智能巡檢機器人系統功能構建及其在變電站中的應用

陳波

摘? 要：隨著計算機網絡和設備技術的發展，現代高壓輸變電工程的發展也越來越復雜化和規范。而使用傳統的操作、運行和維護等方式，會使其面臨著新的挑戰，大量的子系統、設備部件如何進一步適應當下的高壓電網運行，如何減輕變電站值班人員的運行和維護負擔，保證設備的可靠安全運行，都是今后的主要問題。因此，該文對智能巡檢機器人系統在變電站中的應用進行了探討。

關鍵詞：智能巡檢機器人;變電站;計算機網絡

中圖分類號：TP242? ? ? 文獻標志碼：A

越來越多的變電站和電氣設備，隨著我國電力系統規模的擴大而不斷擴大。而在技術發展的同時，智能電網技術逐漸興起，變電站也逐步實現了少人或是無人值守。為了實現變電站開關、儀表等信息的遠程采集，采用智能機器人取代人工巡檢，可以有效排除人工巡檢中的諸多不利因素，促進電網穩定、安全運行，并為其提供堅實的技術保障。

1 智能巡檢機器人系統

1.1 智能檢測機器人系統結構

變電站智能巡檢機器人系統是一個具有系統和層次的分布式組織架構。其中遠程控制中心平臺為一級管理層，系統集成管理平臺是二級管理層，而該平臺的構建模式是以智能巡檢機器人系統為背景，變電站其他第三方系統在電力通信協議下實現聯動和對接，智能巡檢機器人則在第三層。其可以通過與變電站自動化系統和安全管理系統進行連接的方式，實現變電站系統的綜合管理。

1.2 智能巡檢機器人

智能檢測機器人的信息采集終端配有高靈敏度傳感器、局部放電監測儀、紫外攝像機、紅外熱像儀、高清可見光攝像機等設備，變電站的電力設備和電力環境的運行狀態，由各種環境傳感器進行監測。其主要功能包括3個。1） 可見光視頻分析功能，可以獨立讀取和識別各種開關、儀表和設備的狀態值，通過視頻分析出相關數據，而且在獨立操作中不受人工干擾，這時候的變電站可以說是真正意義上的無人值班。2）紅外萬能試驗，紅外萬能試驗是指基于紅外萬能試驗技術的智能檢測機器人，在檢測過程中，對視覺范圍內的所有設備的外部溫度場進行全面掃描，并進行溫度采集，紅外檢測和熱診斷帶電作業下的連續加熱設備，有效避免區域設備損壞。3）噪聲診斷，智能檢測機器人攜帶高靈敏度傳感器，采集主變、廠變、電抗器等電氣設備的音頻信息。此外，還采用國際先進的語音識別技術和音頻降噪算法，提高了音頻信息識別的準確性和可靠性，減少了環境噪聲的干擾，音頻數據通過軟件壓縮后傳輸到后臺服務器進行存儲、識別和分析[1]。

1.3 遠程協助和監測

智能巡檢機器人配備緊急廣播揚聲器、緊急監控麥克風和雙向語音系統，實現了后臺控制中心和開關柜室工作人員、操作現場的雙向對講，實現了對設備現場的遠程管理和監控。另外，可在電力通信網絡中依托綜合管理平臺傳輸音頻數據，連接不同層次的監控平臺，形成快速、高效的遠程專家指揮系統。在設備的維護、巡檢和操作期間，監理人員可通過后臺遠程監控，對現場進行指導、監督。

2 巡檢機器人系統的主要設計特點

2.1 人臉識別

變電站區域是不允許隨意出入的，屬于特殊環境。合法的人臉數據都在后臺專家數據庫中存儲備案，現場對采集的視頻數據與數據庫數據進行對比，如果數據匹配失敗，則自動判定為異常情況，并及時報警。外部人員進入變電站指定的區域工作時，機器人會自動識別人員信息，防止非備案人員、不合格人員或人員隨意更換所造成的施工風險。對于站內異常的人員通過人臉識別進行判斷，同時也可以跟蹤其行為，從而避免非法人員進入變電站造成風險威脅。

2.2 危險區域識別

變電站通常根據危險系數，將一些區域劃分為危險區域和禁區。為避免發生安全事故，人員和其他異物不得隨意進出。在變電站進行作業、試驗和施工時，指定作業區域外的作業人員的行為可以被機器人監控，并做出判斷，依據情況發出相應的安全警報，確保作業人員的人身安全。為防止第三方非法誤入，要實時監控和識別禁區，并對異常入侵進行識別、實施巡邏和定位等，機器人一旦發現有人闖出或闖入特定的識別區域，就會通過報警來警示人員，避免危險發生。

2.3 操作核對

近些年，由于變電站的操作存在不當或是缺陷的現象，很容易造成各類事故。傳統的操作通常是由2人完成，1人負責操作，1人負責監控。很多變電站的工作都是在深夜進行的，員工的操作很容易疏忽大意，因此常有事故發生。采用機器人操作監控可以提高操作的可靠性和安全性。比較典型的是在操作臺上增加了“機器人確認”的步驟，相關的還包括開關分合狀態檢查、操作后設備狀態檢查、人員確認到位等。

2.4 應急處理

當將監控后臺的指令下達到巡邏機器人或是巡邏機器人發現緊急情況后，在指定的應急區域內通過熱成像和高清視頻，將現場的情況第一時間反饋給運行維護人員，通知他們來核查現場的異常情況。當現場有煙霧時，檢測機器人可以通過紅外熱像儀來對煙霧位置進行確定，并鎖定故障范圍，檢查其他相鄰設備的情況，實時記錄視頻并反饋現場情況。在鎖定事故現場后，通過專網將故障定位、事故信息等信息從本地綜合管理平臺發送到上級管理平臺，并利用巡邏機器人進行信息交互和遠程的音視頻傳輸，及時地將現場信息反饋至運輸中心站。在此期間，運維人員無需到達現場，就可以及時了解現場情況，并根據專業且客觀的判斷，及時制定解決方案，并遠程組建網絡專家對事故進行聯合分析，并結合事故情況對設備現存缺陷等進行實時檢測，提高事故處理的專業性、科學性和高效性，確保運行和維護人員、設備的安全。

3 變電站智能機器人巡檢系統功能設計

3.1 基站控制系統層

在機器人的操作中，機器人的動作可以通過遙控來控制，也可以設定巡檢任務實現機器人的自動巡檢，如果需要實時的圖像數據以及監控功能，在機器人上安裝紅外熱像儀和可見光攝像機即可。機器人的內部狀態信息可以通過后臺的顯示器看到，這樣可以有效監控機器人的位置并控制其運行狀態。在機器人的操作中，電子地圖、任務管理、工作系統等數據都存儲在數據庫中，以備將來使用。

3.2 移動站控制系統層

移動站控制系統層主要包括檢測采集系統、電源系統、運動控制系統、導航定位系統、主控計算機系統等，采用Windows CE嵌入式系統實現機器人的全方位、多功能操作。定位系統由導航傳感器和定位傳感器組成，能夠實時監控和控制機器人的位置。運動系統包括電池和電源管理，可以控制機器人的驅動機構、驅動電機、運動控制器等部件，滿足機器人運行的動力需求。檢測采集系統的數據傳輸和采集是通過攝像機和紅外熱像儀進行的[2]。

3.3 其他功能設計

其他功能設計包括6個方面的內容。1）信息交換和通信網絡功能。機器人與監控后臺進行雙向的信息交互，而監控后臺與遠程集中控制后臺進行雙向信息交互，實現多平臺的信息交互，信息交互的內容主要是機器人本體狀態數據和檢測數據。2）電池供電模式下自充電。電池電量報警時，機器人可配合室內充電設備完成自充電。3）報警功能。具備對監測數據的分析報警功能，報警發生時，遠程傳輸信號和報警信息，并有明顯的聲光提示，可以手動恢復或退出。4）測溫功能。能檢測站內設備的溫度，并能根據相應的規范要求，自動分析判斷電壓加熱型和電流加熱型的故障或缺陷，并進行預警。5）儀表讀數。對油位標記的表盤數據進行讀取，并自動判斷、記錄、報警，讀數的誤差<5%。6）噪聲識別。對設備運行的噪聲進行分析、采集、遠傳。

4 智能機器人檢測系統在變電站中的實際應用

4.1 變電站智能巡檢機器人應用系統架構

變電站智能巡檢機器人應用系統架構主要包括遠程控制系統、本地控制系統和車輛系統3個部分。車輛子系統覆蓋了包括高分辨率攝像機、視頻服務器、紅外攝像機、激光雷達等相應的網絡設備。在操作臺上，操作人員對智能巡檢機器人的終端進行控制和操作，在工作站中也安裝了本地的控制終端，整個檢測區域內完整覆蓋無線網絡，在監控終端與控制終端之間實現雙向數據交互。同時，本地控制終端通過遠程控制終端和硬件防火墻，將專用網絡與運維站相連。

4.2 智能巡檢機器人無線網絡方案

根據檢查區域的大小，變電站的無線網絡設置可以覆蓋一個或是多個無線接入點，為保證在正常情況下的無線網絡覆蓋良好，電壓等級為110 kV、220 kV、500 kV的變電站可采用一個無線接入點，等級為1 000 kV的，為保證變電站相應的無線網絡無死角全覆蓋，可接入2個無線接入點。同時，智能控制機器人可由工業無線接入點作為客戶端接入，客戶端接入變電站無線接入點，機器人上的網絡設備通過客戶端接入現場無線網絡。此外，無縫漫游功能可將巡邏區域內多個接入點組合成無線網絡。此時，智能機器人可以在不切換網絡的情況下在任何地方進行移動。無線接入點在室外安裝，通過光纖與主控室的客戶端連接。通常情況下，變電站檢查區域的中心是無線網絡的接入點，當網絡明顯堵塞或檢查區域過大時，必須設置2個接入點。該區域可以分為2個平均的區域，將無線接入點置于每個區域的中心，以實現全面的區域覆蓋。

4.3 智能巡檢機器人集群控制網絡設計

本地控制終端通過專用網絡和硬件防火墻連接到運維站的遠程控制后臺。變電站運行維護人員可以通過后者提供的瀏覽器查看遠程監控后臺的數據，數據可以是一個或多個站點的數據。當同一個運維站被多個平臺的本地控制終端同時連接時，可以采用星型的網絡連接方式，每個平臺的智能巡檢機器人由運維站統一控制。

4.4 智能巡檢機器人系統技術應用

4.4.1 模式識別

智能機器人檢測系統在變電站的實際應用中，由于運動控制精度、導航對接精度等因素的影響，每次都難以準確瞄準目標。監測的實際結果根據觀測距離的差異，也會發生一定的變化，導致最終的結果準確度很差。在這方面，配合機器人的監控位置，采用模式識別算法來分離目標并精確定位，以此來保證監控數據的準確性和可用性，保證監控數據的可用性和準確性，為設備的實際運行提供更及時的數據支持和信息依據。

4.4.2 三維電子地圖

在變電站智能機器人檢測系統的應用過程中，需要應用其他相關技術來提高系統的性能和功能。例如，可以利用三維虛擬現實技術構建變電站仿真模型。三維電子技術的應用可以解決二維地圖的局限性，通過后臺可以更加準確地定位巡邏地點。進行實時數據曲線分析。在設備的實際運行中，由于設備自身負載的不斷變化，可能會對設備的溫度產生影響。然而，設備的老化、缺陷等問題，難以用簡單的溫度變化準確的反映出來。如果設備實際運行負荷與溫度變化有聯系，那么想要得到準確的結果，就需要用2條曲線的變化來分析具體問題，并按照要求確定溫度變化是否是由環境變化引起，或者是否由設備本身的老化問題或缺陷引起[3]。

4.5 智能巡檢機器人的網絡安全防護

智能電網信息安全的重要性可想而知，而采用無線網絡連接的機器人，無法實現物理隔離，無法切斷網絡上的傳輸。基于此，要確保機器人系統在最壞的情況下仍然能夠保證網絡的絕對安全，這就非常有必要設計一個專用的機器人應用安全系統。本地控制終端和無線接入點采用的是WPA2安全模式，增強了無線網絡的安全性。本地控制端使用的是路由器，可以提供防范如ARP欺騙攻擊等多種攻擊防范技術，內置高性能防火墻，可以防范大部分的網絡攻擊。與遠程集中控制終端和本地控制終端通過專用網與硬件防火墻連接。此外，本地管理后臺嵌入式子系統之間的交互將受到軟件防火墻的保護，軟件防火墻通過Suro-OS-RT專有協議，對不符合通信協議的相應數據包進行隔離。即使攻擊者可以更改IP地址或MAC地址，也無法通過防火墻進行驗證。服務站后臺與本地控制終端為了進一步保證網絡通信的安全，通過硬件防火墻進行連接。當智能巡檢機器人在網絡交互過程中顯示異常時，遠程集中控制終端和本地控制終端會同時彈出窗口并報警。

5 結語

隨著人工智能技術的應用和發展，機器人檢測已經成為變電站智能化發展的重要方向。將來，機器人也將會在變電站的運行維護方面發揮不可替代的作用。在變電站各種設備的檢測中，已經逐步應用機器人檢測技術，既彌補了人工檢測的某些盲點，又保證了檢測的智能性和靈活性，提高了檢測數據的真實性和可靠性。在變電站無人值守的情況下，變電站未來的發展方向具有廣闊的發展前景和應用空間。

參考文獻

[1]文宗林.智能巡檢機器人應用現狀及問題[J].低碳世界，2018（11）：43.

[2]黎進光.高壓變電巡檢機器人智能技術分析[J].科技資訊，2019（12）：23.

[3]陳濤.智能巡檢機器人系統的設計與實現[J].自動化應用，2020（1）：62.