工業電視智能元素在二灘水電站的應用

郭玉恒，郭錫瑾

（1.二灘水力發電廠，四川省攀枝花市 617000；2.東南大學，江蘇省南京市 211189）

0 引言

隨著信息化、工業化技術發展與管理發展的需要以及堅強智能電網協調發展的需要，電力行業開啟了智能水電站建設的新征程。二灘水電站緊跟時代步伐，正以設備改造為契機，啟動了智能水電站的建設規劃及實施。本文僅以工業電視智能化建設為例，闡述二灘水電站智能化建設情況。

在堅強智能電網建設探索的道路上，大部分采用機器人智能元素[1]代替人參與巡檢，并第一時間將巡檢采集信息傳輸到后臺管理系統存儲及供運行人員分析使用。但對具有樓層多、設備高低不一、可視化參差不齊、空間有限等特點的水電站來說，機器人巡檢在水電站的應用存在一定的局限性。它僅能在一定程度上代替人的勞動，且在水電站復雜場景下巡檢的可靠性不及人，更重要的是工作具有間斷性，存在時間死區，不能實現全天候實時感知設備和環境的變化，更不能第一時間發現設備和環境發生的變化，時效性差。對電力生產來說，控制事故發生的有利時機是發生變化時，第一時間告知運行人員，并得到及時有效處置，防止時態的發展演變為事故。從這個角度看，機器人巡檢方案在復雜的水電站環境中雖然可用，但可靠性不佳。

隨著紅外熱成像測溫技術[2]、監控視頻濃縮技術[3]和智能化視頻分析技術[4]的發展，工業電視已將這些技術高度集成，形成了功能強大的攝像機，并充分應用到工業電視領域。它的全天候實時感知功能，更符合水電站運行的要求，智能元素+全天候感知特點被二灘水電站智能化建設選中，并在巡檢板塊得以應用。

本文通過對比通用的機器人方案和新型的工業電視智能元素方案的運行特點，在二灘水電站智能化建設的巡檢板塊中，選用工業電視智能元素輔助運行人員巡檢，取得了提高巡檢工作效率和工作質量、降低巡檢過程中帶來的安全風險、實現設備運行狀態全天候感知并實時預警、快速還原事故真相等良好的效果。

1 總體方案

二灘水電站自投運以來，已對工業電視系統進行了兩輪改造，在第一輪改造時，沿用了傳統理念，僅在監視點位上進行了增加，功能上仍采用錄像功能，依賴于人工檢查。本輪改造緊跟時代步伐，經過了充分的市場調研，結合設備空間布局、設備監視需要及智能水電站建設規劃，除保留傳統的錄像功能外，引進了人臉識別、紅外測溫等智能化視頻分析元素，大大提高了二灘水電站的智能化程度。

本輪改造前，全廠共有170個攝像機，不能涵蓋所有設備區域，特別是一些重要的設備場所無攝像機監視，如發電機集電環室、上風洞、下風洞等高危險區域，完全依賴于人工巡檢中發現隱患。本次改造，首先保證監控的全覆蓋，對全廠區域進行了普查和梳理，由原來170個點位增至311個點位[5]，對主副廠房、大壩、GIS樓等29個區域的主要機電設備、防汛設備、公用系統設備和重要部位進行實時監視和錄像，努力實現無人值守；其次加強管理手段，比如同時在進出地下廠房的安裝間入口和高速電梯入口增設了人臉識別人行道閘，對進出地下廠房人員進行智能化管理；最后是應用智能化自動分析及異常預警方案，對發電機、主變壓器及GIS設備易發熱部分采用紅外熱成像攝像機進行全天候監視和錄像，充分利用新技術及智能元素提升工業電視系統的安防管理水平。系統選用浙江大華的智慧能源監控平臺系統。

2 應用方式及成效

相比于傳統人工巡檢和通用的機器人巡檢方案，工業電視智能元素技術在水電站管理中優勢明顯。下文將解釋智能化技術的基本原理和與其他方案的對比優勢。

2.1 快速還原事故真相，精準施策

每當事故發生后，在分析事故原因時，需要收集事故前的大量信息。在傳統方案中，依賴于人工對視頻錄像的回放檢查，工作量大且容易遺漏。考慮水電站應用中工業電視監控場景多為儀器及設備，因此錄像內容變化不大，容易導致人工回放檢查時產生視覺疲勞而遺漏關鍵變化。同時，機器人巡檢方案中時間死區容易導致關鍵變化信息遺漏，完全不可用。

采用視頻濃縮技術，自動分析視頻中上下文內容變化，通過顏色直方圖、邊緣檢測和分塊補償等特征的有機組合構造每幀的特征[6]，從而確定關鍵幀，丟棄視頻中大量的微小變化幀，實現對關鍵內容的提取、保留和錄像壓縮率的大幅提升。

有了工業電視全天候的監視和錄像，能在事故后提供事故前、事故中的完整圖像，為事故原因分析提供了科學依據。同時，借助視頻濃縮技術形成事故前后儀器圖像鮮明對比，檢查時一目了然；而且，此時只需檢查提取的關鍵幀，大幅減少了需要人工檢查的錄像長度。2020年1月4日14點50分，二灘水電站計算機監控系統報“6號進水口閘門下沉24cm報警，進水口2號泵站閘門啟閉機故障”等報警信號，查詢數據信息顯示6號機組進水口閘門開度由98.5%瞬間降為93.62%，但通過工業電視視頻濃縮回放報警前后6號機組進水口閘門運行情況如圖1所示，確認閘門并未實際下滑，報警原因為開度傳感器數值突變所致。此時，只需要幾分鐘即可確定事故原因并解決問題，大幅提升了處置效率。

圖1 二灘水電站6號機組進水口閘門Figure 1 Intake gate of unit 6 of Ertan Hydropower Station

2.2 確保人身安全，提高工作效率

針對相對密閉的空間或風險比較高的區域增加攝像機，可以減少運行人員每天巡檢頻次，由原來的3次改為1次，其余次數通過工業電視巡檢。比如集電環室、發電機上下風洞，可以減少人為巡檢過程中出現電氣設備短路或火災給巡檢人員帶來的人身傷害風險。夜間巡檢時，由于生物鐘因素，人比較疲倦，容易發生不可預知的安全事件，在中央控制室，采用工業電視巡檢，可大大降低巡檢時的安全風險，確保人身安全。從效率上講，現場一次人工巡檢，需要近150min，通過工業電視巡檢，可在40min內完成。

相比于人工巡檢，采用工業電視巡檢并不會降低巡檢質量，反而實現了難巡檢區域的實時覆蓋，又能提高工作效率，保障巡檢人員人身安全。相比于機器人巡檢，工業電視巡檢優勢在于全覆蓋、全天候監視，尤其是水電站下風洞、上機架、集電環室等各種難以進入的關鍵區域。

2.3 確保電站人員安全有效管控

在水電站的關鍵場地，既要保證內部人員的安全，又要防范外來人員的干擾。人臉識別技術基于當前的深度學習技術提取人臉特征，通過比對特征后相似度判斷是否為同一人[7]，實現了每個人身份的確認，結合多個位置的人臉識別信息，更是實現了人員軌跡的跟蹤。同時，利用時間、位置信息等，可實現人員異常行動的發現和預警。此類智能化視頻分析技術，實現了自動的信息提取和管理分析，比人工方式更便捷、更可靠，且信息分析能力絕對優于人工管理。同時，此類創新是巡檢機器人無法實現的。

在進出廠房的通道上，安裝人臉識別，對進出廠房的人員進行安全有效管控。實現廠房人員動態統計，記錄進出廠房人員進出時間、次數以及當前時刻廠房內剩余人員數量；實現超時未離開廠房報警，當進入廠房人員在設定的時間（可按小時整定）內未離開廠房，將未離開人員信息（包括照片、姓名、單位、聯系電話等）通過后臺送到安裝間和高速電梯洞口的落地立式廣告屏彈出并閃爍報警顯示，方便安保值班人員與其聯系；實現自動作廢人員信息功能，當數據庫中人員長達設定時間（可按天整定）再未出入過廠房，自動將人員信息移入“不確定狀態”信息庫，不能正常通行，但個人信息仍保留數據庫，如需通行，需后臺重新確認。

2.4 實時感知，全天候監測

電氣設備是易發熱設備，特別是連接處、過度處，如溫度超過正常允許值，未在第一時間內發現并控制，局部發熱就會逐步演變成事故。然而，人工巡檢和機器人巡檢均不能及時發現此類問題，而且溫度變化往往難以從視覺上直接發現，傳統的工業電視錄像配合人工檢查也無法及時發現問題。

根據熱輻射研究，不同溫度的物體發出的熱輻射波長不同。紅外熱成像攝像機正是通過對物體輻射波長的檢測，實現物體溫度的測量和監控。結合基于深度學習的智能化紅外視頻分析手段[8]，可以實時發現所監控位置的溫度異常點，提供實時預警及異常位置說明。

因此，本文提出對電氣設備易發熱部位（37個點位）采用紅外熱成像攝像機進行全天候監視和錄像，使用智能化分析技術監測設備運行溫度并顯示監視區域內設備溫度的最高值，如圖2所示，當溫度超過對應區域預設報警值時，立即將監視畫面在控制室的顯示屏上顯示并發出報警聲，提示運行人員查看并采取措施進行處置。

圖2 二灘水電站2號機組集電環室Figure 2 Collector ring chamber of unit 2 of Ertan Hydropower Station

3 結束語

綜上所述，工業電視智能元素在二灘水電站電力生產中已充分發揮智能作用，快速還原事故真相，提高了運行人員的巡檢工作效率和工作質量，降低了巡檢過程中帶來的安全風險，實現了全天候感知設備信息并實時預警，從以往的“人找信息”轉變為“信息找人”。同時，工業電視+智能元素更是面向未來的平臺，可以便捷地加入更全面、更準確地自動分析技術。

然而，本文所述方案尚不完備，在辨別局部放電光譜、區分正常聲音與異常聲音、辨別氣味等方面還不健全，希望隨著光學、聲學、嗅學等技術的發展，工業電視的智能元素集成功能日趨完善，在智能水電站建設的巡檢板塊中全面接管人工巡檢的重任，為實現水電站的全面智能邁出堅實的步伐。