李 祥, 崔昊楊, 曾俊冬, 江 超, 唐 忠

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

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變電站智能機器人及其研究展望

李 祥, 崔昊楊, 曾俊冬, 江 超, 唐 忠

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

變電站巡檢機器人是將移動機器人應(yīng)用于變電站環(huán)境中,代替人工實現(xiàn)變電站設(shè)備狀態(tài)的自動檢測與預(yù)警分析.介紹了機器人的3層網(wǎng)絡(luò)分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu),闡述了變電站智能巡檢機器人的應(yīng)用實例,并探討了其發(fā)展趨勢.

智能巡檢; 機器人; 變電站; 紅外檢測

變電站是輸電網(wǎng)的樞紐,變電站設(shè)備巡檢是有效保證變電站安全運行、提高供電可靠性的一項基礎(chǔ)性工作[1].傳統(tǒng)的巡檢方式為人工巡檢,每天例行巡檢2次以上.巡檢工人在現(xiàn)場對設(shè)備巡檢時,主要通過看、觸、聽、嗅等感官來檢查變電站設(shè)備是否出現(xiàn)漏油、裂痕、異常聲響等,從而判斷設(shè)備的運行狀況.這就要求巡檢工人有著豐富的經(jīng)驗和較高的技術(shù)水平.而絕大多數(shù)故障的表象均為溫度異常,巡檢工人通過手持式紅外熱像儀獲取設(shè)備的溫度場分布信息,對變電設(shè)備運行狀態(tài)作出評估.這種巡檢方式的效果經(jīng)常受到天氣等惡劣環(huán)境的影響,并且缺乏實時的故障分析和系統(tǒng)分析的能力[2].

機器人技術(shù)和計算機性能的不斷提升給上述問題帶來了新的解決途徑[3].國內(nèi)外眾多學(xué)者對變電站智能機器人進行了研究.國外研究變電站機器人的典型代表是巴西圣保羅大學(xué)和加拿大魁北克水電站.前者通過在變電站內(nèi)架起高空行走軌道,研制出基于變電站熱點監(jiān)測的移動機器人;后者為變電站機器人配置了遙控裝置,實現(xiàn)了對變電站的遠程監(jiān)控.國內(nèi)對變電站智能機器人的研究也取得了突破性進展,如山東電力科學(xué)研究院研發(fā)了一種輪式巡檢機器人,能夠在平坦路面穩(wěn)定行駛,對變電站主設(shè)備進行巡檢;中國科學(xué)院沈陽自動化研究所研制的軌道式變電站智能機器人,能夠在固定軌道上運行并對變電站展開巡檢[4].

變電站巡檢機器人的真正實用化需要解決對機器人的靈活控制、自動導(dǎo)航技術(shù)[5]、變電站設(shè)備故障圖像識別技術(shù)[6]、上位機軟件等眾多問題.本文主要闡述了變電站智能巡檢機器人各硬件部分組成及軟件系統(tǒng)功能,對比分析了當(dāng)前變電站巡檢機器人技術(shù)所存在的問題,并對其發(fā)展前景進行了展望.

1 巡檢機器人系統(tǒng)架構(gòu)

智能巡檢機器人采用完整而復(fù)雜的非接觸式檢測體系架構(gòu)工作方式,能夠為變電站的安全、穩(wěn)定運行發(fā)揮重要作用[7].為實現(xiàn)變電站設(shè)備的全面巡檢,巡檢機器人在系統(tǒng)架構(gòu)方面通?？梢苑譃橐苿訖z測系統(tǒng)層、無線傳輸層、客戶端接收層3個層次,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖1所示[8].

圖1 變電站智能巡檢機器人3層分布結(jié)構(gòu)

其中,移動檢測系統(tǒng)層由巡檢機器人本體、無線通信收發(fā)系統(tǒng)組成,其主要功能是實現(xiàn)對設(shè)備狀態(tài)信息的采集和控制信息的收發(fā);網(wǎng)絡(luò)傳輸層由以太網(wǎng)和無線傳輸設(shè)備組成,其主要功能是傳輸控制指令和圖像信息;客戶端接收層由無線傳輸設(shè)備和上位機軟件系統(tǒng)組成,其主要功能是對機器人采集的設(shè)備狀態(tài)信息進行處理、識別、發(fā)出預(yù)警并存儲信息.

依據(jù)不同的行進方式,變電站巡檢機器人可分為3類,如圖2所示.第一類變電站智能巡檢機器人也是最早出現(xiàn)的巡檢機器人,采用鋪設(shè)固定軌道的方式,如圖2a所示.利用在變電站鋪設(shè)特定的巡檢軌道,巡檢機器人攜帶可見光攝像機(CCD)和紅外熱像儀沿固定軌道運行,對軌道途經(jīng)的一次設(shè)備進行巡檢[9].這種巡檢方式能夠準確地按照鋪設(shè)軌道行進并進行設(shè)備檢測,且具有較高的安全性和可靠性.但由于變電站內(nèi)環(huán)境較為復(fù)雜,額外的軌道鋪設(shè)和軌道維護給工作人員帶來不便,在設(shè)備的全面巡檢方面也存在著先天的不足.隨著自主導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展,在第一類軌道機器人的基礎(chǔ)上,發(fā)展出了輪式驅(qū)動的輪式機器人,包括兩輪驅(qū)動和四輪驅(qū)動行進方式的巡檢機器人,如圖2b所示.相對于軌道式巡檢機器人,輪式機器人巡檢路線更加靈活,對特定的電力設(shè)備可以選用最優(yōu)路徑巡檢方案[10],但這種機器人要求更可靠的通訊方式和數(shù)據(jù)傳輸方式,在變電站強電磁環(huán)境下,保障通信可靠成為該類機器人需要解決的關(guān)鍵問題.在輪式機器人發(fā)展過程中,為解決野外復(fù)雜地面環(huán)境中機器人的行進問題,又發(fā)展出了履帶式底盤的巡檢機器人[11],使其具備更強的越障和防滑能力,如圖2c所示.履帶式機器人優(yōu)良的驅(qū)動性能可以更好地適應(yīng)北方某些積雪過厚和地形險峻的變電站環(huán)境,促進了巡檢機器人大范圍的推廣應(yīng)用.

圖2 巡檢機器人3種運行方式

2 巡檢機器人功能模塊

一般而言,巡檢機器人能夠?qū)ψ冸娫O(shè)備進行自主或遙控巡視,能自動識別設(shè)備的熱缺陷、外觀異常、異物懸掛、儀表讀數(shù)、開關(guān)刀閘的位置、油位計位置等,進行自動報警處理并向運營人員發(fā)出告警信息,為設(shè)備狀態(tài)檢修提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).系統(tǒng)需要搭載視頻監(jiān)控、紅外熱像采集、聲光報警聯(lián)動等模塊,并需要解決機器人控制模塊、導(dǎo)航模塊、檢測模塊和上位機模塊等關(guān)鍵的技術(shù)問題.

2.1 控制模塊

控制模塊包括對機器人運行方式、云臺、圖像采集系統(tǒng)的控制[12].智能巡檢機器人的運行方式有自動巡檢和手動控制巡檢兩種模式.通過設(shè)置巡檢路徑,機器人可以實現(xiàn)自動巡檢、自動停靠、自動識別;通過模式切換變?yōu)槭謩涌刂颇Ｊ?工作人員可以通過上位機控制端來控制機器人,到達特定的電力設(shè)備,進行儀表巡視檢查,從而實現(xiàn)設(shè)備故障的快速排查.

2.2 導(dǎo)航模塊

隨著巡檢機器人研究與應(yīng)用的不斷深入,導(dǎo)航技術(shù)直接決定其智能化水平的高低.高精度的導(dǎo)航能力,要求巡檢機器人能夠通過傳感器獲取環(huán)境和自身的狀態(tài),實現(xiàn)在障礙環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運動.目前常規(guī)的導(dǎo)航方式有磁導(dǎo)航、光電反射導(dǎo)航、味覺導(dǎo)航、基于圖像的視覺導(dǎo)航、多點WiFi導(dǎo)航和GPS導(dǎo)航等[13].

GPS在變電站環(huán)境中受到一定程度的電磁干擾,往往不能獨立完成變電站巡檢機器人的導(dǎo)航任務(wù),這就需要配合相應(yīng)的算法進行噪聲去除.GPS定位系統(tǒng)在巡檢機器人運用時存在近距離定位精度較低的問題,使得其功能在變電站巡檢機器人導(dǎo)航中無法充分發(fā)揮[14].因此,智能巡檢機器人通常采用GPS定位系統(tǒng)與其他導(dǎo)航方式相融合的導(dǎo)航技術(shù).

磁導(dǎo)航是目前變電站智能巡檢機器人運用最多的導(dǎo)航技術(shù).通過在巡視道路上鋪設(shè)引導(dǎo)磁條,并在巡檢機器人的底盤上安裝多個電磁傳感器來收集地面上的磁信號[15].根據(jù)特定的巡檢位置,實現(xiàn)精確的路徑規(guī)劃.基于圖像的視覺系統(tǒng)導(dǎo)航方法在變電站巡檢機器人中應(yīng)用廣泛,具有精度高、穩(wěn)定性強、獲取的環(huán)境信息豐富等優(yōu)點.但該方法需要從復(fù)雜的背景中分離出探測目標(biāo),故要求控制系統(tǒng)擁有很強的計算處理速度[16].

由無線網(wǎng)絡(luò)接入點(Access Point,AP)和無線網(wǎng)卡組成的WiFi 無線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)是室內(nèi)智能機器人通常采用的導(dǎo)航方式[17].它是通過移動設(shè)備與AP之間的無線信號交流來確定目標(biāo)的位置,從而實現(xiàn)定位.它常用于室內(nèi)定位導(dǎo)航[18].

2.3 檢測模塊

變電站巡檢機器人通常搭載多種檢測模塊,利用多元信息融合技術(shù)對變電站一次設(shè)備運行狀況作出評估.紅外熱系統(tǒng)是各種檢測模塊中必不可少的一種設(shè)備[19].紅外熱成像系統(tǒng)是利用紅外探測器,在非接觸的情況下,接收到物體表面輻射的紅外線,從而得到物體表面熱分布的“實時熱像”,如圖3所示.該熱像能夠在一定程度上反映該物體當(dāng)前的運行狀態(tài)[20].

圖3 變電站設(shè)備紅外熱像示意

通過搭載的紅外熱成像儀獲取電力設(shè)備實時熱成像圖像,能夠有效地檢測出設(shè)備的運行缺陷,并配合上位機軟件對缺陷部位的性質(zhì)和程度作出評估判斷.因此,紅外熱成像儀成為電力設(shè)備在線監(jiān)測的有效手段[21].

可見光攝像儀自動抓取特定設(shè)備的外觀照片,與該設(shè)備的紅外圖像匹配,精確找到故障存在點.同時自動抓拍儀表圖像并智能讀取儀表數(shù)值,實現(xiàn)全站的設(shè)備監(jiān)控.

電力設(shè)備在漏電狀態(tài)下會發(fā)出異常聲音,機器人通過搭載聲音采集裝置,獲取電力設(shè)備在運行狀況下發(fā)出的聲音.提取聲音特征參數(shù)并進行人工智能分析,即可判斷電力設(shè)備的運行狀態(tài)[22].

紫外成像儀能夠通過獲取設(shè)備的紫外圖像,判斷設(shè)備表面是否出現(xiàn)電暈放電及設(shè)備的絕緣污穢程度[23].通過與紅外熱成像儀配合使用,可以及時發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備早期的各種不良癥狀[24].

2.4 上位機軟件模塊

變電站智能巡檢機器人上位機軟件系統(tǒng)是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程,該系統(tǒng)通過無線通信實現(xiàn)機器人的圖像、音頻、指令與上位機之間的傳輸[25].其中,圖像操作系統(tǒng)軟件包括實時獲取設(shè)備紅外圖像和可見光圖像、對靜態(tài)圖像進行處理及設(shè)備運行狀態(tài)評估報表的生產(chǎn)3大部分.上位機軟件設(shè)計的特點如下:

(1) 能實時顯示當(dāng)前設(shè)備的紅外圖像和可見光圖像,通過點擊鼠標(biāo)能夠獲取任一點的溫度信息;

(2) 能及時切換到靜態(tài)圖像處理軟件,可對靜態(tài)圖像進行圖像分割和圖像增強等操作;

(3) 可實現(xiàn)圖像和視頻的實時存儲,并生成設(shè)備運行狀態(tài)評估報表[26].

3 變電站智能機器人應(yīng)用實例

在國家“863”項目推動下,山東電力科學(xué)研究院在2002年率先研發(fā)出第一代軌道式智能巡檢機器人.目前,山東、重慶、浙江、河南等省市的部分變電站已經(jīng)開始投入使用,通過機器人巡檢基本實現(xiàn)了變電站的無人值守[27].

目前,變電站智能巡檢機器人已經(jīng)實現(xiàn)以下基本功能:多種導(dǎo)航方法相融合,精確實現(xiàn)自動導(dǎo)航,自主定位;可以遠程訪問、登陸、遙控操作進行巡檢;可見光攝像儀能夠準確獲取變電站設(shè)備的狀態(tài)和儀表指針信息,確保視頻分析的精度,大范圍無遺漏地執(zhí)行巡檢任務(wù)[28];多傳感器技術(shù)相融合,可同時采集聲音、溫度、電流強度等,多角度全方位獲取變電站的各種信息[29];高精度紅外熱像儀可精確檢測變壓器繞組及油冷系統(tǒng)、高壓斷路器、電容器等設(shè)備的發(fā)熱情況,并針對熱缺陷發(fā)出不同等級的報警信息,提高設(shè)備巡檢效率[22].

4 變電站智能巡檢機器人展望

隨著智能電網(wǎng)的建設(shè),電力設(shè)備向高功率、高可靠性、高智能化方向發(fā)展,這對變電站的智能化提出了更高的要求.因此,變電站智能巡檢機器人還應(yīng)在以下4個方面得到進一步的完善.

(1) 數(shù)據(jù)分析智能化[30]機器人的紅外圖像和可見光圖像的數(shù)據(jù)量很大,需要與大數(shù)據(jù)技術(shù)融合,進一步對大數(shù)據(jù)進行深度挖掘.

(2) 移動設(shè)備平臺靈活化[31]針對變電站復(fù)雜的環(huán)境(山地、積雪嚴重),一方面要提高變電站機器人的驅(qū)動和越障能力,另一方面也要實現(xiàn)機器人對簡單設(shè)備故障的自動處理能力.

(3) 巡檢設(shè)備全面化 目前變電站智能巡檢機器人主要是針對一次設(shè)備開展自動巡檢,對于二次設(shè)備如高壓開關(guān)柜還不能進行自動巡檢.因此,需要針對二次設(shè)備巡檢進行深入研究,以增強機器人巡檢的全面性.

(4) 巡檢機器人網(wǎng)絡(luò)化 每臺變電站巡檢機器人通過互聯(lián)網(wǎng)相互聯(lián)系,實時共享巡檢設(shè)備的狀態(tài)信息.

5 結(jié) 語

隨著工業(yè)機器人應(yīng)用和智能電網(wǎng)的快速推進,越來越多的企業(yè)、變電站已經(jīng)用工業(yè)機器人代替人工開展高危險性、高精密度、高重復(fù)性等工作.機器人代替人工開展變電站巡檢,具有靈活性強、安全性好、可靠性高等優(yōu)點.變電站智能巡檢機器人自主在線監(jiān)測技術(shù)是智能電網(wǎng)和智能變電站巡檢技術(shù)的發(fā)展方向,具有廣闊的應(yīng)用平臺和推廣空間.

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(編輯 胡小萍)

Research and Prospect of Intelligent Inspection Robot for Substation

LI Xiang, CUI Haoyang, ZENG Jundong, JIANG Chao, TANG Zhong

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

The substation inspection robot is an intelligent robot with infrared visible camera and ultraviolet to inspect and analyze the condition of equipment instead of people.The 3-layer network system and applications of the intelligent substation are elaborated.The future development trend of intelligent inspection robot for substation is discussed.

intelligent inspection; robot; substation; infrared

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.01.004

2016-03-16

李祥(1990-),男,在讀碩士,河南鄭州人.主要研究方向為電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測,智能機器人. E-mail:313597789@qq.com.

TM63;TP242.6

A

1006-4729(2017)01-0015-05