張曉龍,黃 寧,邵長鋒

(中國恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

0 前言

變電站的電力輸出系統(tǒng)的穩(wěn)定運行與安全性影響著全國的國民經(jīng)濟的發(fā)展。變電站作為整個電力系統(tǒng)輸配電網(wǎng)絡(luò)中一個重要工程場所,需對其運行和維護投入一定人力成本以保障整個電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。即需要實時對一切設(shè)備的運行穩(wěn)定與安全性進行巡檢,如若出現(xiàn)突發(fā)故障應(yīng)及時對相關(guān)設(shè)備維護人員發(fā)出預(yù)警,使其可以及時對設(shè)備進行故障信息的判定與及時進行設(shè)備的維護優(yōu)化。

但是迄今為止,多數(shù)變電站對其設(shè)備運行時的安全性和穩(wěn)定性的診斷多為人工判定,這種方式存在人工工作強度較大,效率偏低等一系列缺點。隨著人工智能與大數(shù)據(jù)時代的發(fā)展,大部分一線崗位可以被智能工業(yè)化所替代,變電站這類高度自動化的行業(yè)對其設(shè)備的故障診斷亟需巡檢機器人來替代人工巡檢。采用智能化深度學(xué)習(xí)機器視覺算法,智能控制系統(tǒng),大數(shù)據(jù)處理故障信息等一系列人工智能技術(shù)模塊化功能的有機結(jié)合,替代一線的巡檢人員,相比于傳統(tǒng)的人工巡檢方式可達到高精度的數(shù)據(jù)檢測處理,和高效的智能故障診斷與預(yù)警。

本文基于變電站的特殊內(nèi)部環(huán)境,提出了將深度學(xué)習(xí)機器視覺算法,大數(shù)據(jù)分析技術(shù)與攜帶高清攝像頭,無感傳感器的巡檢機器人,有機結(jié)合的智能巡檢機器人變電站故障診斷系統(tǒng)?？商岣哐矙z機器人對變電站的設(shè)備故障檢測診斷實時性與高效性。

1 智能巡檢機器人

機器人技術(shù)是中國的戰(zhàn)略技術(shù)產(chǎn)業(yè),與自動控制、圖像識別、智能學(xué)習(xí)等一系列尖端技術(shù)有關(guān)。根據(jù)《中國制造2025》規(guī)劃,工業(yè)機器人將被選定為十大重點領(lǐng)域之一,促進劃時代的發(fā)展,促進機器人標準化、模塊化,擴大市場應(yīng)用,有效促進新興機器人市場的成長,人力資源不足和電力設(shè)備的精細化運維要求隨著時代的發(fā)展,變電站智能巡查機器人越來越重視。這將廣泛應(yīng)用于輸電設(shè)備的智能巡查、電力網(wǎng)運行狀態(tài)的實時評價和輔助決定,信息化、自動化、將建立具有相互作用性的智能網(wǎng)絡(luò)。中國南方電網(wǎng)《智能技術(shù)在生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用方案》,明確了推進變電站智能巡查機器人應(yīng)用的方案。

智能巡檢機器人具備高畫質(zhì)可視化光線攝像機、紅外線影像設(shè)備、高清攝影頭、環(huán)境監(jiān)測傳感器等智能檢測設(shè)備和智能分析算法軟件,完成快速數(shù)據(jù)采集、實時信息傳輸?shù)墓芾砜刂齐娐?智能分析和預(yù)警的決策反饋,取代人工檢測,實現(xiàn)對電力設(shè)備狀態(tài)的自動檢測和智能分析,提高電力設(shè)備質(zhì)量,對電力網(wǎng)和電力設(shè)備運行的可靠性進行研究,使用電力智能巡查機器人是電力網(wǎng)智能實現(xiàn)化的重要手段,也是未來智能電網(wǎng)發(fā)展的重要方向。

2 智能算法

隨著人工智能與大數(shù)據(jù)時代的飛速發(fā)展,在許多行業(yè)也均追隨“機器代替人”的發(fā)展形式。而主要分為兩種應(yīng)用領(lǐng)域的算法:用于深度學(xué)習(xí)中機器視覺智能算法,用于多維異構(gòu)數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析算法。

2.1 機器視覺智能算法

近幾年來,隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的深化,現(xiàn)代制造業(yè)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換和升級,越來越多的企業(yè)實施“機器人策略”,機器人在汽車、物流、航天航空、甚至在食品等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛,帶動了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,機器人是將機器設(shè)備、傳感器、識別、決策、控制等多種先進技術(shù)匯聚在一起,組成具有一定智能化能力的自動化設(shè)備或裝置。機器人技術(shù)及其應(yīng)用已經(jīng)成為科學(xué)技術(shù)和工業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路,具有重要的戰(zhàn)略意義。

機器視覺是自動獲得目標圖像,分析處理圖像特征,分析結(jié)果,獲得目標知識并做出決定的系統(tǒng),運動目標測試技術(shù)是機器視覺系統(tǒng)的功能之一,這是序列化圖像變化區(qū)域檢查和從背景圖像中提取運動目標的過程。機器視覺的研究的目的,主要是在圖像排列中,與相機運動的目標相比,提供后續(xù)目標提取和追蹤具有說服力的數(shù)據(jù)源,機器視覺算法是一般以特定的應(yīng)用場景為對象,目前還沒有適用于任何情況的通用算法。也就是說,所有的機器視覺算法都有自己的適用范圍。

2.2 大數(shù)據(jù)分析處理智能算法

大數(shù)據(jù)領(lǐng)域涉及很廣,其深化在工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)生的大數(shù)據(jù),隨著信息化與產(chǎn)業(yè)化的深度融合,信息技術(shù)滲透到各個行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的各個部分。例如條形碼、二維碼、傳播識別、產(chǎn)業(yè)傳感器、產(chǎn)業(yè)自動控制系統(tǒng)、產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)等,企業(yè)資源規(guī)劃、計算機輔助設(shè)計、計算機輔助制造、計算機輔助工程等在企業(yè)中廣泛應(yīng)用?；ヂ?lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等下一代信息技術(shù)在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用讓企業(yè)進入新的發(fā)展階段,數(shù)據(jù)也日益豐富,尤其是在制造企業(yè)中,生產(chǎn)線處于高速運行狀態(tài),大量數(shù)據(jù)在產(chǎn)業(yè)設(shè)備中產(chǎn)生。

模型和算法是大數(shù)據(jù)分析的兩個核心問題,大數(shù)據(jù)分析模型的研究可以分為三個層次。描述分析,預(yù)測分析和規(guī)范分析,描述分析是分析和探索歷史數(shù)據(jù),說明發(fā)生了什么事,這個階段包括發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)規(guī)則的集合,挖掘相關(guān)規(guī)則,描述模型發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)規(guī)則的視覺分析。預(yù)測分析用于預(yù)測未來的概率和趨勢。例如基于邏輯回歸的預(yù)測和分類器的預(yù)測等,規(guī)范分析是基于預(yù)期結(jié)果和特定領(lǐng)域的場景、資源和過去以及當前事件的知識,對未來的決定提出建議。例如,以模擬為基礎(chǔ)的復(fù)雜系統(tǒng)分析和基于特定制約的最佳解決方案的生成等。

3 智能巡檢故障診斷系統(tǒng)

智能巡檢故障檢測系統(tǒng)采用深度學(xué)習(xí)視覺算法,大數(shù)據(jù)分析技術(shù)與攜帶高清攝像頭的巡檢機器人有機結(jié)合。通過深度學(xué)習(xí)對巡檢機器人攜帶的高清攝像頭采集圖像信息與多種傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息進行融合,再通過大數(shù)據(jù)分析算法,對變電站所有設(shè)備進行故障實時智能檢測分析。智能巡檢故障檢測系統(tǒng)整體框圖如圖所示:

圖1 智能巡檢機器人故障檢測系統(tǒng)框圖

3.1 運用深度學(xué)習(xí)機器視覺算法判定故障信息

機器視覺涉及到光學(xué)成像、視覺信息處理、人工智能以及機電一體化等相關(guān)技術(shù)。是很多高度自動化的行業(yè)想實現(xiàn)智能化的一個必要技術(shù),機器視覺技術(shù)擁有精度高,實時化效能強等一系列優(yōu)點,是智能機器人的重要驅(qū)動力之一。隨著各種技術(shù)的不斷改進和制造業(yè)對高品質(zhì)產(chǎn)品的需求不斷增加,圖像處理已主要用于工業(yè)電子裝配誤差檢測,并逐漸應(yīng)用于制造業(yè),監(jiān)控,視覺導(dǎo)航,通訊等應(yīng)用。因此,研究成像技術(shù)對于促進智能工業(yè)機器人的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要意義。

機器視覺技術(shù)應(yīng)用在巡檢機器人故障診斷系統(tǒng)中時,主要表現(xiàn)在接收所有拍攝到的設(shè)備的各關(guān)鍵點特征圖像,由光學(xué)器件和非接觸傳感器進行準確識別,并由深度學(xué)習(xí)算法從圖像中提取主要的特征信息,進行分析處理,進而實現(xiàn)識別和控制。將深度學(xué)習(xí)機器視覺算法與巡檢機器人有機結(jié)合,可使巡檢機器人在變電站巡檢故障時,可以靈活與智能定位所有設(shè)備的故障關(guān)鍵位置,確保維護人員及時對發(fā)生故障的關(guān)鍵位置進行維護處理。

圖2 智能巡檢系統(tǒng)判定故障位置原理圖

3.2 運用大數(shù)據(jù)分析故障信息

隨著大數(shù)據(jù)與人工智能時代的飛速發(fā)展,將工業(yè)自動化與大數(shù)據(jù)等技術(shù)的有機融合,可促進行業(yè)走向數(shù)字化,智能化轉(zhuǎn)型并與大數(shù)據(jù)時代接軌。變電站所有設(shè)備發(fā)電系統(tǒng)復(fù)雜,設(shè)備高度集中,雖然建立了分布式控制系統(tǒng),生產(chǎn)實時信息系統(tǒng),但在應(yīng)用時大多停留在設(shè)備運行的過程監(jiān)控統(tǒng)計,報表與經(jīng)濟性能的計算階段,對其設(shè)備運行時的故障診斷,預(yù)警等智能處理模塊相對薄弱。

通過巡檢機器人采集設(shè)備上的無感傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù),并結(jié)合機器視覺所處理的結(jié)果。通過大數(shù)據(jù)分析技術(shù),采取針對性算法對變電站建立各類的數(shù)據(jù)挖掘模型,設(shè)備分析模型,實時對變電設(shè)備進行故障與運行方式的預(yù)警與診斷。巡檢機器人結(jié)合機器視覺技術(shù)采集的圖像數(shù)據(jù)與變電站中的變壓器、高壓斷路器、隔離開關(guān)、電容器、電抗器等設(shè)備的運行數(shù)據(jù)(比如實時的電流與電壓數(shù)據(jù))進行結(jié)合,產(chǎn)生大量的實時有效數(shù)據(jù)。在經(jīng)過大數(shù)據(jù)分析算法,可精準分析出是否在此刻設(shè)備存在故障信息。如存在故障信息可及時通過巡檢機器人的預(yù)警系統(tǒng)及時通知相關(guān)的設(shè)備維護人員。

圖3 智能巡檢系統(tǒng)故障信息診斷原理圖

4 總結(jié)

本文基于當前變電站設(shè)備故障檢測與故障診斷等技術(shù)還沒有進入全部智能化。通過結(jié)合變電站的實際應(yīng)用環(huán)境特征,提出一種智能巡檢機器人自主監(jiān)控與故障診斷檢測系統(tǒng)。采用深度學(xué)習(xí),大數(shù)據(jù)信息分析技術(shù)與攜帶高清攝像頭的有機結(jié)合,采取深度學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)分析算法,對變電站所有設(shè)備進行故障實時智能檢測分析,并可及時發(fā)出預(yù)警信號傳達給相關(guān)的維護人員。巡檢機器人變電站故障檢測系統(tǒng)對變電站的所有設(shè)備實時監(jiān)測,分析故障信息并及時傳達故障信息具有重要的現(xiàn)實意義。