變電站作業(yè)安全智能預(yù)警系統(tǒng)的研究與應(yīng)用

尹 琪，何升華，周作堅(jiān)

（國網(wǎng)嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000）

隨著電網(wǎng)的發(fā)展，變電站內(nèi)間隔新建、設(shè)備改造、消缺等帶來的現(xiàn)場施工或檢修作業(yè)越來越多，作業(yè)現(xiàn)場的安全問題必須更加重視。目前，變電站內(nèi)作業(yè)現(xiàn)場的安全監(jiān)管方式多種多樣，包括現(xiàn)場人工監(jiān)護(hù)、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、安全檢查等。然而這些監(jiān)管手段都需要大量的安全管理人員參與，隨著電網(wǎng)的日益龐大和工作量的日益增加，越來越難以適應(yīng)現(xiàn)場的安全管控需求[1-2]。當(dāng)前云計(jì)算、圖片智能識別技術(shù)、人工智能算法等技術(shù)不斷成熟，并不斷應(yīng)用于電力作業(yè)的現(xiàn)場，有效節(jié)省人力資源，提升現(xiàn)場安全管控的效率與精度[3-7]。根據(jù)當(dāng)前變電站內(nèi)的實(shí)際施工及檢修作業(yè)情況，研究一套完整的智能安全預(yù)警規(guī)則，有效利用圖像智能識別、人工智能算法等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場停電設(shè)備與非停電設(shè)備區(qū)域智能劃分、安全距離實(shí)時預(yù)警、現(xiàn)場違章行為智能識別等功能。

1 作業(yè)安全智能預(yù)警的原理

本系統(tǒng)通過構(gòu)建三維數(shù)字化模型，結(jié)合人工智能深度學(xué)習(xí)算法，對現(xiàn)場安裝的三維激光攝像機(jī)傳回內(nèi)容進(jìn)行違章情況自動識別和主動預(yù)警。

1.1 變電站三維數(shù)字化建模

首先在變電站逐個間隔開展激光掃描，按照變電站實(shí)景搭建三維模型，并對三維模型中和安全預(yù)警相關(guān)的內(nèi)容數(shù)字化，比如預(yù)警距離、是否帶電等，完善三維模型中各設(shè)備的數(shù)字屬性，如圖1所示。

圖1 變電站三維模型展示

1.2 編制人工智能深度學(xué)習(xí)算法

通過現(xiàn)場采集模擬違規(guī)作業(yè)行為，建立變電站作業(yè)違章數(shù)據(jù)庫。然后編制人工智能深度學(xué)習(xí)算法，對現(xiàn)場違章行為進(jìn)行算法訓(xùn)練，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場作業(yè)違章識別功能。

1.3 三維激光攝像機(jī)實(shí)時監(jiān)測

該攝像機(jī)的核心功能是激光測距和高精度視頻監(jiān)控，配合算法可以實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備帶電部位與作業(yè)人員的距離測量，并將拍攝到的現(xiàn)場視頻傳回后臺，實(shí)現(xiàn)多種安全預(yù)警分析。

2 作業(yè)安全預(yù)警規(guī)則研究

除了變電站全站停電，其他情況下的作業(yè)現(xiàn)場往往緊鄰帶電設(shè)備。必須根據(jù)變電站作業(yè)現(xiàn)場的實(shí)際情況研究一套完整的變電站作業(yè)安全預(yù)警規(guī)則，明確設(shè)備帶電的判斷方法，為系統(tǒng)識別停電作業(yè)區(qū)域與帶電區(qū)域提供依據(jù)。

在設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)下，認(rèn)為導(dǎo)線經(jīng)過的部位都是帶電的，電壓設(shè)置為該設(shè)備的額定運(yùn)行電壓，設(shè)備的絕緣部位在設(shè)計(jì)中可以不考慮帶電問題。

設(shè)備是否帶電的核心判據(jù)是接地隔離開關(guān)是否合上，接地隔離開關(guān)合上時設(shè)備帶電部位電壓置零；接地隔離開關(guān)未合上時，即使設(shè)備已斷開電源，由于變電站內(nèi)存在較強(qiáng)的感應(yīng)電，認(rèn)為該設(shè)備帶電，并且?guī)щ姴课浑妷喝栽O(shè)置為額定運(yùn)行電壓。

2.1 線路間隔設(shè)備帶電判斷

開關(guān)母線側(cè)接地隔離開關(guān)合上，開關(guān)線路側(cè)接地隔離開關(guān)合上，此時線路隔離開關(guān)開關(guān)側(cè)與正母隔離開關(guān)開關(guān)側(cè)的設(shè)備及導(dǎo)線電壓為0，包括正母隔離開關(guān)的開關(guān)側(cè)部分、副母隔離開關(guān)、斷路器、電流互感器、線路隔離開關(guān)的開關(guān)側(cè)部分、相關(guān)導(dǎo)線，其他設(shè)備電壓保持不變。開關(guān)母線側(cè)接地隔離開關(guān)和開關(guān)線路側(cè)接地隔離開關(guān)分別如圖2和圖3所示。

圖2 開關(guān)母線側(cè)接地隔離開關(guān)示意

圖3 開關(guān)線路側(cè)接地隔離開關(guān)示意

線路接地隔離開關(guān)合上，此線路隔離開關(guān)線路側(cè)的設(shè)備及導(dǎo)線電壓為0，包括線路隔離開關(guān)的線路側(cè)部分、避雷器、線路壓變、相應(yīng)導(dǎo)線，其他設(shè)備電壓保持不變。線路接地隔離開關(guān)如圖4所示。

圖4 線路接地隔離開關(guān)示意

線路接地隔離開關(guān)合上，開關(guān)母線側(cè)接地隔離開關(guān)合上，開關(guān)線路側(cè)接地隔離開關(guān)合上，此時正母隔離開關(guān)開關(guān)側(cè)的所有設(shè)備及導(dǎo)線電壓全部為0。

2.2 主變220 kV間隔設(shè)備帶電判斷

主變220 kV主變接地隔離開關(guān)合上，此時主變220 kV主變隔離開關(guān)主變側(cè)電壓為0，其他設(shè)備電壓保持不變。

主變220 kV開關(guān)母線側(cè)接地隔離開關(guān)合上，主變220 kV開關(guān)主變側(cè)接地隔離開關(guān)合上，此時主變220 kV主變隔離開關(guān)開關(guān)側(cè)與主變220 kV正母隔離開關(guān)開關(guān)側(cè)的設(shè)備及導(dǎo)線電壓為0，其他設(shè)備電壓保持不變。

主變220kV主變接地隔離開關(guān)合上，主變220 kV開關(guān)母線側(cè)接地隔離開關(guān)合上，主變220 kV開關(guān)主變側(cè)接地隔離開關(guān)合上，此時主變220 kV正母隔離開關(guān)開關(guān)側(cè)的導(dǎo)線及設(shè)備電壓為0。

2.3 220 kV母線設(shè)備帶電判斷

220 kV正母接地隔離開關(guān)合上，此時220 kV正母線電壓全部為0，每個間隔正母隔離開關(guān)與正母線接觸部分的電壓為0。

220 kV副母接地隔離開關(guān)合上，此時220 kV副母線電壓全部為0，其他設(shè)備電壓不變。

2.4 220 kV母線壓變設(shè)備帶電判斷

220kV正母壓變接地隔離開關(guān)合上，此時220 kV正母壓變、220 kV正母壓變隔離開關(guān)、相關(guān)導(dǎo)線電壓為0。

3 安全預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用

3.1 安全距離智能預(yù)警

對三維激光攝像機(jī)實(shí)時采集到的現(xiàn)場激光掃描數(shù)據(jù)按照部件拆分，得到現(xiàn)場物理空間的實(shí)時三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，代入軟件系統(tǒng)的三維模型中，與原始三維模型的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配和計(jì)算，得到現(xiàn)場的各類外來物體與原有設(shè)備帶電部位的距離，包括作業(yè)人員、車輛、工具等，如圖5所示。

圖5 實(shí)時三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)

再結(jié)合工作票上所列安全措施，判斷設(shè)備帶電部位當(dāng)前狀態(tài)下是否帶電。當(dāng)安全距離小于安規(guī)中規(guī)定的安全距離時，向作業(yè)現(xiàn)場以及遠(yuǎn)方監(jiān)控發(fā)出預(yù)警。

3.2 違章行為智能識別

在算法訓(xùn)練階段，將變電站現(xiàn)場可以視覺識別到的各類違章行為，通過現(xiàn)場模擬的方式，逐一進(jìn)行算法學(xué)習(xí)和訓(xùn)練，構(gòu)建違章行為數(shù)據(jù)庫。

實(shí)際作業(yè)時，攝像機(jī)將現(xiàn)場畫面實(shí)時傳回主機(jī)，對采集到的圖像實(shí)時處理，通過人工智能算法識別現(xiàn)場人員的行為，并與違章行為數(shù)據(jù)庫比對，判斷作業(yè)人員是否違章。具體的違章行為包括作業(yè)人員未佩戴安全帽、爬梯未水平搬運(yùn)、未穿工作服等。

4 結(jié)束語

本文根據(jù)當(dāng)前變電站內(nèi)的實(shí)際施工及檢修作業(yè)情況，研究一套完整的智能安全預(yù)警規(guī)則，有效利用圖像智能識別、人工智能算法等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)作業(yè)現(xiàn)場停電設(shè)備與非停電設(shè)備區(qū)域智能劃分、安全距離實(shí)時預(yù)警、現(xiàn)場違章行為智能識別等功能。

下一步研究重點(diǎn)放在該系統(tǒng)的研發(fā)成本降低與通信數(shù)據(jù)篩減，將該系統(tǒng)推廣應(yīng)用，納入變電站視頻監(jiān)控的重要一環(huán)。