特高壓變壓器視頻監控智能巡檢系統研究與應用

郭 楊，李開拓，陳 昊，李義峰，陳維佳

(1.國網江蘇省電力有限公司超高壓分公司，江蘇 南京 211102；2.國網江蘇省電力有限公司南京供電分公司，江蘇 南京 210019)

0 引言

隨著經濟的高速發展，特高壓電網建設持續推進，截至2023年初，中國已累計建成投運17條交流特高壓輸電線路，共計32座1 000 kV特高壓變電站。特高壓變電站占地面積大、運行維護要求高、設備數量多且體積大，其穩定性將直接影響到主電網的安全。目前，絕大多數特高壓變電站采用GIS設備，相較于敞開式設備，GIS設備穩定性更高，受氣象和環境影響較小，設備故障和缺陷的發生率較低。因此，變電運維人員的巡視重點主要集中在站內敞開式設備，尤其是特高壓變壓器，不僅體積龐大、巡視點位多，同時因其內部充有大量變壓器油，消防安全風險也比較高。特高壓變電站內充油設備數量眾多，以華東某1 000 kV特高壓變電站為例，在建成投運后，整個變電站將包含6組特高壓變壓器，共計18臺大型充油設備，其巡視難度和運維工作量將大為增加。

視頻監控技術在變電站已應用多年，早期作為變電站內安全防護之用，但因其精細程度不夠，在現場設備巡視方面尚未大面積應用。就視頻監控技術而言，相關研究基本集中在220 kV及500 kV變電站[1-4]，且監控的重點主要集中在匯控箱、保護屏柜等設備上[5-6]。文獻[7]介紹了視頻監控系統在變電站火災報警、紅外門禁報警等方面的應用；文獻[8]介紹了視頻監控在500 kV變電站無人值守、遠程監控方面的研究，但未對設備的監視效果進行詳細論述；文獻[9]在分析視頻監控系統構架和配置的基礎上，介紹了該系統在變壓器紅外熱成像方面的應用，但其功能較為單一。

隨著數字及網絡技術的發展，以數字視頻服務器為基礎的網絡化視頻監控系統得到了廣泛應用[10-11]。因此，以某1 000 kV特高壓變電站為例，介紹多功能高分辨率攝像監控系統在站內主變壓器巡檢方面的應用，通過合理的點位布設以及完善的網絡結構，實時采集視頻監控信號，利用智能巡檢分析系統進行比對和預警，以提高設備巡視質量和效率，減少人員的巡視工作量，保障運維人員巡檢工作的安全。

1 傳統站內視頻監控存在的問題

傳統的變電站視頻監控系統因各種條件的限制，在多年的運行過程中暴露出以下問題。

1) 攝像機安裝數量不足。由于設備巡視攝像機監視范圍要求較大，對于體積龐大的單體設備，只能監視其外觀整體狀態，而無法監視局部關鍵位置或清晰度不夠。

2) 傳統的視頻監控攝像機分辨率較低，夜視功能薄弱。在光線不足的情況下，監視畫面較為模糊，很難對設備的運行狀況進行準確辨別；在環境溫度較高、負荷較重以及設備有發熱缺陷的情況下，運維人員無法監視設備的發熱情況，只能依靠人工進行紅外測溫。

3) 對采集的一次設備圖像和視頻，缺乏配套的分析系統和數據庫，不能進行智能分析，導致早期預警能力不足。

4) 受網絡系統結構的限制，只能將采集的視頻及圖片存儲到變電站端的硬盤錄像設備內供查詢和調用，無法上送到遠端智能運檢監控中心。

2 特高壓變壓器巡視要求

1 000 kV特高壓變壓器一般采用三相分體結構，主變壓器由主體變和調壓補償變兩部分組成，兩者相互獨立，油路互不聯通，通過各自套管上的導線實現電氣連接。變壓器器身主要設備包括本體油箱、油枕、壓力釋放閥、瓦斯繼電器、油溫表和各電壓等級出線套管[12-14]，日常巡視重點有器身有無懸掛異物、呼吸器呼吸是否正常、硅膠變色是否超過規定值、油溫油位數值是否正常、冷卻器油流指示器是否正常、引線接頭有無異常和明顯發熱現象、套管有無裂紋和放電痕跡、瓦斯繼電器有無滲漏及內部是否充滿油、運行聲音是否正常(是否連續均勻)等。

特高壓變壓器因體積龐大，需監視的表計及部件多，加之變壓器故障運行風險高，存在發生燃燒甚至爆炸的潛在風險，器身本體及周圍異物也可能威脅主變的運行安全[15-16]。因此，對變壓器的外觀、油溫、線溫以及瓦斯繼電器運行情況的監測尤為重要，視頻監控智能巡檢系統可有效彌補上述監控或巡檢的不足[17-18]。

3 視頻監控智能巡檢系統結構

視頻監控智能巡檢系統主要由現場就地設備和站端集成分析設備兩部分組成。

現場就地設備主要是按需求布置于預制點位的變壓器各間隔內不同功能的高清網絡攝像機。預制點位包括變壓器設備區四周的鋼構架、防火墻及特設支柱，各點位攝像機通過網線連接到對應的交換機，再通過光纖與保護小室內視頻監控集成屏上的區域光口交換機連接并由該交換機轉接至保護室小室內的硬盤錄像機，同時區域光口交換機還通過光纖與站端主控室內的光口交換機相連接。

站端集成分析設備包括智能巡檢系統站端光口交換機、設備管理單位生產管理系統(PMS)站端光口交換機、前置工作站、智能視頻分析服務器。智能視頻分析服務器采用模式識別技術對硬盤錄像機內采集并存儲的圖片和視頻進行比對分析，對存在異常的分析結果發出預警信息，并通過站端主控室內前置工作站提示運維人員進行檢查確認；同時，相關信息還將通過監控中心遠端交換機傳送至設備管理單位生產管理系統，便于監控人員在遠端工作站上查詢和調用巡檢視頻。視頻監控智能巡檢系統網絡拓撲結構如圖1所示。

圖1 視頻監控智能巡檢系統網絡拓撲結構

4 設備選型

4.1 前端設備

根據設備的位置特點及巡檢要求，選用不同類型和功能的攝像機，包括紅外測溫攝像機、具備巡航功能的球型攝像機、具有光補償功能的云臺攝像機、便于狹小空間安裝的卡片式攝像機以及采集聲音的聲紋收集器[19-20]。

4.2 硬盤錄像機

站內變壓器共配置30臺高清攝像機，分辨率為1 920×1 080像素，考慮站內其他區域的攝像機，共計布設72臺，可實現全天候24 h不間斷拍攝，視頻數據約700 GB/天，保存時間為3個月，硬盤錄像機最大可提供64 TB的存儲空間。視頻存儲采用存儲局域網絡(IP-SAN)存儲模式，數據讀取能力可滿足1080P高清圖像碼流所需的5～6 M/s傳輸速率的要求。

4.3 通信控制器

硬盤錄像機內置通信控制器為現場每一個攝像機配置全站局域網IP地址，攝像機設備信息和IP地址均通過通信控制器向PMS平臺集中注冊，PMS后臺可通過每個IP地址訪問和調用現場視頻監控攝像機。

5 應用情況

每相變壓器本體四周設置10臺攝像機，實現了變壓器全覆蓋、無死角、多狀態實時監控，此外變壓器8組冷卻器底部布設8臺攝像機，用于潛油泵油流表盤監視。布設攝像機種類和功能見表1。

表1 攝像機種類及功能

6 結果比對

視頻監控智能巡檢系統可根據運行需求，設定不同類型的巡檢任務，包括每天2次的例行巡視、每周1次的全面巡視，每月1次的熄燈巡視、異常設備的單點專業巡視以及迎峰度夏(冬)期間保電設備的特殊巡視等，巡檢視頻可供站端運維人員和遠端監控人員調取和查閱。

為驗證該系統的實用性和可靠性，從清晰度、準確度、實效性三個方面，將系統在可見光拍攝、套管紅外測溫、表計讀數、瓦斯繼電器狀態辨識等方面的巡視結果與人工巡視結果進行比對。

1) 可見光拍攝。系統顯示畫面清晰直觀，既可俯視主變頂部全景，也可定位于某一特定設備，實時監控頂部是否有漂浮物、鳥窩等異物存在，查看各套管油位是否正常，是否滲油；人工巡視只能停留在本體下方觀察到局部情況，必要時還需借助望遠鏡、照相機等設備，在運行情況下，無法登高實施檢查，存在明顯的盲區。

2) 套管紅外測溫。紅外測溫攝像機因其安裝位置優勢，可對變壓器頂部易發熱部位(套管引線、接頭等)進行紅外測溫，便于發現有顯著發熱的缺陷點，且能設定定時巡檢、定點監控發熱點、實時記錄熱點溫度變化值等任務，便于運維人員對缺陷點的發熱趨勢進行研判和輔助消缺工作的開展；人工紅外測溫因受位置和視角的限制，無法在同一位置測量所有部件的溫度，且對發熱缺陷的定期跟蹤需耗費較多的時間和人力。

3) 表計讀數。對主體變油溫、線溫表計的讀取，運維人員只需在主控室前端工作站上選定對應表計的名稱，利用攝像機的自動對焦功能就能完成相關數據的讀取，整個過程耗時少、畫面清晰、讀數準確；人工讀取需耗費大量時間，且在惡劣氣象下，不僅讀取用時增加，準確率也無法得到保障。

4) 瓦斯繼電器狀態辨識。運維人員在主控室前端工作站選定需辨識的瓦斯繼電器名稱，攝像機完成對焦，即可直觀地觀察和辨識瓦斯繼電器的狀態，包括是否充滿油、是否有氣泡、雙浮球位置是否正確等；因瓦斯繼電器安裝位置特殊，人工巡視無法直接觀察到瓦斯繼電器的運行工況。

該系統的投用，使運維人員在變壓器輕瓦斯動作等危險情況下，能遠程觀察到變壓器的整體狀況和瓦斯繼電器的運行情況，便于根據現場情況及時做出應對措施，確保了人員和設備的安全。

7 結束語

通過特高壓變電站變壓器視頻監控智能巡檢系統研究與應用，以形式不同、功能各異的高分辨率網絡攝像機為基礎，結合合理的網絡結構設計以及數據分析預警平臺的研發，實現了對變電站變壓器日常巡檢、紅外測溫以及缺陷預警等功能；基于視頻數據采集和巡檢分析報告管理等功能，提高了變壓器日常巡檢和缺陷跟蹤的精確度和實效性，有效減輕了變電運維人員設備巡視的工作量，保證了人員和設備的安全。