變電站智能化巡檢系統的研究和應用

藍麗麗 廖建波

（廣西電網公司柳州供電局）

0 引言

目前，國內大部分變電站仍然沿用人工巡檢的檢修模式，由于巡檢作業中工作人員所處外界環境較差加之工作強度大，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，在檢查作業中所找到的故障點也不相同，且很難將檢測數據一一有效錄入信息系統中，造成巡檢結果缺乏客觀準確性。

隨著變電站功能的不斷強大，巡檢項點逐漸增加，巡檢步驟也變得更為復雜。且在某些地區因其地理特點，環境會更加惡劣，變電站工作的安全風險將更大。傳統的人工巡檢已經不能滿足多樣化的巡檢任務和惡劣的外界環境，因此，在變電站日常巡檢作業中引入智能化的巡檢技術刻不容緩。而采用人工智能技術的移動機器人系統逐漸進入大眾的視野，該機器人能夠適應外界惡劣的環境，完成多種巡檢作業，護航變電站正常運行。

1 智能化巡檢系統整體框架

智能巡檢機器人是變電站實現智能化檢測的主要設備，由巡檢機器人后臺監控系統和巡檢機器人移動站組成，其整體框架如圖1所示。

圖1 智能化巡檢系統整體框架

變電站智能化巡檢系統的重心為移動機器人，其主要由主控模塊、云臺雙系統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器人系統的網絡集線器上，主要包含導航定位模塊、伺服驅動模塊、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；云臺雙系統主要包含紅外采集模塊、可見光采集模塊及視頻服務器等，是整個移動機器人系統的“眼睛”，監視變電站外界環境的變化［1］?？傊?，移動機器人系統具備多元化的巡檢方法、智能化的任務執行模式、系統融合度高、適應性強等特點，是執行各種巡檢作業的主體，采用地面巡檢的模式對變電站高壓場地、相關測量儀表、電氣端子箱、隔離開關分合狀態等變電站的各運轉情況進行全面檢測。

移動機器人系統主要具有以下特點［2］：

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

（2）根據每次巡檢任務的實際情況，紅外采集系統能夠進行自動啟停，增加其使用壽命，減緩設備衰老進度。

（3）可輔助工作人員進行風險等級較高的倒閘作業操作。

2 智能巡檢機器人主要硬件選型

2.1 主控模塊

移動機器人系統的控制核心為主控模塊，其控制整個機器人全部的執行動作。為更好確保機器人動作的精準性，本文選取HIPC-1910L型工控機，配置雙電源輸入、10GB內存和36GB閃存。主控模塊采用常見的Windows操作系統，可以與多種I／O接口進行匹配。此外，工控機還配置三十六路輸入模塊、控制器局域網通訊接口控制卡、三極管集電極十六通道輸出模塊，進一步接受激光、紅外線等各種傳感器信息，且工控機還增設電壓檢測單元，實時對巡檢移動機器人電池的工作電量進行監測。

2.2 自動引導運輸車

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

2.3 驅動模塊

變電站作業場所大多在室外，道路較為曲折，故移動機器人行進的速度不能太高，但運行扭矩及精度控制要求較高，移動機器人的旋轉電機主要是控制攝像機的旋轉角度，需要較好的定位精度，而步進電機具有控制精度較高、抗干擾能力強、運行可靠等優點，因此選用步進電機；因移動機器人為直流驅動，故其執行單元采用直流伺服電機。此外，為了避免失電狀態下檢測設備跌落，導致設備損壞，系統電機均需具備抱閘功能。

2.4 傳感器

移動機器人感知外界環境離不開傳感器，機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備外觀和相關電子儀表數據進行讀取，熱成像傳感器可以對變電站高壓設備進行實時溫度監測，尤其是各種高壓接頭處的溫度，一旦損壞對系統的影響程度較大。此外，移動機器人為了快速測量周圍環境和自身之間的距離，配置六臺超聲波傳感器，充分保護機器人運行過程中的安全，避免與障礙物發生撞擊。同時，移動機器人前后均安裝有避免跌落和撞擊的感應裝置，確保移動機器人在遇到障礙物時能夠停止行走。

2.5 云臺系統

移動機器人的云臺系統中紅外攝像機選取NCC-4700JX12型800萬像素紅外網絡攝像機；可見光攝像機選用C62L25T100AH型一體化攝像機，具有背光補償、鏡頭變焦、電子快門等功能，可以進行遠距離監控，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控的需要。

3 智能巡檢機器人軟件設計

3.1 智能巡檢機器人軟件控制模塊

移動機器人軟件控制模塊可以對移動目標進行檢測，遠程控制機器人運動及云臺攝像機動作等。這些動作可以通過鍵盤按鈕來進行，在鍵盤當中設定某些快捷鍵來完成云臺系統復位、停止、前進、后退等方向操作，易于操作、方便維護。其控制模塊的框架如圖2所示。移動機器人的行進路線通過路徑規劃模塊傳輸到控制保障系統中，控制保障系統利用無線網絡實現與移動站系統的通訊連接，此外，也可以通過手動控制模塊對移動機器人巡檢情況進行設置。

圖2 移動機器人控制模塊框架

3.2 智能巡檢機器人報警輸出模塊

日常使用過程中，可見光攝像機和紅外攝像機可實時采集機器人前方區域的圖像數據，同時利用超聲波傳感器感知周圍環境，并實時將數據傳輸至主控模塊HIPC-1910L進行分析和比對，主控模塊HIPC-1910L可將傳入的數據進行綜合計算，一旦發現數據異常，移動站將啟動報警程序，對異常數據進行采集后通過無線網絡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，該系統選用api作為底層邏輯的表達函數，并對異常信息按照優先級及影響程度做排序處理，實現報警信息的分類，以便故障發生的第一時間內工作人員可以有針對性地處理解決。

3.3 智能巡檢機器人導航定位系統

在移動機器人的導航定位系統工作過程中，機器人在行進途中，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，繼續前進［4］。導航定位系統主要應用的是蟻群算法，其主要數學模型如式（1）所示：

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

4 移動機器人巡檢系統的應用

移動機器人巡檢工作圖如圖4所示，移動機器人巡檢時可以利用可見光攝像機對變電站電子儀表類進行識別，讀取數據，并拍照留存，然后輸出相應的數據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，可能無法被攝像機準確檢測或識別。

圖4 機器人巡檢工作圖

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

通過實地考察，移動機器人獲取的六氟化硫氣壓表讀數、紅外攝像機測量溫度和系統泄漏電流等參數都與實際測量數據相差不大，個別數據的誤差也在規定范圍內，具有較高的檢測準確性。

4.1 系統及時性分析

移動機器人所采集的動態數據借助無線網絡傳送到后臺控制中心，且工作人員可以實時查看系統數據，通過對比歷史數據，判斷采集到的工作數據是否在正常區間內，如發現異常應及時對電氣設備進行干預。

根據現場使用反饋，移動巡檢機器人可以準確高效完成高壓電力設備工作溫度的檢測，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效率，檢修人員能夠實時查看紅外相機生成的溫度曲線，一旦發現溫度曲線劇烈變化時立即報警，通知檢修人員及時到場進行處理，使設備故障及時得到解決。

4.2 系統效益分析

目前，多數變電站實行無人值守模式，且變電站的工作量日益增多。使用該移動機器人使用在現場進行巡檢作業后，一方面降低了工作人員的作業量，另一方面也減小了工作人員因粗心大意而造成的設備故障隱患發生的概率，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工作中。

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

變電站移動機器人投入使用后，多次發現高壓設備溫度過高現象并及時預警，避免了危險事故的發生頻次，在一定程度上間接提高了變電站系統運營維護的經濟效益。

5 結束語

本文在介紹國內變電站巡檢模式的基礎上，首先對智能化巡檢系統的整體框架進行了搭建，然后對巡檢機器人主控模塊、自動引導運輸車、驅動模塊、傳感器、云臺系統等主要硬件進行了選型，接著對巡檢機器人的軟件模塊進行了相關設計，最后對移動機器人在變電站實際巡檢工作中的應用進行了討論，有力保障了變電站設備運行可靠性，提高了工作效率，推動了電力行業健康發展。