基于巡檢機器人的變電站安全運維系統設計與實現

王霞麗

國網上海市浦東供電公司,上海 200122

0 引言

當前變電站內部設備運維大多需要工作人員到現場進行,運行維護人員必須在變電站內部才能進行相應的運行維護工作,導致在突發故障時,無法及時解決[1]。變電站的運維全靠維護人員入駐各個變電站進行,而變電站往往分布在各個位置,運維人員需要頻繁地在工作地與變電站之間來回周轉,造成了較多人力、物力的浪費[2]。基于巡檢機器人的變電站安全運維系統的構建,能夠提高運維電網的效率,同時可以大幅降低運維電網的成本。

姚志強 等[3]從實際出發,從各個方案中選出了一種可遠程控制運維機器人的遠程運維系統,其系統技術為透明訪問。該方案遵循通信服務化標準,核心思想為服務化技術。首先,在變電站構建服務端,服務端須與巡檢機器人連接;其次,在主站建立運維終端,并將終端與服務端連接,透明化技術的運用使運維終端具有訪問服務端及查看各類運行數據的權限;最后,在運維終端構建各類專用模塊以滿足各類需求。由此實現了在不改變變電站現有管理模式的情況下,通過巡檢機器人便可同時對多個變電站可以進行遠程管理和運維。

1 變電站安全運維系統設計

變電站內配電柜均是集中布置,所以其他空間比較有限,變電站內部也需要留出逃生通道,要求環境整潔,所以地面行走的裝置不利于在變電站內部運行[4]。因此,在變電站內部布置軌道,巡檢機器人裝置采取軌道行走,解決了空間有限不利于裝置巡檢的弊端。巡檢機器人搭配各類智能模塊,可以滿足變電站的遠程運維要求。巡檢機器人由軟件和硬件設施2部分組成。

1.1 硬件結構

根據采集各類數據的要求,例如變電柜溫度、變電站濕度、現場狀況等,硬件設施需要有溫濕度傳感器、攝像裝置、煙霧傳感器及聲音傳感器等,具體結構如圖1所示。

圖1 系統硬件結構

由圖1可知,巡檢機器人的硬件設施由電源部分、控制部分、各個傳感器及通信部分組成。控制部分為巡檢機器人的軌道行走、攝像機及各個傳感器;電源部分為整個巡檢機器人提供電能[5];傳感器部分負責收集現場數據,例如TH-CO2氣體傳感器收集現場的氣體數據,超過一定濃度后就會報警;攝像機可以對現場的情況進行記錄;終端通過無線裝置實現實時監控。各個傳感器是實現巡檢機器人監控的重要硬件設施。而通信部分負責將收集分析后的數據通過無線裝置上傳至服務端,用于運維終端對數據進行查看并根據數據進行各類工作。

1.2 軟件設計

在變電站安全運維系統中,軟件部分的存儲模塊包含2個存儲器,分別是外部的Flash存儲器和用于存儲運維視頻及圖像的SDRAM存儲器。其中,外部Flash存儲器內部安裝的是K9K8G08U0A-A芯片,其各個端口的功能如表1所示。

表1 外部Flash存儲器的斷口功能

對于SDRAM存儲器而言,其所具備的功能為:一是對DSP和ARM的可執行代碼進行存儲,當變電站安全運維系統啟動時,可以加載內核;二是存儲運維系統內部的各種數據文件;三是為緩沖視頻的編解碼功能提供中間數據。

以上2種存儲器都可以對變電站安全運維數據進行分類管理,有利于系統硬件和軟件取用數據,提升變電站安全運維系統的運行效率。

2 變電站安全運維系統軟件設計

通過借鑒變電站的歷史運維經驗[6],確定變電站運行過程中的安全運維周期函數,即:

f(x)=AiWiLi

(1)

式中:Ai表示安全運維的比例函數;Wi表示曲率函數;Li表示變電站的運維線路。

利用式(1)的周期函數,構建變電站安全運維的目標函數,表示為:

(2)

式中:Ekt表示變電站k在t時段的個體維度;Rkt表示引力因子;xkt表示變電站k在t時段的安全運維狀態;T表示運維周期;N表示周期總數。

在式(2)的目標函數下,利用式(3)的約束條件對變電站安全運維的時間進行約束[7],得到:

(3)

式中:ek表示變電站k的初始運維階段;lk表示最晚運維階段。

此外,還需要對變電站安全運維的順序進行約束,約束條件表示為:

(4)

式中:Ti表示變電站i安全運維的時間;xknt表示變電站kn在t階段的安全運維狀態;xit和xjt表示第i、j個變電站在t階段的安全運維狀態;k1,k2,…,kn表示同時參與安全運維的變電站。

在式(3)和式(4)的約束條件下,構建了變電站安全運維模型,表示為:

(5)

式中:α表示優化系數。

綜上所述,確定變電站運行過程中的安全運維周期函數之后,構建了變電站安全運維模型[8],實現了變電站安全運維系統的設計。

3 系統測試

3.1 測試對象

為了驗證文中系統在實際應用中的性能,選擇如圖2所示的巡檢機器人,以某變電站為例,完成其安全運維任務。

圖2 巡檢機器人

圖2中的巡檢機器人主要依靠四輪差分移動平臺為其提供動力,在工作時可以準確定位,頂部的云臺雙攝系統可以讓機器人在復雜的工作環境中完成運維任務。

3.2 測試參數

借助Windows操作平臺和MATLAB軟件,設置了巡檢機器人的相關參數,如表2所示。

表2 巡檢機器人的參數

表2中的巡檢機器人參數可以應用在變電站運行的各種狀態下,滿足變電站安全運維系統測試的各項要求。

3.3 運維測試

若不考慮變電站安全運維過程中產生的間接成本,根據運維成本數據計算出運行維護人員的勞務成本,與采用基于巡檢機器人的運維系統對比,結果如圖3所示。

圖3 運維費用對比結果

根據圖3的結果可知,該變電站采用基于巡檢機器人的安全運維系統后,其運維人員的勞務成本優化了34.9%,進一步驗證了巡檢機器人在變電站安全運維中的有效性。

4 結束語

將巡檢機器人應用到變電站安全運維系統設計中,不僅實現了變電站的安全運維,還可以降低運維費用,大大提高了運維的經濟性。在今后的研究中,還可引入機器視覺技術,進一步提高變電站安全運維的準確性。