藍(lán)麗麗 廖建波

（廣西電網(wǎng)公司柳州供電局）

0 引言

目前，國內(nèi)大部分變電站仍然沿用人工巡檢的檢修模式，由于巡檢作業(yè)中工作人員所處外界環(huán)境較差加之工作強(qiáng)度大，造成巡檢工作整體效率不高。此外，巡檢人員技能水平參差不齊，在檢查作業(yè)中所找到的故障點也不相同，且很難將檢測數(shù)據(jù)一一有效錄入信息系統(tǒng)中，造成巡檢結(jié)果缺乏客觀準(zhǔn)確性。

隨著變電站功能的不斷強(qiáng)大，巡檢項點逐漸增加，巡檢步驟也變得更為復(fù)雜。且在某些地區(qū)因其地理特點，環(huán)境會更加惡劣，變電站工作的安全風(fēng)險將更大。傳統(tǒng)的人工巡檢已經(jīng)不能滿足多樣化的巡檢任務(wù)和惡劣的外界環(huán)境，因此，在變電站日常巡檢作業(yè)中引入智能化的巡檢技術(shù)刻不容緩。而采用人工智能技術(shù)的移動機(jī)器人系統(tǒng)逐漸進(jìn)入大眾的視野，該機(jī)器人能夠適應(yīng)外界惡劣的環(huán)境，完成多種巡檢作業(yè)，護(hù)航變電站正常運行。

1 智能化巡檢系統(tǒng)整體框架

智能巡檢機(jī)器人是變電站實現(xiàn)智能化檢測的主要設(shè)備，由巡檢機(jī)器人后臺監(jiān)控系統(tǒng)和巡檢機(jī)器人移動站組成，其整體框架如圖1所示。

圖1 智能化巡檢系統(tǒng)整體框架

變電站智能化巡檢系統(tǒng)的重心為移動機(jī)器人，其主要由主控模塊、云臺雙系統(tǒng)及無線通訊模塊組成。其中，主控模塊采用嵌入式安裝在移動機(jī)器人系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)集線器上，主要包含導(dǎo)航定位模塊、伺服驅(qū)動模塊、自動充電以及能源管理模塊、避障模塊和其他傳感器等部分；云臺雙系統(tǒng)主要包含紅外采集模塊、可見光采集模塊及視頻服務(wù)器等，是整個移動機(jī)器人系統(tǒng)的“眼睛”，監(jiān)視變電站外界環(huán)境的變化［1］?？傊苿訖C(jī)器人系統(tǒng)具備多元化的巡檢方法、智能化的任務(wù)執(zhí)行模式、系統(tǒng)融合度高、適應(yīng)性強(qiáng)等特點，是執(zhí)行各種巡檢作業(yè)的主體，采用地面巡檢的模式對變電站高壓場地、相關(guān)測量儀表、電氣端子箱、隔離開關(guān)分合狀態(tài)等變電站的各運轉(zhuǎn)情況進(jìn)行全面檢測。

移動機(jī)器人系統(tǒng)主要具有以下特點［2］：

（1）擁有隔離開關(guān)分合、紅外線測溫和表計讀數(shù)等多種巡檢工作模式，比較貼合變電站現(xiàn)場實際工作情況，實用性較強(qiáng)，覆蓋面廣，較好地滿足了變電站日常工作中運行及維護(hù)保養(yǎng)的相關(guān)需求。

（2）根據(jù)每次巡檢任務(wù)的實際情況，紅外采集系統(tǒng)能夠進(jìn)行自動啟停，增加其使用壽命，減緩設(shè)備衰老進(jìn)度。

（3）可輔助工作人員進(jìn)行風(fēng)險等級較高的倒閘作業(yè)操作。

2 智能巡檢機(jī)器人主要硬件選型

2.1 主控模塊

移動機(jī)器人系統(tǒng)的控制核心為主控模塊，其控制整個機(jī)器人全部的執(zhí)行動作。為更好確保機(jī)器人動作的精準(zhǔn)性，本文選取HIPC-1910L型工控機(jī)，配置雙電源輸入、10GB內(nèi)存和36GB閃存。主控模塊采用常見的Windows操作系統(tǒng)，可以與多種I／O接口進(jìn)行匹配。此外，工控機(jī)還配置三十六路輸入模塊、控制器局域網(wǎng)通訊接口控制卡、三極管集電極十六通道輸出模塊，進(jìn)一步接受激光、紅外線等各種傳感器信息，且工控機(jī)還增設(shè)電壓檢測單元，實時對巡檢移動機(jī)器人電池的工作電量進(jìn)行監(jiān)測。

2.2 自動引導(dǎo)運輸車

自動引導(dǎo)運輸車不需要人工駕駛，可以自主進(jìn)行無人避障。常見的引導(dǎo)車有：磁引導(dǎo)運輸車、視覺引導(dǎo)運輸車以及激光引導(dǎo)運輸車［3］。磁引導(dǎo)車的技術(shù)成熟，價格便宜，運行前在地面上敷設(shè)磁條；后兩種造價偏高，且對外界環(huán)境的要求苛刻，本文移動機(jī)器人的巡檢路線比較固定，所以采用磁引導(dǎo)運輸車，考慮到本文磁引導(dǎo)運輸車的主要作用是載運檢測設(shè)備并無牽引作用，故最終選用背壓式磁引導(dǎo)運輸車。

2.3 驅(qū)動模塊

變電站作業(yè)場所大多在室外，道路較為曲折，故移動機(jī)器人行進(jìn)的速度不能太高，但運行扭矩及精度控制要求較高，移動機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)電機(jī)主要是控制攝像機(jī)的旋轉(zhuǎn)角度，需要較好的定位精度，而步進(jìn)電機(jī)具有控制精度較高、抗干擾能力強(qiáng)、運行可靠等優(yōu)點，因此選用步進(jìn)電機(jī)；因移動機(jī)器人為直流驅(qū)動，故其執(zhí)行單元采用直流伺服電機(jī)。此外，為了避免失電狀態(tài)下檢測設(shè)備跌落，導(dǎo)致設(shè)備損壞，系統(tǒng)電機(jī)均需具備抱閘功能。

2.4 傳感器

移動機(jī)器人感知外界環(huán)境離不開傳感器，機(jī)器人自身安裝了多種傳感器，其中，可見光傳感器可以對電氣設(shè)備外觀和相關(guān)電子儀表數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，熱成像傳感器可以對變電站高壓設(shè)備進(jìn)行實時溫度監(jiān)測，尤其是各種高壓接頭處的溫度，一旦損壞對系統(tǒng)的影響程度較大。此外，移動機(jī)器人為了快速測量周圍環(huán)境和自身之間的距離，配置六臺超聲波傳感器，充分保護(hù)機(jī)器人運行過程中的安全，避免與障礙物發(fā)生撞擊。同時，移動機(jī)器人前后均安裝有避免跌落和撞擊的感應(yīng)裝置，確保移動機(jī)器人在遇到障礙物時能夠停止行走。

2.5 云臺系統(tǒng)

移動機(jī)器人的云臺系統(tǒng)中紅外攝像機(jī)選取NCC-4700JX12型800萬像素紅外網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)；可見光攝像機(jī)選用C62L25T100AH型一體化攝像機(jī)，具有背光補(bǔ)償、鏡頭變焦、電子快門等功能，可以進(jìn)行遠(yuǎn)距離監(jiān)控，適合不同的時間段和不同的天氣段運行，滿足變電站全天候監(jiān)控的需要。

3 智能巡檢機(jī)器人軟件設(shè)計

3.1 智能巡檢機(jī)器人軟件控制模塊

移動機(jī)器人軟件控制模塊可以對移動目標(biāo)進(jìn)行檢測，遠(yuǎn)程控制機(jī)器人運動及云臺攝像機(jī)動作等。這些動作可以通過鍵盤按鈕來進(jìn)行，在鍵盤當(dāng)中設(shè)定某些快捷鍵來完成云臺系統(tǒng)復(fù)位、停止、前進(jìn)、后退等方向操作，易于操作、方便維護(hù)。其控制模塊的框架如圖2所示。移動機(jī)器人的行進(jìn)路線通過路徑規(guī)劃模塊傳輸?shù)娇刂票Ｕ舷到y(tǒng)中，控制保障系統(tǒng)利用無線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與移動站系統(tǒng)的通訊連接，此外，也可以通過手動控制模塊對移動機(jī)器人巡檢情況進(jìn)行設(shè)置。

圖2 移動機(jī)器人控制模塊框架

3.2 智能巡檢機(jī)器人報警輸出模塊

日常使用過程中，可見光攝像機(jī)和紅外攝像機(jī)可實時采集機(jī)器人前方區(qū)域的圖像數(shù)據(jù)，同時利用超聲波傳感器感知周圍環(huán)境，并實時將數(shù)據(jù)傳輸至主控模塊HIPC-1910L進(jìn)行分析和比對，主控模塊HIPC-1910L可將傳入的數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合計算，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，移動站將啟動報警程序，對異常數(shù)據(jù)進(jìn)行采集后通過無線網(wǎng)絡(luò)模塊將其輸送至報警模塊，報警輸出流程的框架圖如圖3所示。

圖3 移動機(jī)器人報警輸出流程

為了保證報警信息傳遞的時效性，該系統(tǒng)選用api作為底層邏輯的表達(dá)函數(shù)，并對異常信息按照優(yōu)先級及影響程度做排序處理，實現(xiàn)報警信息的分類，以便故障發(fā)生的第一時間內(nèi)工作人員可以有針對性地處理解決。

3.3 智能巡檢機(jī)器人導(dǎo)航定位系統(tǒng)

在移動機(jī)器人的導(dǎo)航定位系統(tǒng)工作過程中，機(jī)器人在行進(jìn)途中，一旦超聲波傳感器檢測到有物體存在時，其運行速度會逐漸降低，直至停止前行，等障礙物被處理掉后，繼續(xù)前進(jìn)［4］。導(dǎo)航定位系統(tǒng)主要應(yīng)用的是蟻群算法，其主要數(shù)學(xué)模型如式（1）所示：

式中，指任意t時刻螞蟻從巡檢路線i處走到j(luò)處的概率；指任意t時刻信息素數(shù)量值；α、β分別指信息素及期望的啟發(fā)因子；ηij指的是i與j點的期望度。

4 移動機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的應(yīng)用

移動機(jī)器人巡檢工作圖如圖4所示，移動機(jī)器人巡檢時可以利用可見光攝像機(jī)對變電站電子儀表類進(jìn)行識別，讀取數(shù)據(jù)，并拍照留存，然后輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)報表供工作人員查看［5］。個別電子儀表因為自身表頭朝向及安裝位置等原因，可能無法被攝像機(jī)準(zhǔn)確檢測或識別。

圖4 機(jī)器人巡檢工作圖

移動機(jī)器人利用紅外攝像機(jī)進(jìn)行測溫時，通過云臺系統(tǒng)與各位置傳感器的配合使用，令移動機(jī)器人停留在合理的拍照點位迅速對目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行拍攝，從而為工作人員提供詳實的設(shè)備溫度圖譜，以便后續(xù)的故障分析。

通過實地考察，移動機(jī)器人獲取的六氟化硫氣壓表讀數(shù)、紅外攝像機(jī)測量溫度和系統(tǒng)泄漏電流等參數(shù)都與實際測量數(shù)據(jù)相差不大，個別數(shù)據(jù)的誤差也在規(guī)定范圍內(nèi)，具有較高的檢測準(zhǔn)確性。

4.1 系統(tǒng)及時性分析

移動機(jī)器人所采集的動態(tài)數(shù)據(jù)借助無線網(wǎng)絡(luò)傳送到后臺控制中心，且工作人員可以實時查看系統(tǒng)數(shù)據(jù)，通過對比歷史數(shù)據(jù)，判斷采集到的工作數(shù)據(jù)是否在正常區(qū)間內(nèi)，如發(fā)現(xiàn)異常應(yīng)及時對電氣設(shè)備進(jìn)行干預(yù)。

根據(jù)現(xiàn)場使用反饋，移動巡檢機(jī)器人可以準(zhǔn)確高效完成高壓電力設(shè)備工作溫度的檢測，變電站工作人員不用親自到場檢查高壓部件，保障了檢修人員生命安全的同時也提高了作業(yè)效率，檢修人員能夠?qū)崟r查看紅外相機(jī)生成的溫度曲線，一旦發(fā)現(xiàn)溫度曲線劇烈變化時立即報警，通知檢修人員及時到場進(jìn)行處理，使設(shè)備故障及時得到解決。

4.2 系統(tǒng)效益分析

目前，多數(shù)變電站實行無人值守模式，且變電站的工作量日益增多。使用該移動機(jī)器人使用在現(xiàn)場進(jìn)行巡檢作業(yè)后，一方面降低了工作人員的作業(yè)量，另一方面也減小了工作人員因粗心大意而造成的設(shè)備故障隱患發(fā)生的概率，充分保障了變電站安全可靠運行，使工作人員的精力可以投入到其他生產(chǎn)工作中。

移動巡檢機(jī)器人代替工作人員進(jìn)行例行巡檢，在保證電氣設(shè)備的高效巡檢的同時又能降低人力成本。

變電站移動機(jī)器人投入使用后，多次發(fā)現(xiàn)高壓設(shè)備溫度過高現(xiàn)象并及時預(yù)警，避免了危險事故的發(fā)生頻次，在一定程度上間接提高了變電站系統(tǒng)運營維護(hù)的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)束語

本文在介紹國內(nèi)變電站巡檢模式的基礎(chǔ)上，首先對智能化巡檢系統(tǒng)的整體框架進(jìn)行了搭建，然后對巡檢機(jī)器人主控模塊、自動引導(dǎo)運輸車、驅(qū)動模塊、傳感器、云臺系統(tǒng)等主要硬件進(jìn)行了選型，接著對巡檢機(jī)器人的軟件模塊進(jìn)行了相關(guān)設(shè)計，最后對移動機(jī)器人在變電站實際巡檢工作中的應(yīng)用進(jìn)行了討論，有力保障了變電站設(shè)備運行可靠性，提高了工作效率，推動了電力行業(yè)健康發(fā)展。