電氣設(shè)備智能巡檢研究及應(yīng)用

國(guó)電青山熱電有限公司 左 磊 肖 磊 蘆 陽(yáng) 宋 楊 史 峰 李 巍 北京必可測(cè)科技股份有限公司 高清超 徐建偉

隨著近年來(lái)電力技術(shù)的不斷深入發(fā)展，電力設(shè)備的維護(hù)水平也在不斷提高，大量傳感器技術(shù)、人工智能技術(shù)在電力設(shè)備檢測(cè)中被廣泛應(yīng)用，通過(guò)新技術(shù)應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的早期發(fā)現(xiàn)、早期診斷、早期處理的目標(biāo)，將設(shè)備故障消滅在萌芽狀態(tài)，降低電氣設(shè)備事故的發(fā)生，為電力系統(tǒng)安全生產(chǎn)保駕護(hù)航。

1 電氣設(shè)備智能巡檢的檢查主要內(nèi)容

開展電氣設(shè)備智能巡檢，利用現(xiàn)代傳感器技術(shù)主要需實(shí)現(xiàn)以下功能：

1.1 紅外檢測(cè)功能

能對(duì)電氣設(shè)備和線路的熱缺陷進(jìn)行探測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、處理、預(yù)防重大事故的發(fā)生。利用紅外檢測(cè)技術(shù)可開展以下電力設(shè)備狀態(tài)檢測(cè)與故障診斷工作：高壓電氣設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)與內(nèi)、外中心故障診斷：各類導(dǎo)電接頭、線夾、接線樁頭氧化腐蝕以及連接不良缺陷；各類高壓開關(guān)內(nèi)中心觸頭接觸不良缺陷；隔離刀閘刀口與觸片以及轉(zhuǎn)動(dòng)帽與球頭結(jié)合部的不良缺陷；各類CT、PT 一次內(nèi)中心及外中心連接不良缺陷、本體及油絕緣不良缺陷以及內(nèi)中心鐵芯、線圈異常不良過(guò)熱缺陷。

紅外檢測(cè)能實(shí)現(xiàn)以下預(yù)警要求：電氣設(shè)備與金屬部件的連接接頭和線夾，以線夾和接頭為中心的熱像，三相溫差不超過(guò)15K，未達(dá)到嚴(yán)重缺陷的要求時(shí)為一般缺陷，熱點(diǎn)溫度＞80℃時(shí)為嚴(yán)重缺陷，熱點(diǎn)溫度＞110℃時(shí)為危急缺陷；隔離開關(guān)以轉(zhuǎn)頭為中心的熱像，以刀口壓接彈簧為中心的熱像，溫差不超過(guò)15K，未達(dá)到嚴(yán)重缺陷的要求時(shí)為一般缺陷，熱點(diǎn)溫度＞90℃時(shí)為嚴(yán)重缺陷，熱點(diǎn)溫度＞130℃時(shí)為危急缺陷。

1.2 可見光視覺(jué)識(shí)別功能

利用圖像識(shí)別技術(shù)，完成現(xiàn)場(chǎng)斷路器操作油壓表、SF6壓力、避雷器泄漏電流與動(dòng)作次數(shù)。CT 與PT 油位表等的讀取工作，能通過(guò)趨勢(shì)分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備隱患并及時(shí)發(fā)出報(bào)警，通知運(yùn)行人員處理；利用圖像比對(duì)技術(shù)，發(fā)現(xiàn)充油電氣設(shè)備的漏油、滲油缺陷；利用圖像識(shí)別技術(shù)，完成斷路器、隔離開關(guān)的位置狀態(tài)識(shí)別；局放檢測(cè)功能能通過(guò)局放傳感器開展運(yùn)行設(shè)備絕緣檢查、分析。

2 智能巡檢技術(shù)實(shí)現(xiàn)的主要方法

2.1 紅外傳感器的紅外診斷技術(shù)

利用紅外傳感器及時(shí)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)線連接金具、閘刀觸頭部分的缺陷，同時(shí)也能對(duì)電流互感器、電壓互感器、斷路器、避雷器等設(shè)備的內(nèi)部異常過(guò)熱等安全隱患進(jìn)行檢測(cè)預(yù)警。目前紅外傳感器技術(shù)日趨成熟，價(jià)格低廉，故已被廣泛使用。紅外傳感器原理：利用紅外線的物理性質(zhì)來(lái)進(jìn)行測(cè)量的傳感器。任何物質(zhì)，只要它本身具有一定的溫度（高于絕對(duì)零度），都能輻射紅外線。紅外線傳感器測(cè)量時(shí)不與被測(cè)物體直接接觸。紅外線傳感器包括光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)元件和轉(zhuǎn)換電路。檢測(cè)元件主要是熱敏檢測(cè)元件。熱敏電阻受到紅外線輻射時(shí)溫度升高，電阻發(fā)生變化，通過(guò)轉(zhuǎn)換電路變成電信號(hào)輸出。

2.2 圖像識(shí)別技術(shù)

電氣設(shè)備有些分布較廣，常規(guī)表計(jì)眾多。常規(guī)表計(jì)一般只裝有報(bào)警接點(diǎn)，只能在設(shè)備一定安全危險(xiǎn)程度時(shí)發(fā)出報(bào)警或閉鎖。那么利用視頻圖像識(shí)別技術(shù)，進(jìn)行遠(yuǎn)程表計(jì)識(shí)別讀取，建立數(shù)據(jù)的積累，通過(guò)數(shù)據(jù)跟蹤分析，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備初期的隱患。隨著AI 技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用，利用視頻照片的比對(duì)技術(shù)，如將當(dāng)前拍的油浸式變壓器某一部位靜態(tài)圖片與前一天的圖片，由電腦進(jìn)行人工智能技術(shù)的比對(duì)，能及時(shí)發(fā)現(xiàn)變壓器漏油滲油的設(shè)備隱患。

2.3 局放技術(shù)的應(yīng)用

電氣設(shè)備的絕緣水平?jīng)Q定著電氣設(shè)備的安全運(yùn)行水平，是電氣設(shè)備安全運(yùn)行的根本保證，所以對(duì)運(yùn)行中電氣設(shè)備絕緣監(jiān)測(cè)技術(shù)也在不斷發(fā)展，目前普遍采用超聲、特高頻、地電波等技術(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)運(yùn)行設(shè)備運(yùn)行時(shí)的絕緣監(jiān)測(cè)[1]。

超聲波：超聲波傳感器是將電氣設(shè)備放電超聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換成其它能量信號(hào)（通常是電信號(hào)）的傳感器。發(fā)生局部放電時(shí)，在放電的區(qū)域中分子間產(chǎn)生劇烈撞擊，宏觀上產(chǎn)生了聲波，通常頻率大于20kHz 稱為超聲波。當(dāng)開關(guān)柜內(nèi)部發(fā)生放電時(shí)，產(chǎn)生的聲波信號(hào)傳遞到開關(guān)柜表面，由超聲波傳感器將超聲信號(hào)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，并進(jìn)一步放大后傳輸?shù)讲杉到y(tǒng)，以達(dá)到檢測(cè)局部放電的目的。

特高頻：高壓電氣設(shè)備局部放電總是在很小的范圍內(nèi)發(fā)生,具有較快的擊穿特性,其脈沖持續(xù)時(shí)間較短，可激發(fā)頻率從低頻到UHF 特高頻段的電磁波，特高頻(300～3000MHz)電磁波可在其內(nèi)部有效地傳播，通過(guò)UHF 特高頻接受傳感器，靈敏接受特高頻電磁波，通過(guò)計(jì)算機(jī)軟件處理，對(duì)高頻信號(hào)波型分析，確認(rèn)是否存在放電故障。

地電波（暫態(tài)對(duì)地電壓）：局部放電產(chǎn)生的電磁波，會(huì)通過(guò)屏蔽層不連續(xù)的部分傳輸?shù)皆O(shè)備表面，在設(shè)備表面產(chǎn)生感應(yīng)電流，設(shè)備表面存在波阻抗，進(jìn)而在設(shè)備外層形成一個(gè)暫態(tài)對(duì)地電壓，簡(jiǎn)稱TEV。目前TEV 法檢測(cè)大都采用電容耦合探測(cè)器來(lái)檢測(cè)局部放電的幅值和放電脈沖頻率。

2.4 智能巡檢專家智能系統(tǒng)

主要包括四大功能模塊：系統(tǒng)管理、交互查詢、數(shù)據(jù)管理、智能分析。系統(tǒng)管理包括系統(tǒng)維護(hù)、權(quán)限管理及幫助三項(xiàng)功能；交互查詢模塊：包含綜合查詢、圖形表單展示及打印輸出三項(xiàng)功能；數(shù)據(jù)管理模塊：包含用戶信息管理、知識(shí)庫(kù)管理、樣本庫(kù)管理、動(dòng)態(tài)信息管理及備份信息管理五項(xiàng)功能；智能分析模塊：包含綜合告警、故障診斷、狀態(tài)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)[2]。

3 智能巡檢技術(shù)在生產(chǎn)實(shí)際中的應(yīng)用

開展定期對(duì)電氣設(shè)備巡檢是保障電氣設(shè)備安全運(yùn)行的組織措施，為此必須配備大量的生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)巡檢人員，定期開展對(duì)電氣設(shè)備的巡檢工作。巡檢工作性質(zhì)非常重要，必須認(rèn)真細(xì)致，但工作任務(wù)是比較單一的，是一種重復(fù)性的勞動(dòng)，勞動(dòng)強(qiáng)度較大，從根本上很難保證每人每次巡檢都能高質(zhì)量的完成，同時(shí)由于巡檢人員的電氣設(shè)備巡視只能開展常規(guī)的聽覺(jué)（無(wú)法聽見超聲）、視覺(jué)（無(wú)法看見紅外）、嗅覺(jué)（無(wú)法聞到如SF6等無(wú)色無(wú)味的氣體）的檢查，故人員日常巡檢對(duì)部分設(shè)備的安全隱患是無(wú)法通過(guò)傳統(tǒng)方法來(lái)發(fā)現(xiàn)的。隨著近年來(lái)技術(shù)發(fā)展，無(wú)線定位技術(shù)（如GPS）、激光定位技術(shù)、視覺(jué)定位技術(shù)、電力儲(chǔ)能技術(shù)等不斷發(fā)展，利用機(jī)器替代人工巡檢正逐步登上歷史舞臺(tái)。

3.1 智能巡檢機(jī)器人的組成

智能行走移動(dòng)平臺(tái)。目前主要采用的方式主要有吊軌式、輪式和固定式。吊軌式是巡檢機(jī)器人按軌道運(yùn)行，對(duì)于固定路線比較方便，巡檢時(shí)定位準(zhǔn)確，機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)單、運(yùn)行可靠，但靈活性較差，設(shè)備發(fā)生變化，巡檢軌道必須重新安裝調(diào)整，一般用于配電室內(nèi)設(shè)備的巡檢工作；輪式巡檢機(jī)器人則行走路線比較靈活，可以根據(jù)設(shè)備運(yùn)行情況，巡檢內(nèi)容變化情況靈活配置，能高質(zhì)量完成巡檢任務(wù)；固定式巡檢機(jī)器人則是根據(jù)巡檢內(nèi)容，在整個(gè)巡檢路線上安裝多個(gè)可見光、紅外組合視頻探頭進(jìn)行定點(diǎn)監(jiān)測(cè)，攝像頭通過(guò)變焦、云臺(tái)控制來(lái)實(shí)現(xiàn)電氣設(shè)備的巡檢功能，這個(gè)系統(tǒng)無(wú)移動(dòng)設(shè)備，系統(tǒng)簡(jiǎn)潔更高，唯一缺點(diǎn)為靈活性較差。

導(dǎo)航控制系統(tǒng)。輪式機(jī)器人的行走控制是巡檢機(jī)器人的核心部分，導(dǎo)航主要有GPS、激光、WIFI定位器等，目前主要普遍采用技術(shù)成熟的激光導(dǎo)航技術(shù)，其原理是由巡檢機(jī)器人通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的行走，完成對(duì)地圖的采集工作，正常運(yùn)行時(shí)，依靠激光測(cè)量數(shù)據(jù)的采集與地圖數(shù)據(jù)的比對(duì)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人行走的定位。激光定位的精度較高，能滿足巡檢機(jī)器人行走的需要；吊軌式機(jī)器人則通過(guò)磁鋼編碼技術(shù)進(jìn)行定位，通過(guò)在在軌道上等距離多點(diǎn)的布置，實(shí)現(xiàn)數(shù)字化精確定位。

計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。巡檢機(jī)器人普遍配置一臺(tái)計(jì)算機(jī)安裝于體內(nèi)，用于負(fù)責(zé)機(jī)器人的通訊、行走路線規(guī)劃、視覺(jué)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)。

帶載的檢測(cè)傳感器系統(tǒng)。巡檢機(jī)器人除基礎(chǔ)平臺(tái)部分外，必須在平臺(tái)上安裝多個(gè)傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)電氣設(shè)備的檢查，對(duì)于配電室吊軌機(jī)器人，一般安裝紅外視覺(jué)與看見光視覺(jué)傳感器。可見光用于表計(jì)讀取，斷路器、隔離開關(guān)位置狀態(tài)的讀取，電氣綜保信息讀取；紅外傳感器用于對(duì)低壓室內(nèi)變壓器的紅外測(cè)量。另外機(jī)器人還配有地電波和超聲局放對(duì)開關(guān)柜進(jìn)行檢測(cè)。輪式機(jī)器人平臺(tái)上一般也配有紅外視覺(jué)與看見光視覺(jué)傳感器。同樣可見光用于表計(jì)讀取，拍照對(duì)比，設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等檢測(cè)；紅外傳感器用于連接、接觸、本體發(fā)熱異常的紅外測(cè)量。固定式巡檢機(jī)器人配有紅外視覺(jué)與看見光視覺(jué)傳感器，完成的內(nèi)容基本與吊軌式、輪式相同。

目前電氣設(shè)備智能巡檢在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)揮了重要的作用。2017年7月某電廠迎峰度夏期間，機(jī)器人在巡視中及時(shí)發(fā)現(xiàn)220kV 一母線隔離開關(guān)觸頭運(yùn)行中發(fā)熱嚴(yán)重，機(jī)器人第一時(shí)間在后臺(tái)監(jiān)控發(fā)出報(bào)警，運(yùn)行人員及時(shí)處理，避免了一起嚴(yán)重事故的發(fā)生。由于智能巡檢機(jī)器人是集計(jì)算機(jī)技術(shù)、機(jī)電一體化技術(shù)、無(wú)線通訊技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)等眾多技術(shù)于一體的系統(tǒng)組合體，每個(gè)環(huán)節(jié)都會(huì)對(duì)巡檢機(jī)器人是否可靠運(yùn)行造成影響。目前依然存在定位錯(cuò)誤造成巡檢機(jī)器人停止工作，圖像識(shí)別雖然較高，但仍無(wú)法達(dá)到100%識(shí)別等問(wèn)題。不過(guò)我們依然堅(jiān)定認(rèn)為，隨著各技術(shù)的不斷深入與完善，電氣設(shè)備智能巡檢的應(yīng)用將更加可靠、完善。