姜 輝，滕 磊，竇雪亮，郭守海

（1.吉林石化公司電儀中心，吉林吉林 132022；2.吉林紫瑞新材料有限公司，吉林吉林 132021）

0 引言

某公司近年退休人員數(shù)量呈現(xiàn)遞增趨勢，尤其變電站崗位用工總量，已經(jīng)不能滿足正常的生產(chǎn)需要。多數(shù)變電站存在用工總量與崗位人員短缺的矛盾問題，由于員工年齡結(jié)構(gòu)老化，存在日常巡檢力量不足的安全隱患問題。公司某廠變電站始建于1996 年，裝置設(shè)備同期投入運行，由于設(shè)備數(shù)字化程度較低，崗位員工大多數(shù)還是依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗進行人工操作和巡檢，易出現(xiàn)效率低、反饋慢、安全風險大等問題。

1 項目建設(shè)必要性

工廠66 kV 變電站2 所、6 kV 變電站13 所、380 V 變電站29 所，采用人工方式進行定時巡檢，各個變電站分散布置在廠區(qū)的不同位置，位置相距比較遠?，F(xiàn)電氣巡檢制度要求：每班次巡檢2 次，巡檢時長2.5 h，而夜班早晚巡檢時間不夠，長期占用員工休息時間，操作人員對設(shè)備巡查時效性不明顯，存在巡查間隙發(fā)生危險的管理漏洞。需對電氣系統(tǒng)進行改造升級，通過數(shù)字化建設(shè)提高工廠電氣變電站智能化、信息化的管理水平。無人值守變電站及智能機器人巡檢與網(wǎng)絡的結(jié)合，使變電站得以優(yōu)化，可提高管理質(zhì)量和工作效率。

2 智能巡檢機器人系統(tǒng)設(shè)計

室內(nèi)掛軌式智能巡檢機器人系統(tǒng)以巡檢機器人為核心，集移動視頻巡檢、紅外測溫、環(huán)境監(jiān)控、數(shù)據(jù)智能分析等功能于一體，實現(xiàn)對巡檢區(qū)域設(shè)備的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析管理。巡檢機器人系統(tǒng)是由后臺軟件系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)、機器人系統(tǒng)、通信系統(tǒng)及其他設(shè)備組成，具體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 巡檢機器人架構(gòu)

2.1 后臺管理系統(tǒng)

2.1.1 本地監(jiān)控后臺

本地監(jiān)控后臺作為巡檢機器人系統(tǒng)的中心，主要由實時監(jiān)控模塊、報表系統(tǒng)、地圖編輯模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計模塊、任務管理模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊及系統(tǒng)集成模塊等組成。本地監(jiān)控后臺除控制機器人執(zhí)行相關(guān)巡邏任務外，還應具有數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計、檢索、儲存、報表、智能分析等多種功能。

2.1.2 遠程集控后臺

遠程集控平臺除了具備本地監(jiān)控后臺的具體功能之外，還可以監(jiān)管數(shù)個本地的監(jiān)控后臺。平臺能夠?qū)λ兄悄苎矙z機器人，進行遠程控制和采取的數(shù)據(jù)進行分析，同時能夠?qū)ψ冸娬具M行層次更高的綜合控制及綜合管理。遠程集中控制后臺能夠?qū)崿F(xiàn)集中監(jiān)控模式下的所有功能，可以控制其他巡檢機器人做相應的動作和功能。

2.2 通信系統(tǒng)

巡檢機器人采用PLC 通信系統(tǒng)（兼容WIFI/4G）與整套控制系統(tǒng)通信。通信系統(tǒng)為機器人提供不小于50 Mbps 有效網(wǎng)絡帶寬，可以保證巡檢機器人系統(tǒng)所有的控制信號、視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)及報警信息等各類數(shù)據(jù)實時可靠傳輸（圖2）。

圖2 智能巡檢機器人通信原理

2.3 供電系統(tǒng)

巡檢機器人采用滑觸線的方式進行取電或鋰電池的方式進行供電?；|線安裝在鋁型材軌道上，供電系統(tǒng)取電電壓220 V/50 Hz，輸出電壓DC 24 V。巡檢機器人的供電模塊使用濾波技術(shù)，以濾除外界電網(wǎng)高頻脈沖對系統(tǒng)電源的干擾，使機器人獲得穩(wěn)定供電。

2.4 性能參數(shù)

智能巡檢機器人在行走程中采用通過伺服電機里程碼盤（脈沖）及RFID 相結(jié)合方式，來實現(xiàn)定位及路徑的校核，確保巡檢機器人的控制器及遠程中心管理平臺能夠?qū)崟r確認機器人的詳細位置信息。

3 智能巡檢機器人主要功能

3.1 視頻識別

智能巡檢機器人系統(tǒng)的核心功能是室內(nèi)掛軌式巡檢機器人的視頻識別功能，機器人通過自身配置的可見光攝像機來實現(xiàn)視頻、圖像等數(shù)據(jù)的采集，采用自主開發(fā)的相關(guān)高精度圖像識別算法，來對相關(guān)視頻數(shù)據(jù)進行智能分析和處理，識別視頻內(nèi)容。視頻識別功能能夠準確識別室內(nèi)的儀表、壓板、開關(guān)、指示燈、設(shè)備外觀等多種表計，進行自動表計讀數(shù)，以此全面掌控變電站電力設(shè)備和環(huán)境的全部狀態(tài)信息（表1）。

表1 巡檢機器人主要功能模塊

3.2 紅外測溫

巡檢機器人利用自身攜帶的紅外熱成像儀對室內(nèi)電力設(shè)備溫度數(shù)據(jù)進行采集，對采集的數(shù)據(jù)進行分析，進而診斷出致熱型設(shè)備故障及熱缺陷，觸發(fā)相應報警。紅外測溫功能包括紅外普測、精確測溫、遙控測溫和測溫預警等。巡檢任務執(zhí)行完成后會自動生成任務報表，實現(xiàn)對變電站設(shè)備及環(huán)境溫度的高密度、高顆粒度檢測與多維度分析管理。

3.3 環(huán)境檢測

巡檢機器人自身攜帶的環(huán)境監(jiān)測模塊可以監(jiān)測環(huán)境中的有害氣體、溫度、濕度、煙霧等環(huán)境信息（圖3）。機器人實時采集的環(huán)境信息即時傳輸?shù)娇刂浦行?，為操控人員提供現(xiàn)場環(huán)境信息。當監(jiān)測到有害氣體超標時，系統(tǒng)將進行報警，提示運維人員及時處理。機器人系統(tǒng)可聯(lián)合多種環(huán)境監(jiān)測設(shè)備對現(xiàn)場環(huán)境狀態(tài)信息進行全方位的檢測匯總和統(tǒng)一分析，并可據(jù)環(huán)境和設(shè)備異常出現(xiàn)的頻率智能劃定需重點關(guān)注的區(qū)域，有效輔助配網(wǎng)運維決策。

圖3 環(huán)境監(jiān)測示意

3.4 音頻采集

巡檢機器人本體搭載高靈敏度的拾音器，隨云臺一同轉(zhuǎn)動，定向采集電力設(shè)備的音頻信息。機器人采用國際領(lǐng)先的音頻降噪算法和聲音識別技術(shù)，降低環(huán)境噪聲干擾，增強音頻信息識別的準確性和可靠性。音頻數(shù)據(jù)經(jīng)過軟件壓縮后傳回服務器進行存儲。

3.5 局放檢測

巡檢機器人內(nèi)部搭載局放檢測傳感器用于地電波（TEV）和超聲波（AE）的檢測（圖4）。當檢測到開關(guān)柜等設(shè)備內(nèi)局部放電處于異常狀態(tài)時，能立即觸發(fā)報警，提示管理人員到達現(xiàn)場處置。利用局放檢測設(shè)備，能實時對開關(guān)柜等設(shè)備進行檢測。局放監(jiān)測設(shè)備數(shù)據(jù)模塊及控制后臺具備局放數(shù)據(jù)自動繪圖、自主識別和診斷的能力，在局放出現(xiàn)異常情況下可以實時報警、應急模式巡檢及系統(tǒng)聯(lián)動功能，同時管理后臺能夠?qū)吸c檢測數(shù)據(jù)進行歷史分析，并進行歸檔和診斷等處理。

圖4 局放檢測功能

3.6 雙向語音

巡檢機器人雙向語音功能是指對講和廣播功能。對講功能可實現(xiàn)變電站監(jiān)控人員通過巡檢機器人的管理后臺和機器人間進行的對講；廣播功能可實現(xiàn)通過管理后臺對現(xiàn)場工作的遠程指揮及緊急狀態(tài)下發(fā)布快速撤離等。

3.7 任務管理

在監(jiān)控平臺中，將任務管理分成全面巡檢、例行巡檢、專項巡檢、特殊巡檢、自定義任務、地圖選點以及任務展示等七大模塊，每個大模塊又拆分為不同的小模塊，可以根據(jù)實際情況建立不同類型的任務。在任務系統(tǒng)中既可以手動進行任務的執(zhí)行，也可按照日程進行任務分配執(zhí)行實現(xiàn)自動巡檢功能。

3.8 巡檢功能

智能巡檢機器人自動巡檢功能模塊，能自主實現(xiàn)變電站室內(nèi)巡檢工作，具備高度自動化、智能化的特征，進而取代人工巡檢（圖5）。自動巡檢模式有定時巡檢、特殊巡檢、例行巡檢、單次巡檢、人工遙控巡檢等，可根據(jù)需要在各類模式間相互切換。巡檢機器人能按預先設(shè)定的巡檢模式進行工作，按設(shè)置規(guī)則進行表計的讀數(shù)、電力設(shè)備的量溫和環(huán)境監(jiān)測等各項巡檢任務。

圖5 后臺巡檢界面

（1）自動巡檢任務。智能巡檢機器人按預先設(shè)定的路徑進行自動巡視的方式就是自動巡檢。自動巡檢模式有2 種方式：例行巡檢、特殊巡檢，模式間可相互轉(zhuǎn)換。巡檢機器人安裝有高清攝像機、拾音器、高靈敏紅外熱成像儀等檢測設(shè)施，機器人能按設(shè)定的規(guī)則和路線，實現(xiàn)變電站各點設(shè)備設(shè)施的可見光拍照、紅外測溫、表計讀數(shù)以及環(huán)境監(jiān)測等各項巡檢活動任務，同時把各種巡檢數(shù)據(jù)即時自動傳輸至后臺管理系統(tǒng)進行保存，進而生成詳細檢測分析報告，這些任務包含有局放檢測、電流檢測、溫度檢測、電壓檢測、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測等。針對特定巡檢點，可由巡檢人根據(jù)電力柜巡測需要檢測點，實現(xiàn)特定電力柜的巡檢需要。

（2）人工遙控巡檢。巡檢機器人可通過人工遙控巡檢方式，進行實時遙控機器人。人工遙控模式適合運維人員需對變電站某臺設(shè)備及設(shè)施狀態(tài)進行鎖定和監(jiān)測，特別是在機器人自主巡檢任務中，檢測出現(xiàn)的設(shè)備及環(huán)境異常向運維人員報警時的狀態(tài)，運維人員能立即采用管理后臺人工遙控功能，操控機器人第一時間到達異常設(shè)備設(shè)施的位置，能夠及時將異常設(shè)備設(shè)施查看同時核實報警信息，以便下步快速制定響應和應急操作。

3.9 數(shù)據(jù)統(tǒng)計及報表

監(jiān)控平臺具備對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行儲存、分析、統(tǒng)計、檢索的功能。監(jiān)控平臺對數(shù)據(jù)進行標準化的整理與排序，支持報表導出保存。運維人員可根據(jù)任務或監(jiān)控點在監(jiān)控平臺內(nèi)對數(shù)據(jù)進行檢索，快速查看監(jiān)控數(shù)據(jù)。

巡檢機器人在執(zhí)行完一個任務之后都會自動生成報表，運維人員可以在監(jiān)控平臺根據(jù)時間、巡檢類型、任務名稱等進行檢索并查看報表。運維人員可根據(jù)需求檢索，查看，導出各類表報，包括巡檢任務報表、數(shù)據(jù)報表、報警記錄報表、環(huán)境信息報表等。

3.10 預警與聯(lián)動

巡檢機器人巡檢過程中，通過數(shù)值分析、趨勢分析、閾值對比、數(shù)據(jù)庫等技術(shù)，對異常的數(shù)據(jù)實現(xiàn)自動預警。預警通過界面告警和聲光告警2 種方式呈現(xiàn)，提醒運維人員。當后臺分析數(shù)據(jù)顯示為異常時，后臺監(jiān)控軟件界面會出現(xiàn)告警信息列表，運維人員通過操作滾動顯示告警信息。當系統(tǒng)存在告警信息時，系統(tǒng)通過巡檢機器人告警音頻及燈光閃爍，提醒運維人員注意。

系統(tǒng)預警功能通過大數(shù)據(jù)分析引擎和專家診斷系統(tǒng)技術(shù)，基于設(shè)備檔案數(shù)據(jù)庫，對采集的海量信息、自定義報表，結(jié)合專家分析知識，進行多維度數(shù)據(jù)分析，識別熱斑缺陷，發(fā)現(xiàn)潛在的風險和缺陷，預測可能出現(xiàn)的問題，基于運營收益最大化目標，給出合理的維護建議，如零部件清洗保養(yǎng)建議、部件更換和維護建議等，實現(xiàn)預防性維護，減少非計劃停運損失。

設(shè)備智能故障診斷系統(tǒng)通過對設(shè)備故障、線路故障的特征現(xiàn)象進行分析，利用專家診斷模型和STORM 實時數(shù)據(jù)分析技術(shù)，建立一種新的故障排查和分析機制，指出發(fā)現(xiàn)問題的原因，提供問題的解決方案，快速、準確地解決光伏電站運行中設(shè)備故障問題。同時把診斷的信息流自動輸出至運維系統(tǒng)，來實現(xiàn)高效的運維診斷和檢修管理。

3.11 機器人自檢

巡檢機器人作為巡檢系統(tǒng)的主體，搭載主要的檢測設(shè)備在前端采集各類數(shù)據(jù)信息。為了保證日常工作，機器人在啟動巡檢前均會進行自檢，自檢內(nèi)容包括紅外熱成像儀、高清相機、電機、云臺、內(nèi)部存儲及各種傳感器等，若發(fā)現(xiàn)部件異常則給出異常狀態(tài)報警，并將系統(tǒng)異常信息上傳至監(jiān)控后臺，方便運維人員及時發(fā)現(xiàn)故障，減少故障處理時間，提高解決故障的效率。

4 結(jié)語

實現(xiàn)變電站巡檢工作機器替代人工巡檢，無人值守、智能管控。運維人員通過巡檢機器人全景掌握高危區(qū)域設(shè)備的狀態(tài)，減少巡檢次數(shù)，降低日常維護的人員及物資等維護成本，挖掘生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)中的價值，提高運維管理水平，降低人工巡檢工作量。通過數(shù)字化建設(shè)提高工廠電氣變電站智能化、信息化管理水平，實現(xiàn)變電站無人值守，提高管理質(zhì)量和工作效率。