工业电视智能元素在二滩水电站的应用

郭玉恒，郭锡瑾

（1.二滩水力发电厂，四川省攀枝花市 617000；2.东南大学，江苏省南京市 211189）

0 引言

随着信息化、工业化技术发展与管理发展的需要以及坚强智能电网协调发展的需要，电力行业开启了智能水电站建设的新征程。二滩水电站紧跟时代步伐，正以设备改造为契机，启动了智能水电站的建设规划及实施。本文仅以工业电视智能化建设为例，阐述二滩水电站智能化建设情况。

在坚强智能电网建设探索的道路上，大部分采用机器人智能元素[1]代替人参与巡检，并第一时间将巡检采集信息传输到后台管理系统存储及供运行人员分析使用。但对具有楼层多、设备高低不一、可视化参差不齐、空间有限等特点的水电站来说，机器人巡检在水电站的应用存在一定的局限性。它仅能在一定程度上代替人的劳动，且在水电站复杂场景下巡检的可靠性不及人，更重要的是工作具有间断性，存在时间死区，不能实现全天候实时感知设备和环境的变化，更不能第一时间发现设备和环境发生的变化，时效性差。对电力生产来说，控制事故发生的有利时机是发生变化时，第一时间告知运行人员，并得到及时有效处置，防止时态的发展演变为事故。从这个角度看，机器人巡检方案在复杂的水电站环境中虽然可用，但可靠性不佳。

随着红外热成像测温技术[2]、监控视频浓缩技术[3]和智能化视频分析技术[4]的发展，工业电视已将这些技术高度集成，形成了功能强大的摄像机，并充分应用到工业电视领域。它的全天候实时感知功能，更符合水电站运行的要求，智能元素+全天候感知特点被二滩水电站智能化建设选中，并在巡检板块得以应用。

本文通过对比通用的机器人方案和新型的工业电视智能元素方案的运行特点，在二滩水电站智能化建设的巡检板块中，选用工业电视智能元素辅助运行人员巡检，取得了提高巡检工作效率和工作质量、降低巡检过程中带来的安全风险、实现设备运行状态全天候感知并实时预警、快速还原事故真相等良好的效果。

1 总体方案

二滩水电站自投运以来，已对工业电视系统进行了两轮改造，在第一轮改造时，沿用了传统理念，仅在监视点位上进行了增加，功能上仍采用录像功能，依赖于人工检查。本轮改造紧跟时代步伐，经过了充分的市场调研，结合设备空间布局、设备监视需要及智能水电站建设规划，除保留传统的录像功能外，引进了人脸识别、红外测温等智能化视频分析元素，大大提高了二滩水电站的智能化程度。

本轮改造前，全厂共有170个摄像机，不能涵盖所有设备区域，特别是一些重要的设备场所无摄像机监视，如发电机集电环室、上风洞、下风洞等高危险区域，完全依赖于人工巡检中发现隐患。本次改造，首先保证监控的全覆盖，对全厂区域进行了普查和梳理，由原来170个点位增至311个点位[5]，对主副厂房、大坝、GIS楼等29个区域的主要机电设备、防汛设备、公用系统设备和重要部位进行实时监视和录像，努力实现无人值守；其次加强管理手段，比如同时在进出地下厂房的安装间入口和高速电梯入口增设了人脸识别人行道闸，对进出地下厂房人员进行智能化管理；最后是应用智能化自动分析及异常预警方案，对发电机、主变压器及GIS设备易发热部分采用红外热成像摄像机进行全天候监视和录像，充分利用新技术及智能元素提升工业电视系统的安防管理水平。系统选用浙江大华的智慧能源监控平台系统。

2 应用方式及成效

相比于传统人工巡检和通用的机器人巡检方案，工业电视智能元素技术在水电站管理中优势明显。下文将解释智能化技术的基本原理和与其他方案的对比优势。

2.1 快速还原事故真相，精准施策

每当事故发生后，在分析事故原因时，需要收集事故前的大量信息。在传统方案中，依赖于人工对视频录像的回放检查，工作量大且容易遗漏。考虑水电站应用中工业电视监控场景多为仪器及设备，因此录像内容变化不大，容易导致人工回放检查时产生视觉疲劳而遗漏关键变化。同时，机器人巡检方案中时间死区容易导致关键变化信息遗漏，完全不可用。

采用视频浓缩技术，自动分析视频中上下文内容变化，通过颜色直方图、边缘检测和分块补偿等特征的有机组合构造每帧的特征[6]，从而确定关键帧，丢弃视频中大量的微小变化帧，实现对关键内容的提取、保留和录像压缩率的大幅提升。

有了工业电视全天候的监视和录像，能在事故后提供事故前、事故中的完整图像，为事故原因分析提供了科学依据。同时，借助视频浓缩技术形成事故前后仪器图像鲜明对比，检查时一目了然；而且，此时只需检查提取的关键帧，大幅减少了需要人工检查的录像长度。2020年1月4日14点50分，二滩水电站计算机监控系统报“6号进水口闸门下沉24cm报警，进水口2号泵站闸门启闭机故障”等报警信号，查询数据信息显示6号机组进水口闸门开度由98.5%瞬间降为93.62%，但通过工业电视视频浓缩回放报警前后6号机组进水口闸门运行情况如图1所示，确认闸门并未实际下滑，报警原因为开度传感器数值突变所致。此时，只需要几分钟即可确定事故原因并解决问题，大幅提升了处置效率。

图1 二滩水电站6号机组进水口闸门Figure 1 Intake gate of unit 6 of Ertan Hydropower Station

2.2 确保人身安全，提高工作效率

针对相对密闭的空间或风险比较高的区域增加摄像机，可以减少运行人员每天巡检频次，由原来的3次改为1次，其余次数通过工业电视巡检。比如集电环室、发电机上下风洞，可以减少人为巡检过程中出现电气设备短路或火灾给巡检人员带来的人身伤害风险。夜间巡检时，由于生物钟因素，人比较疲倦，容易发生不可预知的安全事件，在中央控制室，采用工业电视巡检，可大大降低巡检时的安全风险，确保人身安全。从效率上讲，现场一次人工巡检，需要近150min，通过工业电视巡检，可在40min内完成。

相比于人工巡检，采用工业电视巡检并不会降低巡检质量，反而实现了难巡检区域的实时覆盖，又能提高工作效率，保障巡检人员人身安全。相比于机器人巡检，工业电视巡检优势在于全覆盖、全天候监视，尤其是水电站下风洞、上机架、集电环室等各种难以进入的关键区域。

2.3 确保电站人员安全有效管控

在水电站的关键场地，既要保证内部人员的安全，又要防范外来人员的干扰。人脸识别技术基于当前的深度学习技术提取人脸特征，通过比对特征后相似度判断是否为同一人[7]，实现了每个人身份的确认，结合多个位置的人脸识别信息，更是实现了人员轨迹的跟踪。同时，利用时间、位置信息等，可实现人员异常行动的发现和预警。此类智能化视频分析技术，实现了自动的信息提取和管理分析，比人工方式更便捷、更可靠，且信息分析能力绝对优于人工管理。同时，此类创新是巡检机器人无法实现的。

在进出厂房的通道上，安装人脸识别，对进出厂房的人员进行安全有效管控。实现厂房人员动态统计，记录进出厂房人员进出时间、次数以及当前时刻厂房内剩余人员数量；实现超时未离开厂房报警，当进入厂房人员在设定的时间（可按小时整定）内未离开厂房，将未离开人员信息（包括照片、姓名、单位、联系电话等）通过后台送到安装间和高速电梯洞口的落地立式广告屏弹出并闪烁报警显示，方便安保值班人员与其联系；实现自动作废人员信息功能，当数据库中人员长达设定时间（可按天整定）再未出入过厂房，自动将人员信息移入“不确定状态”信息库，不能正常通行，但个人信息仍保留数据库，如需通行，需后台重新确认。

2.4 实时感知，全天候监测

电气设备是易发热设备，特别是连接处、过度处，如温度超过正常允许值，未在第一时间内发现并控制，局部发热就会逐步演变成事故。然而，人工巡检和机器人巡检均不能及时发现此类问题，而且温度变化往往难以从视觉上直接发现，传统的工业电视录像配合人工检查也无法及时发现问题。

根据热辐射研究，不同温度的物体发出的热辐射波长不同。红外热成像摄像机正是通过对物体辐射波长的检测，实现物体温度的测量和监控。结合基于深度学习的智能化红外视频分析手段[8]，可以实时发现所监控位置的温度异常点，提供实时预警及异常位置说明。

因此，本文提出对电气设备易发热部位（37个点位）采用红外热成像摄像机进行全天候监视和录像，使用智能化分析技术监测设备运行温度并显示监视区域内设备温度的最高值，如图2所示，当温度超过对应区域预设报警值时，立即将监视画面在控制室的显示屏上显示并发出报警声，提示运行人员查看并采取措施进行处置。

图2 二滩水电站2号机组集电环室Figure 2 Collector ring chamber of unit 2 of Ertan Hydropower Station

3 结束语

综上所述，工业电视智能元素在二滩水电站电力生产中已充分发挥智能作用，快速还原事故真相，提高了运行人员的巡检工作效率和工作质量，降低了巡检过程中带来的安全风险，实现了全天候感知设备信息并实时预警，从以往的“人找信息”转变为“信息找人”。同时，工业电视+智能元素更是面向未来的平台，可以便捷地加入更全面、更准确地自动分析技术。

然而，本文所述方案尚不完备，在辨别局部放电光谱、区分正常声音与异常声音、辨别气味等方面还不健全，希望随着光学、声学、嗅学等技术的发展，工业电视的智能元素集成功能日趋完善，在智能水电站建设的巡检板块中全面接管人工巡检的重任，为实现水电站的全面智能迈出坚实的步伐。