物联网技术在发电厂安全管理中的应用

夏 杰，安欣睿，吕兆俊，金旭明

（1.上海上电漕泾发电有限公司，上海 201507；2.浙江大学，浙江 杭州 310058）

0 引 言

随着社会生活水平的提高和工业生产规模的扩大，电力供给的重要性日益凸显。大型发电厂内关键设施的日常运行状况直接关系到电力供给的可靠性，因此严格监管和定期运维必不可少。然而，由于运维人力不足、管理手段相对落后、缺乏高效实时监测手段等原因，很多时候仍需依靠技术人员定期对锅炉房、汽轮室、开关室等关键区域进行人工巡检，在异常发生时常常无法及时响应，危及设备甚至厂内人员的安全[1-3]。

随着物联网技术的飞速发展，近年来也逐步应用到了发电厂的运维和管理中。文献[4]提出通过ZigBee和LoRa等无线通信技术，对220 kV隔离刀闸动、静触头温度进行实时监测和告警，提高电气连接点的可靠性。运用LoRa无线通信和振动、声音、图像等传感器技术，还可以进一步提升系统感知能力，对设备振动、声音、温度场、液位、标记等信息进行全面掌控，实现故障自动诊断，提高电厂设备的运维效率[5]。除了设备异常检测外，物联网和人工智能技术也可应用于规范作业管理，如文献[6]提出的基于物联网的电厂智能安全管控系统，对工作票和操作票进行智能诊断，统筹规划安全隔离措施。然而，上述文献均未能针对电厂在日常运营中环境、设备和人员管理方面的漏洞或隐患，提出完善的安全管理系统或手段。

本文提出了一套基于物联网技术的全景感知系统，以上海漕泾电厂6 kV电气开关室为例，从环境安全、设备安全、人员管理和运维成本四个方面阐述其作用，并讨论物联网技术对发电系统安全管理的重要意义，以及未来在类似场合的应用前景。

1 研究对象

上海漕泾电厂厂内6 kV电气开关室于2010年投运，各站房内均无环境监控系统，长期依靠人工巡检、手工记录、远程控制操作的运营模式，在安全管理上存在如下诸多漏洞和风险：

（1）站房内的温度、湿度、氧气浓度等常规环境参数，以及SF6/O3浓度、烟雾、水浸状况等异常环境信息缺失，无法实时掌握站房状态；

（2）缺乏对设备状态（局部放电、电气连接点温度、蓄电池状况等）的监测手段；

（3）仅在站房出入口、过道等关键位置安装摄像机，缺乏全局视频监控；

（4）电厂采用工作票系统，持票人员通常仅凭钥匙出入站房，智能化监管手段不足；

（5）站房内无任何区域监管措施，由于开关柜数量众多，存在较大的误操作风险。

2 系统架构

为解决上述问题，本文提出一套集环境和设备状态传感器、视频摄像设备、巡检机器人和智能门禁于一体的全景感知系统（整体架构如图1所示），应用目标/文字/图案识别等人工智能技术，对站房内的设备和人员进行及时有效的安全管理。整个系统采用模块化设计，根据功能分为环境和设备监测、机器人巡检、智能门禁和视频监控四个子系统，各子系统之间独立运行。前两个子系统负责站房内的环境和设备运行状态监测，前者通过传感器采集相应信息，后者则通过机器人搭载的摄像机采集并智能识别开关柜面的仪表读数、开关位置、压板状态以及文字告警等信息。智能门禁与电厂工作票系统绑定，根据工作人员的授权信息（指纹、人脸等）自动管理站房门禁，并登记出入信息。视频监控分为常规监控（固定摄像机）和区域监控两部分：前者24 h不间断运行，覆盖站房全部区域；后者仅在站房有人时开启，覆盖开关柜工作区域，并在后台预先划分区域，精准定位到每个开关柜，同时利用人工智能模块，对采集的图像进行实时目标/文字/图案识别，实现区域检测功能，将操作人员与其授权的工作区域相关联。

图1 全景感知系统整体架构

3 环境和设备检测

3.1 环境和设备

环境和设备监测子系统由环境监控终端、设备状态监测终端和智能网关组成。环境监控终端分为环境传感器和联动控制器，后者根据前者采集的信息自动控制站房内的空调、除湿机、风机、水泵等设施，两者之间的联动关系如图2所示。设备状态监测终端通过采集开关柜内局部放电、线缆电气连接点温度、蓄电池电压/电量等信息，对柜内设备的运行状态进行实时监测。智能网关对下（站房端）可以通过有线或无线的方式实时采集各监测终端的数据，并具备一定边缘计算能力，根据预置逻辑直接向联动控制器下发相应指令；对上（平台端）可将采集到的传感器和控制器信息传输到智能辅助平台。

图2 智能网关连接的终端设备及联动关系

3.2 通信协议

作为全景感知系统的核心通信设备，智能网关必须具有多种规约转换功能[7-9]，对下需要支持RS 485、以太网、LoRa等通信方式，实现与各个传感器之间的实时通信；对上需要具备光纤以太网和4G通信功能。表1列出了智能网关需要支持的通信协议和相关接口/通信模块，以及对应的终端设备。值得注意的是，网关和传感器的通信方式不唯一，表1中列出的是基于所传数据的特点以及控制要求的推荐配置。例如，局放传感器理论上也可支持LoRa无线通信，但由于图谱数据较大且终端往往置于开关柜内，采用有线通信更为稳定可靠。同时，在实际选择通信方式时也应结合终端的供电模式，例如电池或电磁感应取电的终端尽可能采用LoRa通信，可以大幅节约布线施工成本。

4 机器人巡检

随着机器人技术的飞速发展，以及巡检工作量和人力成本的逐渐攀升，电力行业中的很多场景已不乏巡检机器人的身影。例如，文献[12]提出一种机器人小车巡检系统，利用RFID、蓝牙通信、红外成像、声音检测等物联网技术，以及模糊识别和二阶差分等算法，实现配电房巡检工作的智能化和自动化。另一种常用的设计为挂轨式机器人巡检系统，与机器人小车相比更适用于面积较大、高度较高、设备排列规则的站房[13]。

挂轨式机器人巡检系统的硬件分为三部分：站控系统、轨道和机器人本体。站控系统负责整个系统的供电、通信和控制。对于面积较大的站房，可采用滑触线供电和电力线载波通信（PLC）的方式，以保证系统的稳定、可靠；对于面积相对较小的站房，电池供电和无线通信（4G/LoRa）则可以提供一定的灵活性[14-15]。机器人本体包括运动机构和仪器舱两部分，前者受站控系统控制，提供沿轨道方向的移动和竖直方向上的伸缩、旋转能力。由于环境和设备监测子系统已经对开关柜内外的重要环境和设备信息进行实时采集，机器人无须搭载红外热像、音频、局放等采集终端，仅利用摄像机对开关柜面的仪表、开关、压板和文字等信息进行采集和智能分析即可。

图像智能识别是巡检机器人系统的核心功能，可采用前置方式在站端完成，或部署于平台服务器中。通过机器人搭载的可见光摄像机，对开关柜面的视频图像进行采集，再利用高精度图像识别算法，对采集的画面进行智能分析处理，识别其中的关键内容。实现图像智能识别一般分为两步：首先需要进行目标识别，将目标区域（如仪表或开关）从采集的图像中提取出，此举的好处在于摒弃图像中的无效信息，节省算力资源；然后通过人工智能算法对目标区域的特征进行判别。不同的目标判别特征亦不相同，需要预先进行大量训练，才能保证目标及特征的准确识别。图像识别功能需要准确区分仪表、开关、压板、指示灯、液晶屏文字等多种目标类型，并准确判别其位置、状态及内容，从而全面掌握相关电力设备的运行状态信息。

机器人巡检系统的另一特点在于可以灵活设置巡检模式，常用的巡检模式包括定时全检、手动全检和特殊巡检等，其中特殊巡检又可分为针对某一项或几项目标的专项巡检，以及针对某一个和几个开关柜的区域巡检。巡检模式的切换和设置可在集成于智能辅助平台的机器人管理模块实现。

5 门禁与工作票系统

发电厂通常采用工作票系统进行人员管控[16-17]，但一张工作票往往只含负责人信息，无法精确对应进入开关室的每一个操作人员，给站房管理带来一定的安全隐患。同时，以机械钥匙作为进出站房唯一凭据的模式过于简单，会给多人次分批出入带来较大的不便。因此，以指纹、人脸等生物信息作为进出站房或重点区域凭据的人员管理系统正逐步得到应用[18-20]。

开关室门禁可以与电厂工作票系统有机结合，除了人员身份信息外，将工作时间也作为权限派发的重要依据。此外，门禁子系统与后文即将讨论的视频监控子系统中的区域监控功能深度结合，在操作人员完成指纹认证或面部扫描获得开门权限的同时，对其安全帽上的二维码或数字等标识进行采集，作为进入站房后的唯一合法身份标签。只有成功取得开门权限的人员才会获得身份标签，同一人员重复进入站房则自动对其身份标签进行更新（以防两次进入佩戴不同安全帽）。

6 视频监控

视频监控子系统根据功能，可以分为常规监控和区域监控两部分。前者可采用角度固定、焦距较长的枪型摄像机，安装在开关室出入口、过道等区域，实现站房区域全覆盖，24 h不间断运行。同时，在后台服务器或站端人工智能模块中，预置摘除安全帽、人员倒地、小动物入侵等异常情况的识别模型，对采集到的画面进行智能分析。区域监控功能则推荐广角摄像机或带云台功能的半球型或球型摄像机，实现每台摄像机监控区域的最大化。将其以接近垂直的角度安装于站房顶部（如图3所示），对开关柜前的操作区域进行监控，主要目标为站内人员及其安全帽顶的二维码或数字等标识。

图3 区域监控摄像机安装示意图

作者注意到，文献[21]提出了一种智能安全帽，内置的智能芯片集成了NB-IoT、蓝牙、GPS/北斗等技术，也可以实现人员的精准定位。然而，其应用场景为建筑工地等面积较大的室外区域，“精准定位”也是相对该应用场景而言。对于面积较小的室内场景（如电气开关室），以及更高的定位精度要求（如定位到具体某开关柜），基于视频监控的物理手段，结合区域划分和目标智能检测等技术，可以更经济、有效地完成区域监控。

区域监控的主要目的是确保操作人员处于正确的工作区域，对于发电厂的大型电气开关室，每条母线有数十面开关柜，稍有不慎很容易发生操作错开关柜的情况。采用垂直照射的摄像机，同时后台对每台摄像机覆盖的区域按开关柜划分区域，可以实时获取站房内每个开关柜的人员分布情况。辅以人员进入开关室时采集的安全帽标识（即人员身份标签），可以仅对授权开关柜对应的工作区域开放权限，进入其他开关柜的工作区域并有操作趋势时，立刻生成后台和现场告警。具体判别逻辑如图4所示。

图4 误操作判别逻辑

7 对电厂安全管理的意义

利用传感器、无线通信、人工智能等先进的物联网技术，站房智能辅助系统可以解决发电厂电气开关室面临的主要安全隐患，同时更加可靠、经济地完成日常运维任务，具体体现在以下4个方面。

7.1 环境安全

实时监控站房内温度、湿度等指标，并联动空调或通风系统自动处理异常，防止天气原因或设备发热等异常情况对站内人员和其他设备造成进一步危害。同时，对开关室内可能产生的SF6、O3、CO2等有害气体浓度进行监控，发现异常时及时通知技术人员排查泄漏原因，确保站房安全。此外，对烟感、噪音等环境异常因素的实时监测，可以帮助运维人员远程判断站房是否发生火灾，以及是否存在设备故障风险（如变压器或某些设备的散热风扇发生故障时往往伴随噪音异常）。

7.2 设备安全

电气开关室内存在大量线缆、铜排、开关、互感器、变压器等一、二次设备。部分运行状态可以通过表计、文字等方式在开关柜面展示，机器人巡检代替传统的人工巡检，可定时、定量地完成对柜面信息的采集、分析和记录，并将异常实时反馈到智能辅助平台。此外，部分与设备状态相关的信息无法直接被二次设备测量，如线缆电气连接点温度、开关柜局部放电等，即便常规的人工巡检也无法有效排查。该类信息也可通过专门的传感器采集，由智能网关实时上传智能辅助平台，实现对相关设备运行状态的全景感知。

7.3 人员管理

发电厂电气开关室的人员安全管理的整体水平有待提高，很多方面缺乏必要的监督机制和手段，全凭操作人员自我管理，例如机械钥匙和仅含负责人信息的工作票系统在站房门禁权限的授权方面存在较大漏洞，无法实现人员和权限的精准匹配。采用指纹、人脸等生物信息可以杜绝钥匙转借、非工作时段使用等不合规的行为，同时也避免了多人分批次进入站房时需要多把钥匙的问题。操作人员进入站房后，将安全帽顶的识别信息绑定人员工作权限（时间和区域），并利用摄像设备对工作区域进行实时监控和目标检测，可以有效防止操作人员误入非授权区域操作，进而避免开关柜的误操作。未来，甚至可以将工作票授权的操作流程数字化，结合采集的视频画面对人员操作进行实时判别，在发生错误或不规范操作时立即发出告警，予以纠正。

7.4 运维成本

采用站房全景感知系统可以大幅减少人工运维成本，唯一的人力消耗在平台监控端。在绝大部分设备正常运营的情况下，一个监控人员可以同时负责多个站房的监控工作，每个站房实际占用的人力资源微乎其微。系统中的传感器大多采用低功耗或微功率终端，对电能的消耗极低，针对一个典型的电气开关室（面积400 m2，60面开关柜），表2列出一套全景感知系统所需的日均能耗。绝大部分设备全天不间断运行（机器人巡检和区域监控摄像机为2 h/天），系统每天耗电量大约为11 kWh。

为响应当前社会节能减排的总体要求，早日达成“双碳”目标，可利用物联网技术对站房全景感知系统做出以下节能设计：

（1）智能网关可以灵活配置微功率无线传感器的数据上报频率，例如设置不同频率档位，自动降低长时间无异常传感器的数据上报频率；

（2）通过智能辅助平台将灯光控制器与固定摄像机联动，一段时间（如5 min）检测不到站房内有人员时，自动关灯；

（3）电气开关室内无人时，自动停用区域监控摄像机，仅保持固定摄像机开启，以最低能耗实现24 h、全方位无死角监控。

8 结 语

传统发电厂的电气开关室由于大多建成时间较早，缺乏有效的安全管理系统和机制。站房全景感知系统利用传感器、无线通信、人工智能等先进的物联网技术，不仅可以从环境和设备运行状态等方面对站房进行实时监测，采用具备边缘计算功能的智能网关本地进行简单的联动控制，还可以优化电气开关室现有的门禁和视频监控系统，弥补人员管理方面存在的安全漏洞，提升出入站房及特定区域操作的规范性和可追踪性，杜绝设备误操作风险。同时，该系统还在整体设计中加入灵活的传感器通信频率配置及部分设备的节能运行策略，有效降低了系统能耗。最后，该系统采用模块化设计，不仅适用于发电厂的电气开关室，还可根据不同场景（如变/配电房、仓库、车间等）增减终端设备，满足客户定制化需求，具有较为广泛的应用前景和推广价值。