发电机出口开关状态可视化监测

张世璐，陈 锋，李汶珈

（中国长江电力股份有限公司白鹤滩电厂筹建处，四川 凉山615400）

0 引言

近年各发电厂均在发电机和升压变之间设置发电机出口开关（以下简称：GCB），以优化设备运行方式。GCB 结构可靠、维护量小，具有减小高压断路器操作台次；避免高压断路器频繁操作对系统产生干扰；实现主变压器倒挂运行，提高厂用电可靠性；开断正常负荷电流以及故障短路电流等优点[1-2]。白鹤滩水电站安装有16 台世界第一的百万千瓦机组，其GCB 额定电压31.5 kV，额定电流29 kA，额定短路开断电流170 kA，额定短时耐受电流170 kA/3 s等设备性能，对GCB 的可靠性提出了更高要求。但GCB 三相传动连杆及拐臂发生变形、松动、移位，开关动静触头分、合不到位等异常情况导致的事故也是接二连三发生，GCB 的安全稳定运行存在很大安全隐患。2019 年某电厂GCB B 相隔刀连杆脱落，引起A、B 隔刀合闸不到位，B 相隔离刀闸导电环、静触头触指、灭弧室壳体严重烧损，故障情况如图1 所示。现有GCB 保护装置还不具备对操动机构以及断口间隔存在的隐患和故障进行提前预判能力，也不具备实时状态可视化监测能力。本文基于图像识别比对技术对发电机出口开关可视化状态监测进行了探讨，利用可视化在线监测手段对开关设备进行监测，以提高GCB 的运行可靠性。

图1 GCB 隔离刀闸断口受损情况

1 GCB 常见故障

GCB 的断路器、隔离开关、接地开关均为三相分体式结构，且都是使用一套操动机构通过传动连杆三相联动实现分合闸，所以其保护装置获取控制均从就近一相获取，这样就使现有保护装置的保护范围存在盲区，缺乏对三相实际情况的覆盖。而且现有保护装置对三相传动连杆及拐臂，开关动静触头，断口内支撑绝缘子等设备的状态没办法覆盖， 而由于上述设备故障多有发生，严重影响了电网的安全稳定运行。GCB 常见故障类型如表1 所示。

表1 GCB 常见故障类型表

目前，为了保证GCB 的工作稳定一般采用定期巡检的方式对GCB 进行检查。在GCB 巡检工作时不但要求巡检时间准确，巡检点不能遗漏，还要求记录设备的异常和缺陷情况、运行数据[3]，为分析故障留下及时、详尽的资料，保证设备状态良好、连续、安全、可靠运行。然而，上述定期巡检的方式需要耗费大量的人力物力，难以及时更新GCB 的运行状态，实时性差。而且，很多故障的发现需要依赖技术人员的经验判断，精确性差。同时GCB 隔离开关、接地开关动静触头分、合是否到位则常常由于观察窗位置较高、位置空间较狭窄等原因无法观察 到位。

针对上述问题，为了保证电力企业能够高质量生产，设备安全运行，完备的应急预案管理，高效的故障分析判断，本文基于图像识别比对技术对发电机出口开关设备状态监测进行探讨，希望能够利用在线监测手段对GCB 进行监测，减少巡检工作量，弥补巡检工作的不足，最大程度的减少安全隐患，以提高设备的运行可靠性。

2 图像识别比对技术的应用

图像识别比对是人工智能的一个重要领域。图像识别比对，是指利用计算机对图像进行处理、分析和理解，以识别各种不同模式的目标和对象的技术，是应用深度学习算法的一种实践应用[4]。在计算机视觉识别系统中，图像内容通常用图像特征进行描述。一般工业使用中，采用工业相机拍摄图片，然后利用软件根据图片灰阶差做处理后识别出有用信息。图像的传统识别流程分为4 个步骤：图像采集、图像预处理、特征提取、图像识别[5]。

图像偏移识别是在图像识别比对的基础上，计算出拍摄图像与标准图像中某一标识基准的角度偏移、距离偏移的技术。该技术可以快速有效的计算出图像偏移参数量的数值。现在可以实现距离偏差达到2 mm 时，输出报警。

3 状态监测系统结构及功能介绍

3.1 系统结构与布置

本系统结构分为3 部分：第1 部分为视频监控元件；第2 部分为现地服务器；第3 部分为监控报警。系统总体结构见图2。

图2 系统总结构示意图

视频监控元件：视频监控元件将拍摄到的设备状态图片或录制的设备操作视频发送至现地服务器，以便进行下一步的处理和运算。

视频监控元件安装在GCB 观察窗处，探头采用高集成式、高精度、超广角红外镜头，体积小，不影响设备的安全稳定运行。视频监控元件采用3合1 或者2 合1 探头，实现全空间无死角拍摄，可以清晰的拍摄出隔离刀闸触指咬痕，触指是否有偏差、歪斜等情况。开关断口及支撑绝缘子监测摄像头布置位置可参照图3 进行。操作机构连杆监测摄像头布置可参照图4 进行。现场可根据实际需要增加镜头，扩大监测范围，如安装在接地开关1、2 的两侧。此时可通过主设备外壳处开一小孔进行 安装。

现地服务器：现地服务器的主要工作内容是接收并处理视频监控元件拍摄到的设备状态图片、录制的设备操作视频。

图3 开关断口及支撑绝缘子监测摄像头布置

图4 传动机构监测摄像头布置

监控报警系统：监控报警系统对现地服务器发出的设备状态异常信息按设备类型进行保存，并输出报警信号及时提醒运行人员设备状态异常。

3.2 系统应用功能

系统的应用结构如图3 所示，主要分为实时监控、图像比对、异常报警、趋势曲线、图像调用5 个应用模块，如图5 所示。

图5 系统的应用结构图

实时监控：设备维护人员或运行人员可通过视频监控元件实时查看隔离开关断口、接地开关断口、支撑绝缘子、冲击保护电容，接地开关、隔离开关、断路器传动机构状态，直接判断隔离刀闸断口、接地刀闸是否分合到位，传动机构是否异常。同时设备维护人员或运行人员可通过视频监控对设备状态异常报警进行二次确认，避免误报警的发生。

图像比对：现地服务器应用图像识别比对技术对设备状态图片进行分析处理并分类保存，并与系统内存储的设备标准状态图片进行比对，与引入的监控系统设备状态比对，得出设备状态是否正确的结论。同时基于图像偏移识别计算出操作隔离刀闸断口动静触头距离、传动连杆位移、传动拐臂松动、隔离开关断口触指位移等图像偏移参数量的数值，并与系统设定报警值进行比较。

异常报警：根据图像识别比对得出的结论，对设备异常状态输出报警信号，保证GCB 本质安全。将报警上传监控系统，运行人员可远程发现设备异常并及时进行处理；也可将报警信息引入开停机流程中，提高设备操作可靠性。

趋势曲线：将设备状态、图像偏移参数量的数值等信息进行汇总，绘制时间趋势曲线，便于维护人员对设备长期状态的了解与分析。

图像调用：在GCB 发生故障时，调用系统拍摄的监测视频，可以对故障判断、分析提供依据。在设备运行时，通过对系统拍摄的监测视频、图片的分析，也可以发现GCB 存在的操作连杆轻微位移、隔离开关断口触指变形等设备隐患，将隐患消除在故障发生前。同时监测视频也可以用于人员培养，提升运行、维护人员对设备的了解。

4 结论

利用可视化监测技术对发电机出口开关设备的运行情况进行实时且长期的监测，不仅能够使运行人员准确了解GCB 的当前运行状态，而且还能够使维护人员对设备的运行变化趋势进行预知性研判，提高GCB 隐患排查和事故分析处理的准确性和效率，实现GCB 检修维护方式从故障检修、定期检修向事故预防、状态检修转变，为降低设备的维护保养费用，提高设备的利用率奠定基础。此监测系统仍无法实现对GCB 断路器灭弧室的可视化监测。如何做好断路器灭弧室内部的监测，将故障消除在隐患阶段，仍需要我们继续摸索。