張偉 淦克亮

國電南瑞科技股份有限公司 江蘇 南京 210000

1 在變電站中推廣智能巡檢機(jī)器人的必要性

在變電站中，設(shè)備巡檢具有多種形式，例如全面巡檢、例行巡檢與熄燈巡檢等，在巡檢的內(nèi)容上，包括聲音異響、消防安全與設(shè)備滲漏等。根據(jù)變電站類型的不同，巡檢頻率也存在差異。由于各變電站的分布在廠區(qū)不同位置，之間距離較遠(yuǎn)，根據(jù)巡檢要求，存在巡檢時間不足、巡檢人員對設(shè)備巡檢的時效性不明顯等。現(xiàn)階段我國的變電站依舊以人工巡檢的方式為主，這就導(dǎo)致在巡檢的過程中非常依賴巡檢人員感官與經(jīng)驗上的判斷，導(dǎo)致巡檢工作的可靠性較差、勞動成本較高、效率低下等問題。上述人工巡檢方式對于設(shè)備的異常發(fā)現(xiàn)較為遲鈍、缺少可靠性[1]。對變電站進(jìn)行智能化、信息化的改造，提升其數(shù)字化的管理水平。無人值守智能巡檢機(jī)器人與現(xiàn)代化的變電站相結(jié)合，能夠有效優(yōu)化變電站的管理質(zhì)量，提升工作效率。采用智能巡檢機(jī)器人不僅能夠提升巡檢效率，還能夠在惡劣環(huán)境與偏遠(yuǎn)地區(qū)開展巡檢工作，通過巡檢機(jī)器人數(shù)據(jù)的傳輸，能夠準(zhǔn)確掌握各區(qū)域設(shè)備的情況。由于智能巡檢機(jī)器人的眾多優(yōu)點(diǎn)，各國對其開展積極研發(fā)，在20世紀(jì)80年代，日本便研發(fā)出了應(yīng)用在500kV變電站的基于路面軌道，利用相機(jī)檢查變電站設(shè)備的智能巡檢機(jī)器人。我國國土面積較大，故而各類變電場較多，多場景下工作效率較高的無人值守智能巡檢機(jī)器人十分有必要在我國變電站中進(jìn)行推廣應(yīng)用[2]。

2 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計

智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)包括后臺軟件系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。

2.1 機(jī)器人后臺管理系統(tǒng)

在后臺管理系統(tǒng)中，主要由本地監(jiān)控后臺與遠(yuǎn)程集控后臺組成。作為機(jī)器人系統(tǒng)的中心，本地監(jiān)控后臺的組成主要包括實時監(jiān)控、地圖編輯、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、任務(wù)管理模塊、系統(tǒng)設(shè)置等模塊組成。除了操控機(jī)器人執(zhí)行智能巡檢工作外，本地監(jiān)控后臺還應(yīng)具備數(shù)據(jù)的采集、儲存與分析等功能。遠(yuǎn)程集控后臺不僅具有本地監(jiān)控后臺的功能，還能夠多個本地監(jiān)控后臺。通過遠(yuǎn)程集控后臺，可以對多個巡檢機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)的采取分析與控制，還可以管理更高層次的管理，例如變電站的總和控制管理。遠(yuǎn)程集控后臺在監(jiān)控模式下，可以操控所有機(jī)器人，下發(fā)巡檢任務(wù)與其他任務(wù)，并進(jìn)行相應(yīng)的功能與動作操控。

2.2 機(jī)器人通信系統(tǒng)

在變電站的智能巡檢機(jī)器人中，采用PLC通信系統(tǒng)與整套控制系統(tǒng)通信，PLC通信系統(tǒng)兼容WIFI與5G。通信系統(tǒng)為智能巡檢機(jī)器人提供不小于100Mbps的網(wǎng)絡(luò)帶寬，100mb的寬帶網(wǎng)絡(luò)能夠有效保證變電站內(nèi)巡檢機(jī)器人的信號需求，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)實時傳輸，例如視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)等。

2.3 機(jī)器人供電系統(tǒng)

在變電站的巡檢機(jī)器人供電系統(tǒng)中，以鋰電池或者使用滑觸線方式對智能巡檢機(jī)器人供電。將滑觸線安裝在相應(yīng)的軌道上，供電系統(tǒng)取電電壓與輸出電壓分別為220V/50Hz、DC24V。巡檢機(jī)器人中的供電模塊采用濾波技術(shù)，能夠在一定程度上避免外界電網(wǎng)高頻脈沖對機(jī)器人的供電系統(tǒng)電源產(chǎn)生干擾，最終使機(jī)器人獲得穩(wěn)定供電。

3 變電站巡檢機(jī)器人功能構(gòu)建

3.1 視頻識別

變電站巡檢機(jī)器人的核心功能便是視頻識別功能。在巡檢工作中，巡檢機(jī)器人通過自身的紅外熱像儀與可見光攝像機(jī)對現(xiàn)場情況進(jìn)行視頻與圖像采集，之后運(yùn)用自主開發(fā)的圖像識別算法，對采集到的信息數(shù)據(jù)開展分析，進(jìn)行內(nèi)容處理。如圖1所示。

圖1 巡檢機(jī)器人視頻識別

巡檢機(jī)器人的視頻識別功能能夠?qū)ψ冸娬緝?nèi)各設(shè)備指示燈、開關(guān)、設(shè)備外觀與儀表進(jìn)行識別，開展自動表計讀數(shù)，視頻識別各部分具有如下功能：LED補(bǔ)光燈主要作用為在暗環(huán)環(huán)境下進(jìn)行視頻補(bǔ)光；防撞雷達(dá)負(fù)責(zé)幫助巡檢機(jī)器人進(jìn)行障礙物檢測；熱成像儀進(jìn)行熱成像圖像的采集；環(huán)境檢測模塊是一種環(huán)境檢測裝置，能夠檢測巡檢區(qū)域有害氣體；行走機(jī)構(gòu)是主要控制巡檢機(jī)器人行走的機(jī)構(gòu)；升降機(jī)構(gòu)為巡檢機(jī)器人云臺機(jī)械結(jié)構(gòu)；狀態(tài)燈進(jìn)行巡檢機(jī)器人不同狀態(tài)進(jìn)行燈管指示。各項功能共同作用形成機(jī)器人的視頻識別作用，對變電站內(nèi)設(shè)備與環(huán)境的狀態(tài)信息進(jìn)行全面掌握[3]。

3.2 環(huán)境檢測

變電站巡檢機(jī)器人環(huán)境檢測模塊能夠?qū)C(jī)器人周邊環(huán)境進(jìn)行檢測，如溫度、有害氣體、濕度等信息，如圖2所示。巡檢機(jī)器人將所采集的環(huán)境信息實時傳送到后臺控制中心，為操作人員提供現(xiàn)場環(huán)境的信息。在檢測環(huán)境時，機(jī)器人檢測到有害氣體或者其他因素指標(biāo)超標(biāo)時，將觸發(fā)報警模塊，第一時間提醒操作人員。同時巡檢機(jī)器人能夠與多種環(huán)境檢測設(shè)備對現(xiàn)場相關(guān)環(huán)境信息開展多方位的監(jiān)測，之后進(jìn)行信息的匯總與分析，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境各設(shè)備的異常頻率，進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域規(guī)劃，從而輔助配網(wǎng)運(yùn)維決策。

圖2 環(huán)境檢測示意圖

3.3 局放監(jiān)測

為了進(jìn)行地電波與超聲波監(jiān)測，智能巡檢機(jī)器人在內(nèi)部搭載局放監(jiān)測傳感器。在進(jìn)行環(huán)境檢測，檢測到開關(guān)柜等變電站設(shè)備內(nèi)出現(xiàn)局部放電異常時，第一時間進(jìn)行報警。局放檢測設(shè)備能夠有效監(jiān)測開關(guān)柜等設(shè)備，其控制后臺與數(shù)據(jù)模塊能夠進(jìn)行自動繪圖與自主識別，局方異常時，能夠進(jìn)行應(yīng)急模式巡檢與各系統(tǒng)聯(lián)動，在后臺管理系統(tǒng)中能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行歷史情況分析，之后進(jìn)行整合與診斷。

3.4 預(yù)警聯(lián)動

巡檢機(jī)器人在變電站進(jìn)行巡檢工作的過程中，通過各類數(shù)據(jù)信息的分析，針對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行第一時間的預(yù)警。預(yù)警表達(dá)主要為界面警告與聲光警告兩種方式，來達(dá)到提醒工作人員的目的。后臺數(shù)據(jù)異常時，在監(jiān)控軟件的界面上將會出現(xiàn)警告信息，工作人員通過操作來顯示警告信息。同時預(yù)警系統(tǒng)通過大數(shù)據(jù)分析與專家診斷技術(shù)，以變電站設(shè)備檔案的數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，將巡檢機(jī)器人所采集的信息數(shù)據(jù)，結(jié)合專家分析，從多個角度進(jìn)行整合分析，針對設(shè)備缺陷與風(fēng)險，預(yù)測設(shè)備可能出現(xiàn)的問題，之后結(jié)合顯示情況，提出相關(guān)維護(hù)建議。例如設(shè)備零件的保養(yǎng)清洗與維護(hù)更換建議，達(dá)到預(yù)防性維護(hù)。通過對變電站各設(shè)備的故障與特征進(jìn)行分析，巡檢機(jī)器人故障診斷系統(tǒng)利用實時數(shù)據(jù)與專家診斷模型，構(gòu)建故障排查與分析機(jī)制，針對性地提出解決方案。

3.5 巡檢機(jī)器人自檢功能

作為巡檢變電站的主體，智能巡檢機(jī)器人在前端搭建檢測數(shù)據(jù)信息。在日常巡檢之前，機(jī)器人開展自我檢查，自我檢查的內(nèi)容包括電機(jī)、云臺、相機(jī)、熱成像儀等，再自檢過程中，發(fā)現(xiàn)異常及時進(jìn)行警報，同時將異常信息實時上傳至后臺軟件系統(tǒng)，使工作人員能夠快速發(fā)現(xiàn)機(jī)器人故障，能夠有效地提升故障解決效率，減少機(jī)器人故障處理時間。

4 變電站巡檢機(jī)器人巡檢模式設(shè)計

變電站巡檢機(jī)器人具有自動巡檢模式與人工遙控巡檢模式兩種，工作人員根據(jù)變電站現(xiàn)實情況進(jìn)行巡檢機(jī)器人巡檢模式設(shè)置。巡檢機(jī)器人自主進(jìn)行巡檢工作，其自動化與智能化的程度較高，能夠代替人工巡檢。

4.1 自動巡檢模式

機(jī)器人按照設(shè)置好的巡檢路徑進(jìn)行自動巡檢即自動巡檢模式。機(jī)器人自動巡檢模式中還分為例行巡檢與特殊巡檢兩種方式，并且這兩種方式能夠?qū)崿F(xiàn)相互轉(zhuǎn)換。在巡檢機(jī)器人中搭設(shè)攝像機(jī)、熱成像儀、拾音器等環(huán)境檢測設(shè)施，巡檢機(jī)器人按照預(yù)設(shè)的路線，對變電站內(nèi)各設(shè)備進(jìn)行溫度、濕度、拍照等環(huán)境因素進(jìn)行巡檢，將各區(qū)域的環(huán)境信息實時傳輸?shù)胶笈_管理系統(tǒng)中，在系統(tǒng)中進(jìn)行整合分析，生成分析報告。自動巡查具體工作包括設(shè)備電流電壓檢測、局放監(jiān)測等，特殊巡檢需要根據(jù)工作人員所制定的特殊地點(diǎn)開展機(jī)器人巡檢。

4.2 遙控巡檢模式

遙控巡檢模式是指工作人員通過人工遙控的方式，操作智能巡檢機(jī)器人進(jìn)行站內(nèi)巡檢。機(jī)器人人工遙控的巡檢模式適用于工作人員需要對特定設(shè)備進(jìn)行檢測的情況，例如在巡檢機(jī)器人在自動巡檢的過程中，設(shè)備與環(huán)境出現(xiàn)異常，機(jī)器人警報時，工作人員可以立刻通過后臺管理程序，進(jìn)行巡檢模式的切換，通過機(jī)器人的操控第一時間的了解現(xiàn)場情況與異常位置，為應(yīng)急操作提供有效支撐。

5 巡檢機(jī)器人自主充電設(shè)計

巡檢機(jī)器人進(jìn)行自助充電，能夠使機(jī)器人實用性有效增加，減少出現(xiàn)因為電力不足而導(dǎo)致巡檢工作出現(xiàn)意外。在巡檢機(jī)器人中，搭載專用的大容量鋰電池，同時在巡檢軌道起點(diǎn)處暗轉(zhuǎn)無線充電裝置，在開展巡檢工作中，機(jī)器人電量低到一定閾值時，系統(tǒng)自動通過電機(jī)使巡檢機(jī)器人快速返回到無線充電裝置處。在無線充電裝置處設(shè)有RFID射頻標(biāo)簽，通過掃描識別充電倉門外的RFID射頻標(biāo)簽，同時將相關(guān)信息數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)指示下達(dá)“開門”指令，無限充電裝置的防爆門打開，伸縮軌自動伸出，巡檢機(jī)器人通過伸縮軌進(jìn)入充電倉中，開始進(jìn)行無線充電。自助充電的設(shè)計能夠有效地避免智能巡檢機(jī)器人在巡檢工作開展的過程中因為電量耗盡，而導(dǎo)致其無效巡檢，實現(xiàn)了長時間、穩(wěn)定、有效供電。

組合電池（PACK）與動力電池管理系統(tǒng)（BMS）連接在充電板架構(gòu)中，系統(tǒng)對巡檢機(jī)器人電池狀況進(jìn)行實時監(jiān)測，同時提供均衡功能；電池的電壓和電量由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行收集，之后通過數(shù)字接口連接微控制單元（MCU）；單片機(jī)對電池恒壓、恒流充電進(jìn)行控制。

6 結(jié)束語

綜上所述，在變電站中，使用智能巡檢機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工巡檢、設(shè)備管控、無人值守，能夠?qū)崿F(xiàn)對變電站整個區(qū)域的掌控，降低人員與物資成本，實現(xiàn)變電站的減員增效，最終提升管理與運(yùn)維質(zhì)量。