李怡弨

（山西潞安化工集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司，山西 長治 047105）

變電站是礦井供電系統(tǒng)的核心，其工作的穩(wěn)定性和可靠性直接決定了整個(gè)電網(wǎng)系統(tǒng)的運(yùn)行安全。通常情況下各供電單位均設(shè)置有專業(yè)的巡查小組，用于對變電站的實(shí)際工作狀態(tài)進(jìn)行巡查，巡查頻率在1～2次/日，巡查后及時(shí)對電站的工作狀態(tài)進(jìn)行點(diǎn)檢并上報(bào)巡查記錄，工作量大，而且巡查的效率和準(zhǔn)確性較低，嚴(yán)重依賴巡查人員的專業(yè)技術(shù)能力。因此迫切需要建立自動(dòng)化、智能化、數(shù)字化的巡查控制系統(tǒng)。

日本在上世紀(jì)80年代研制了自動(dòng)巡檢機(jī)器人[1]，能夠?qū)崿F(xiàn)對變電站周圍工作環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測。加拿大在上世紀(jì)90年代末提出了一種新的具有遠(yuǎn)程監(jiān)控的自動(dòng)巡檢機(jī)器人[2]。但在實(shí)際使用過程中發(fā)現(xiàn)以上系統(tǒng)缺乏集中控制，數(shù)據(jù)信息缺失量大，仍需要人工進(jìn)行補(bǔ)充監(jiān)測，無法實(shí)現(xiàn)對變電站運(yùn)行狀態(tài)的集中控制和管理，可靠性不足。

為解決上述問題，提出了一種新的變電站智能化巡檢控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)以集控中心為控制平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了對不同變電站的兩級巡檢控制，建立了多智能體系的遠(yuǎn)程集中控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)多巡檢機(jī)器人巡檢信息的交互上傳和自動(dòng)分析，對各變電站運(yùn)行狀態(tài)信息進(jìn)行集約化管控，實(shí)現(xiàn)故障及時(shí)預(yù)警和故障快速定位，有效地提升了對變電站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的效率和可靠性。

1 變電站智能化控制系統(tǒng)

變電站智能化控制的核心是要求實(shí)現(xiàn)對站內(nèi)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的智能監(jiān)測、故障診斷和處理；同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)對變電站工作范圍內(nèi)環(huán)境狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。因此在建立變電站智能化控制系統(tǒng)時(shí)對其采用了模塊化的構(gòu)建方式，核心模塊為變電站設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)自動(dòng)監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)，主要用于對站內(nèi)各設(shè)備的運(yùn)行情況進(jìn)行信息化監(jiān)測和集中控制；輔助模塊主要是利用巡檢機(jī)器人及視頻監(jiān)控裝置實(shí)現(xiàn)對變電站工作環(huán)境、設(shè)備運(yùn)行溫度等的集中監(jiān)控和預(yù)警，該變電站智能化監(jiān)控原理如圖1所示。

圖1 變電站智能化監(jiān)控原理

由圖1可知，該變電站智能化監(jiān)控體系，首先是對變電站內(nèi)各種設(shè)備的運(yùn)行原理、核心工藝參數(shù)及故障類別進(jìn)行了研究，確定了各個(gè)設(shè)備的監(jiān)測數(shù)據(jù)及對應(yīng)的故障類別信息。對不同的設(shè)備進(jìn)行不同的核心數(shù)據(jù)采集及監(jiān)測，滿足對變電站內(nèi)各設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的自動(dòng)監(jiān)控和故障自動(dòng)定位識別。

該系統(tǒng)的正常運(yùn)行主要依賴于基于無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)、基于紅外線監(jiān)測的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)及基于自動(dòng)行走的巡檢機(jī)器人監(jiān)測系統(tǒng)。通過對各設(shè)備運(yùn)行核心關(guān)鍵參數(shù)的監(jiān)測，能夠以故障樹的形式建立各參數(shù)對應(yīng)的故障類別庫，當(dāng)參數(shù)出現(xiàn)異常后能夠進(jìn)行快速的故障定位分析，及時(shí)進(jìn)行報(bào)警和故障定位，能夠幫助監(jiān)測人員快速進(jìn)行故障判別和處理。

2 基于無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)

煤礦上的地質(zhì)條件相對復(fù)雜，有線數(shù)據(jù)傳輸方案使用的線路長、線路易損壞，特別是巡檢小車拖纜運(yùn)行的過程中極易出現(xiàn)電纜的纏繞，嚴(yán)重限制了巡檢小車的巡檢路線和范圍，難以滿足變電站智能監(jiān)測系統(tǒng)通信靈活性的需求。在對多種數(shù)據(jù)通信方案對比后，設(shè)計(jì)了一種新的基于無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用了ZigBee(基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議)無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)[3]，能夠顯著地提升變電站智能監(jiān)測系統(tǒng)的通信效率和靈活性，通信功耗低，應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性好，該系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基于無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)

由圖2可知，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)調(diào)度室、變電站及用電工業(yè)區(qū)域之間的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信，便于快速進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸和指令傳送，同時(shí)能夠?qū)Ω鳒y量點(diǎn)的電流、電壓、溫度、開關(guān)狀態(tài)、局部放電等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。對ZigBee通信節(jié)點(diǎn)的構(gòu)建主要是利用礦用路由器實(shí)現(xiàn)的，然后利用GPRS無線數(shù)據(jù)通信[4]將不同監(jiān)測節(jié)點(diǎn)匯集的監(jiān)測數(shù)據(jù)傳遞給控制中心，在控制中心內(nèi)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的快速分類和分析，及時(shí)識別出異常數(shù)據(jù)并對異常數(shù)據(jù)的位置、原因進(jìn)行快速定位和分析，為監(jiān)控人員對故障進(jìn)行快速處理提供指導(dǎo)。

3 機(jī)器人巡檢控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 巡檢控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于變電站的分布位置較為分散且內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用定點(diǎn)監(jiān)測的方案難以實(shí)現(xiàn)無死角監(jiān)控，因此需要設(shè)計(jì)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)充監(jiān)測，確保對變電站運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測的準(zhǔn)確性，其整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

由圖3可知，該系統(tǒng)的核心為巡檢機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)，主要包括了監(jiān)控終端、數(shù)據(jù)分析處系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)系統(tǒng)及任務(wù)管理系統(tǒng)。其中任務(wù)管理系統(tǒng)是系統(tǒng)的“大腦”，能夠跟進(jìn)系統(tǒng)設(shè)定或者人工控制指令選擇例行巡檢、特殊巡檢、全面巡檢、專項(xiàng)巡檢四種巡檢方式[5]。

圖3 智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

例行巡檢，主要是控制機(jī)器人，根據(jù)預(yù)設(shè)的巡查路徑，對變電站四周氣體情況、環(huán)境溫度、設(shè)備溫度等進(jìn)行巡查，巡查速度快、巡查后能夠生成例行巡查報(bào)告，自動(dòng)對整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行分析，為例行的維護(hù)保養(yǎng)提供依據(jù)。

全面巡查、特殊巡查、專項(xiàng)巡查，主要是根據(jù)不同的需求，設(shè)置不同的巡查速度、巡查點(diǎn)位，提高系統(tǒng)使用的靈活性。

3.2 巡檢機(jī)器人軌道設(shè)計(jì)

為了保證監(jiān)測的準(zhǔn)確性，對巡檢機(jī)器人行走時(shí)的穩(wěn)定性要求較高，因此其運(yùn)行軌道系統(tǒng)采用了高強(qiáng)度H鋼[6]，并將軌道用托架支護(hù)牢固，機(jī)器人和軌道間的運(yùn)行間隙控制在單邊1 mm，從而保證在運(yùn)行過程中的穩(wěn)定性。機(jī)器人的行走軌道結(jié)構(gòu)如圖4（a）示，圖中1為墻壁，2為支架，3為托架，4為穩(wěn)定裝置，5為H鋼。

圖4 巡檢機(jī)器人及軌道結(jié)構(gòu)

3.3 巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了滿足監(jiān)測準(zhǔn)確性的需求，在巡檢機(jī)器人上設(shè)置有高清攝像頭、行走驅(qū)動(dòng)裝置、無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、氣體監(jiān)測裝置等。高清攝像頭主要包括了用于白天監(jiān)測的可見光攝像頭以及用于夜晚和溫度監(jiān)測的紅外熱成型系統(tǒng)。攝像裝置采用了360°全景攝像裝置，盡可能大的擴(kuò)大監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)控范圍。行走驅(qū)動(dòng)裝置主要包括了驅(qū)動(dòng)電機(jī)、行走膠輪及計(jì)數(shù)編碼器，用于控制機(jī)器人在行走軌道上的平穩(wěn)運(yùn)行。無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)主要是無線信號發(fā)生裝置，可將檢測結(jié)果和視頻傳輸給控制中心。氣體監(jiān)測裝置，主要是對周圍內(nèi)的甲烷、一氧化碳及其他氣體進(jìn)行監(jiān)測，提高運(yùn)行安全性。

巡檢機(jī)器人采用了緊湊的模塊化設(shè)計(jì)，降低了整體尺寸，能夠滿足監(jiān)測過程中在狹小區(qū)域內(nèi)運(yùn)行靈活性的需求，有效地提升了整個(gè)巡檢機(jī)器人的工作穩(wěn)定性和可靠性，該巡檢機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示。

4 應(yīng)用效果分析

該系統(tǒng)已經(jīng)在潞安化工集團(tuán)司馬煤業(yè)有限公司井下中央變電所投入應(yīng)用，表現(xiàn)出了極高的可靠性，通過6個(gè)月的應(yīng)用狀況統(tǒng)計(jì)，該系統(tǒng)將巡檢人員數(shù)量由最初的6人降低到了目前的2人，人員數(shù)量降低了66.7%，變電站的運(yùn)行故障數(shù)量由最初的77.5次/月降低到了目前的3.6次/月，故障數(shù)量降低了95.4%，對故障的處理時(shí)間由最初的4.6 min/次，降低到了目前的1.1 min/次，故障處理時(shí)間降低了76.1%，提升了變電站的運(yùn)行穩(wěn)定性和安全性。

5 結(jié)語

新的變電站智能化巡檢控制系統(tǒng)，采用了ZigBee無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)通信的低功耗、高可靠性。通過設(shè)置不同的巡檢模式，靈活地滿足了井下不同工況下的智能巡檢要求。根據(jù)實(shí)際應(yīng)用表明，新控制系統(tǒng)將巡檢人員數(shù)量降低了66.7%，將故障數(shù)量降低了95.4%，將故障處理時(shí)間平均相對76.1%，顯著提升了井下變電站運(yùn)行穩(wěn)定性和可靠性。