變電站無(wú)人值守智能巡檢機(jī)器人的構(gòu)建與設(shè)計(jì)

姜 輝，滕 磊，竇雪亮，郭守海

（1.吉林石化公司電儀中心，吉林吉林 132022；2.吉林紫瑞新材料有限公司，吉林吉林 132021）

0 引言

某公司近年退休人員數(shù)量呈現(xiàn)遞增趨勢(shì)，尤其變電站崗位用工總量，已經(jīng)不能滿足正常的生產(chǎn)需要。多數(shù)變電站存在用工總量與崗位人員短缺的矛盾問(wèn)題，由于員工年齡結(jié)構(gòu)老化，存在日常巡檢力量不足的安全隱患問(wèn)題。公司某廠變電站始建于1996 年，裝置設(shè)備同期投入運(yùn)行，由于設(shè)備數(shù)字化程度較低，崗位員工大多數(shù)還是依靠傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行人工操作和巡檢，易出現(xiàn)效率低、反饋慢、安全風(fēng)險(xiǎn)大等問(wèn)題。

1 項(xiàng)目建設(shè)必要性

工廠66 kV 變電站2 所、6 kV 變電站13 所、380 V 變電站29 所，采用人工方式進(jìn)行定時(shí)巡檢，各個(gè)變電站分散布置在廠區(qū)的不同位置，位置相距比較遠(yuǎn)?，F(xiàn)電氣巡檢制度要求：每班次巡檢2 次，巡檢時(shí)長(zhǎng)2.5 h，而夜班早晚巡檢時(shí)間不夠，長(zhǎng)期占用員工休息時(shí)間，操作人員對(duì)設(shè)備巡查時(shí)效性不明顯，存在巡查間隙發(fā)生危險(xiǎn)的管理漏洞。需對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行改造升級(jí)，通過(guò)數(shù)字化建設(shè)提高工廠電氣變電站智能化、信息化的管理水平。無(wú)人值守變電站及智能機(jī)器人巡檢與網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合，使變電站得以優(yōu)化，可提高管理質(zhì)量和工作效率。

2 智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)

室內(nèi)掛軌式智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)以巡檢機(jī)器人為核心，集移動(dòng)視頻巡檢、紅外測(cè)溫、環(huán)境監(jiān)控、數(shù)據(jù)智能分析等功能于一體，實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢區(qū)域設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析管理。巡檢機(jī)器人系統(tǒng)是由后臺(tái)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)及其他設(shè)備組成，具體架構(gòu)如圖1 所示。

圖1 巡檢機(jī)器人架構(gòu)

2.1 后臺(tái)管理系統(tǒng)

2.1.1 本地監(jiān)控后臺(tái)

本地監(jiān)控后臺(tái)作為巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的中心，主要由實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊、報(bào)表系統(tǒng)、地圖編輯模塊、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)模塊、任務(wù)管理模塊、系統(tǒng)設(shè)置模塊及系統(tǒng)集成模塊等組成。本地監(jiān)控后臺(tái)除控制機(jī)器人執(zhí)行相關(guān)巡邏任務(wù)外，還應(yīng)具有數(shù)據(jù)采集、統(tǒng)計(jì)、檢索、儲(chǔ)存、報(bào)表、智能分析等多種功能。

2.1.2 遠(yuǎn)程集控后臺(tái)

遠(yuǎn)程集控平臺(tái)除了具備本地監(jiān)控后臺(tái)的具體功能之外，還可以監(jiān)管數(shù)個(gè)本地的監(jiān)控后臺(tái)。平臺(tái)能夠?qū)λ兄悄苎矙z機(jī)器人，進(jìn)行遠(yuǎn)程控制和采取的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，同時(shí)能夠?qū)ψ冸娬具M(jìn)行層次更高的綜合控制及綜合管理。遠(yuǎn)程集中控制后臺(tái)能夠?qū)崿F(xiàn)集中監(jiān)控模式下的所有功能，可以控制其他巡檢機(jī)器人做相應(yīng)的動(dòng)作和功能。

2.2 通信系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人采用PLC 通信系統(tǒng)（兼容WIFI/4G）與整套控制系統(tǒng)通信。通信系統(tǒng)為機(jī)器人提供不小于50 Mbps 有效網(wǎng)絡(luò)帶寬，可以保證巡檢機(jī)器人系統(tǒng)所有的控制信號(hào)、視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)及報(bào)警信息等各類數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)可靠傳輸（圖2）。

圖2 智能巡檢機(jī)器人通信原理

2.3 供電系統(tǒng)

巡檢機(jī)器人采用滑觸線的方式進(jìn)行取電或鋰電池的方式進(jìn)行供電?；|線安裝在鋁型材軌道上，供電系統(tǒng)取電電壓220 V/50 Hz，輸出電壓DC 24 V。巡檢機(jī)器人的供電模塊使用濾波技術(shù)，以濾除外界電網(wǎng)高頻脈沖對(duì)系統(tǒng)電源的干擾，使機(jī)器人獲得穩(wěn)定供電。

2.4 性能參數(shù)

智能巡檢機(jī)器人在行走程中采用通過(guò)伺服電機(jī)里程碼盤（脈沖）及RFID 相結(jié)合方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)定位及路徑的校核，確保巡檢機(jī)器人的控制器及遠(yuǎn)程中心管理平臺(tái)能夠?qū)崟r(shí)確認(rèn)機(jī)器人的詳細(xì)位置信息。

3 智能巡檢機(jī)器人主要功能

3.1 視頻識(shí)別

智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的核心功能是室內(nèi)掛軌式巡檢機(jī)器人的視頻識(shí)別功能，機(jī)器人通過(guò)自身配置的可見光攝像機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)視頻、圖像等數(shù)據(jù)的采集，采用自主開發(fā)的相關(guān)高精度圖像識(shí)別算法，來(lái)對(duì)相關(guān)視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行智能分析和處理，識(shí)別視頻內(nèi)容。視頻識(shí)別功能能夠準(zhǔn)確識(shí)別室內(nèi)的儀表、壓板、開關(guān)、指示燈、設(shè)備外觀等多種表計(jì)，進(jìn)行自動(dòng)表計(jì)讀數(shù)，以此全面掌控變電站電力設(shè)備和環(huán)境的全部狀態(tài)信息（表1）。

表1 巡檢機(jī)器人主要功能模塊

3.2 紅外測(cè)溫

巡檢機(jī)器人利用自身攜帶的紅外熱成像儀對(duì)室內(nèi)電力設(shè)備溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，進(jìn)而診斷出致熱型設(shè)備故障及熱缺陷，觸發(fā)相應(yīng)報(bào)警。紅外測(cè)溫功能包括紅外普測(cè)、精確測(cè)溫、遙控測(cè)溫和測(cè)溫預(yù)警等。巡檢任務(wù)執(zhí)行完成后會(huì)自動(dòng)生成任務(wù)報(bào)表，實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站設(shè)備及環(huán)境溫度的高密度、高顆粒度檢測(cè)與多維度分析管理。

3.3 環(huán)境檢測(cè)

巡檢機(jī)器人自身攜帶的環(huán)境監(jiān)測(cè)模塊可以監(jiān)測(cè)環(huán)境中的有害氣體、溫度、濕度、煙霧等環(huán)境信息（圖3）。機(jī)器人實(shí)時(shí)采集的環(huán)境信息即時(shí)傳輸?shù)娇刂浦行?，為操控人員提供現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境信息。當(dāng)監(jiān)測(cè)到有害氣體超標(biāo)時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行報(bào)警，提示運(yùn)維人員及時(shí)處理。機(jī)器人系統(tǒng)可聯(lián)合多種環(huán)境監(jiān)測(cè)設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境狀態(tài)信息進(jìn)行全方位的檢測(cè)匯總和統(tǒng)一分析，并可據(jù)環(huán)境和設(shè)備異常出現(xiàn)的頻率智能劃定需重點(diǎn)關(guān)注的區(qū)域，有效輔助配網(wǎng)運(yùn)維決策。

圖3 環(huán)境監(jiān)測(cè)示意

3.4 音頻采集

巡檢機(jī)器人本體搭載高靈敏度的拾音器，隨云臺(tái)一同轉(zhuǎn)動(dòng)，定向采集電力設(shè)備的音頻信息。機(jī)器人采用國(guó)際領(lǐng)先的音頻降噪算法和聲音識(shí)別技術(shù)，降低環(huán)境噪聲干擾，增強(qiáng)音頻信息識(shí)別的準(zhǔn)確性和可靠性。音頻數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)軟件壓縮后傳回服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)。

3.5 局放檢測(cè)

巡檢機(jī)器人內(nèi)部搭載局放檢測(cè)傳感器用于地電波（TEV）和超聲波（AE）的檢測(cè)（圖4）。當(dāng)檢測(cè)到開關(guān)柜等設(shè)備內(nèi)局部放電處于異常狀態(tài)時(shí)，能立即觸發(fā)報(bào)警，提示管理人員到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)處置。利用局放檢測(cè)設(shè)備，能實(shí)時(shí)對(duì)開關(guān)柜等設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。局放監(jiān)測(cè)設(shè)備數(shù)據(jù)模塊及控制后臺(tái)具備局放數(shù)據(jù)自動(dòng)繪圖、自主識(shí)別和診斷的能力，在局放出現(xiàn)異常情況下可以實(shí)時(shí)報(bào)警、應(yīng)急模式巡檢及系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)功能，同時(shí)管理后臺(tái)能夠?qū)吸c(diǎn)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史分析，并進(jìn)行歸檔和診斷等處理。

圖4 局放檢測(cè)功能

3.6 雙向語(yǔ)音

巡檢機(jī)器人雙向語(yǔ)音功能是指對(duì)講和廣播功能。對(duì)講功能可實(shí)現(xiàn)變電站監(jiān)控人員通過(guò)巡檢機(jī)器人的管理后臺(tái)和機(jī)器人間進(jìn)行的對(duì)講；廣播功能可實(shí)現(xiàn)通過(guò)管理后臺(tái)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作的遠(yuǎn)程指揮及緊急狀態(tài)下發(fā)布快速撤離等。

3.7 任務(wù)管理

在監(jiān)控平臺(tái)中，將任務(wù)管理分成全面巡檢、例行巡檢、專項(xiàng)巡檢、特殊巡檢、自定義任務(wù)、地圖選點(diǎn)以及任務(wù)展示等七大模塊，每個(gè)大模塊又拆分為不同的小模塊，可以根據(jù)實(shí)際情況建立不同類型的任務(wù)。在任務(wù)系統(tǒng)中既可以手動(dòng)進(jìn)行任務(wù)的執(zhí)行，也可按照日程進(jìn)行任務(wù)分配執(zhí)行實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡檢功能。

3.8 巡檢功能

智能巡檢機(jī)器人自動(dòng)巡檢功能模塊，能自主實(shí)現(xiàn)變電站室內(nèi)巡檢工作，具備高度自動(dòng)化、智能化的特征，進(jìn)而取代人工巡檢（圖5）。自動(dòng)巡檢模式有定時(shí)巡檢、特殊巡檢、例行巡檢、單次巡檢、人工遙控巡檢等，可根據(jù)需要在各類模式間相互切換。巡檢機(jī)器人能按預(yù)先設(shè)定的巡檢模式進(jìn)行工作，按設(shè)置規(guī)則進(jìn)行表計(jì)的讀數(shù)、電力設(shè)備的量溫和環(huán)境監(jiān)測(cè)等各項(xiàng)巡檢任務(wù)。

圖5 后臺(tái)巡檢界面

（1）自動(dòng)巡檢任務(wù)。智能巡檢機(jī)器人按預(yù)先設(shè)定的路徑進(jìn)行自動(dòng)巡視的方式就是自動(dòng)巡檢。自動(dòng)巡檢模式有2 種方式：例行巡檢、特殊巡檢，模式間可相互轉(zhuǎn)換。巡檢機(jī)器人安裝有高清攝像機(jī)、拾音器、高靈敏紅外熱成像儀等檢測(cè)設(shè)施，機(jī)器人能按設(shè)定的規(guī)則和路線，實(shí)現(xiàn)變電站各點(diǎn)設(shè)備設(shè)施的可見光拍照、紅外測(cè)溫、表計(jì)讀數(shù)以及環(huán)境監(jiān)測(cè)等各項(xiàng)巡檢活動(dòng)任務(wù)，同時(shí)把各種巡檢數(shù)據(jù)即時(shí)自動(dòng)傳輸至后臺(tái)管理系統(tǒng)進(jìn)行保存，進(jìn)而生成詳細(xì)檢測(cè)分析報(bào)告，這些任務(wù)包含有局放檢測(cè)、電流檢測(cè)、溫度檢測(cè)、電壓檢測(cè)、開關(guān)狀態(tài)監(jiān)測(cè)等。針對(duì)特定巡檢點(diǎn)，可由巡檢人根據(jù)電力柜巡測(cè)需要檢測(cè)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)特定電力柜的巡檢需要。

（2）人工遙控巡檢。巡檢機(jī)器人可通過(guò)人工遙控巡檢方式，進(jìn)行實(shí)時(shí)遙控機(jī)器人。人工遙控模式適合運(yùn)維人員需對(duì)變電站某臺(tái)設(shè)備及設(shè)施狀態(tài)進(jìn)行鎖定和監(jiān)測(cè)，特別是在機(jī)器人自主巡檢任務(wù)中，檢測(cè)出現(xiàn)的設(shè)備及環(huán)境異常向運(yùn)維人員報(bào)警時(shí)的狀態(tài)，運(yùn)維人員能立即采用管理后臺(tái)人工遙控功能，操控機(jī)器人第一時(shí)間到達(dá)異常設(shè)備設(shè)施的位置，能夠及時(shí)將異常設(shè)備設(shè)施查看同時(shí)核實(shí)報(bào)警信息，以便下步快速制定響應(yīng)和應(yīng)急操作。

3.9 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)及報(bào)表

監(jiān)控平臺(tái)具備對(duì)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行儲(chǔ)存、分析、統(tǒng)計(jì)、檢索的功能。監(jiān)控平臺(tái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的整理與排序，支持報(bào)表導(dǎo)出保存。運(yùn)維人員可根據(jù)任務(wù)或監(jiān)控點(diǎn)在監(jiān)控平臺(tái)內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢索，快速查看監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)。

巡檢機(jī)器人在執(zhí)行完一個(gè)任務(wù)之后都會(huì)自動(dòng)生成報(bào)表，運(yùn)維人員可以在監(jiān)控平臺(tái)根據(jù)時(shí)間、巡檢類型、任務(wù)名稱等進(jìn)行檢索并查看報(bào)表。運(yùn)維人員可根據(jù)需求檢索，查看，導(dǎo)出各類表報(bào)，包括巡檢任務(wù)報(bào)表、數(shù)據(jù)報(bào)表、報(bào)警記錄報(bào)表、環(huán)境信息報(bào)表等。

3.10 預(yù)警與聯(lián)動(dòng)

巡檢機(jī)器人巡檢過(guò)程中，通過(guò)數(shù)值分析、趨勢(shì)分析、閾值對(duì)比、數(shù)據(jù)庫(kù)等技術(shù)，對(duì)異常的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)警。預(yù)警通過(guò)界面告警和聲光告警2 種方式呈現(xiàn)，提醒運(yùn)維人員。當(dāng)后臺(tái)分析數(shù)據(jù)顯示為異常時(shí)，后臺(tái)監(jiān)控軟件界面會(huì)出現(xiàn)告警信息列表，運(yùn)維人員通過(guò)操作滾動(dòng)顯示告警信息。當(dāng)系統(tǒng)存在告警信息時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)巡檢機(jī)器人告警音頻及燈光閃爍，提醒運(yùn)維人員注意。

系統(tǒng)預(yù)警功能通過(guò)大數(shù)據(jù)分析引擎和專家診斷系統(tǒng)技術(shù)，基于設(shè)備檔案數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)采集的海量信息、自定義報(bào)表，結(jié)合專家分析知識(shí)，進(jìn)行多維度數(shù)據(jù)分析，識(shí)別熱斑缺陷，發(fā)現(xiàn)潛在的風(fēng)險(xiǎn)和缺陷，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的問(wèn)題，基于運(yùn)營(yíng)收益最大化目標(biāo)，給出合理的維護(hù)建議，如零部件清洗保養(yǎng)建議、部件更換和維護(hù)建議等，實(shí)現(xiàn)預(yù)防性維護(hù)，減少非計(jì)劃停運(yùn)損失。

設(shè)備智能故障診斷系統(tǒng)通過(guò)對(duì)設(shè)備故障、線路故障的特征現(xiàn)象進(jìn)行分析，利用專家診斷模型和STORM 實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)分析技術(shù)，建立一種新的故障排查和分析機(jī)制，指出發(fā)現(xiàn)問(wèn)題的原因，提供問(wèn)題的解決方案，快速、準(zhǔn)確地解決光伏電站運(yùn)行中設(shè)備故障問(wèn)題。同時(shí)把診斷的信息流自動(dòng)輸出至運(yùn)維系統(tǒng)，來(lái)實(shí)現(xiàn)高效的運(yùn)維診斷和檢修管理。

3.11 機(jī)器人自檢

巡檢機(jī)器人作為巡檢系統(tǒng)的主體，搭載主要的檢測(cè)設(shè)備在前端采集各類數(shù)據(jù)信息。為了保證日常工作，機(jī)器人在啟動(dòng)巡檢前均會(huì)進(jìn)行自檢，自檢內(nèi)容包括紅外熱成像儀、高清相機(jī)、電機(jī)、云臺(tái)、內(nèi)部存儲(chǔ)及各種傳感器等，若發(fā)現(xiàn)部件異常則給出異常狀態(tài)報(bào)警，并將系統(tǒng)異常信息上傳至監(jiān)控后臺(tái)，方便運(yùn)維人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，減少故障處理時(shí)間，提高解決故障的效率。

4 結(jié)語(yǔ)

實(shí)現(xiàn)變電站巡檢工作機(jī)器替代人工巡檢，無(wú)人值守、智能管控。運(yùn)維人員通過(guò)巡檢機(jī)器人全景掌握高危區(qū)域設(shè)備的狀態(tài)，減少巡檢次數(shù)，降低日常維護(hù)的人員及物資等維護(hù)成本，挖掘生產(chǎn)狀態(tài)數(shù)據(jù)中的價(jià)值，提高運(yùn)維管理水平，降低人工巡檢工作量。通過(guò)數(shù)字化建設(shè)提高工廠電氣變電站智能化、信息化管理水平，實(shí)現(xiàn)變電站無(wú)人值守，提高管理質(zhì)量和工作效率。