對現地服務器發出的設備狀態異常信息按設備類型進行保存，并輸出報警信號及時提醒運行人員設備狀態異常。

3.2 系統應用功能

系統的應用結構如圖3 所示，主要分為實時監控、圖像比對、異常報警、趨勢曲線、圖像調用5 個應用模塊，如圖5 所示。

圖5 系統的應用結構圖

實時監控：設備維護人員或運行人員可通過視頻監控元件實時查看隔離開關斷口、接地開關斷口、支撐絕緣子、沖擊保護電容，接地開關、隔離開關、斷路器傳動機構狀態，直接判斷隔離刀閘斷口、接地刀閘是否分合到位，傳動機構是否異常。同時設備維護人員或運行人員可通過視頻監控對設備狀態異常報警進行二次確認，避免誤報警的發生。

圖像比對：現地服務器應用圖像識別比對技術對設備狀態圖片進行分析處理并分類保存，并與系統內存儲的設備標準狀態圖片進行比對，與引入的監控系統設備狀態比對，得出設備狀態是否正確的結論。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、隔離開關斷口觸指位移等圖像偏移參數量的數值，并與系統設定報警值進行比較。

異常報警：根據圖像識別比對得出的結論，對設備異常狀態輸出報警信號，保證GCB 本質安全。將報警上傳監控系統，運行人員可遠程發現設備異常并及時進行處理；也可將報警信息引入開停機流程中，提高設備操作可靠性。

趨勢曲線：將設備狀態、圖像偏移參數量的數值等信息進行匯總，繪制時間趨勢曲線，便于維護人員對設備長期狀態的了解與分析。

圖像調用：在GCB 發生故障時，調用系統拍攝的監測視頻，可以對故障判斷、分析提供依據。在設備運行時，通過對系統拍攝的監測視頻、圖片的分析，也可以發現GCB 存在的操作連桿輕微位移、隔離開關斷口觸指變形等設備隱患，將隱患消除在故障發生前。同時監測視頻也可以用于人員培養，提升運行、維護人員對設備的了解。

4 結論

利用可視化監測技術對發電機出口開關設備的運行情況進行實時且長期的監測，不僅能夠使運行人員準確了解GCB 的當前運行狀態，而且還能夠使維護人員對設備的運行變化趨勢進行預知性研判，提高GCB 隱患排查和事故分析處理的準確性和效率，實現GCB 檢修維護方式從故障檢修、定期檢修向事故預防、狀態檢修轉變，為降低設備的維護保養費用，提高設備的利用率奠定基礎。此監測系統仍無法實現對GCB 斷路器滅弧室的可視化監測。如何做好斷路器滅弧室內部的監測，將故障消除在隱患階段，仍需要我們繼續摸索。