變電站智能機(jī)器人及其研究展望

李 祥, 崔昊楊, 曾俊冬, 江 超, 唐 忠

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

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變電站智能機(jī)器人及其研究展望

李 祥, 崔昊楊, 曾俊冬, 江 超, 唐 忠

(上海電力學(xué)院 電子與信息工程學(xué)院, 上海 200090)

變電站巡檢機(jī)器人是將移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用于變電站環(huán)境中,代替人工實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備狀態(tài)的自動(dòng)檢測(cè)與預(yù)警分析.介紹了機(jī)器人的3層網(wǎng)絡(luò)分布式系統(tǒng)結(jié)構(gòu),闡述了變電站智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用實(shí)例,并探討了其發(fā)展趨勢(shì).

智能巡檢; 機(jī)器人; 變電站; 紅外檢測(cè)

變電站是輸電網(wǎng)的樞紐,變電站設(shè)備巡檢是有效保證變電站安全運(yùn)行、提高供電可靠性的一項(xiàng)基礎(chǔ)性工作[1].傳統(tǒng)的巡檢方式為人工巡檢,每天例行巡檢2次以上.巡檢工人在現(xiàn)場(chǎng)對(duì)設(shè)備巡檢時(shí),主要通過看、觸、聽、嗅等感官來檢查變電站設(shè)備是否出現(xiàn)漏油、裂痕、異常聲響等,從而判斷設(shè)備的運(yùn)行狀況.這就要求巡檢工人有著豐富的經(jīng)驗(yàn)和較高的技術(shù)水平.而絕大多數(shù)故障的表象均為溫度異常,巡檢工人通過手持式紅外熱像儀獲取設(shè)備的溫度場(chǎng)分布信息,對(duì)變電設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)作出評(píng)估.這種巡檢方式的效果經(jīng)常受到天氣等惡劣環(huán)境的影響,并且缺乏實(shí)時(shí)的故障分析和系統(tǒng)分析的能力[2].

機(jī)器人技術(shù)和計(jì)算機(jī)性能的不斷提升給上述問題帶來了新的解決途徑[3].國(guó)內(nèi)外眾多學(xué)者對(duì)變電站智能機(jī)器人進(jìn)行了研究.國(guó)外研究變電站機(jī)器人的典型代表是巴西圣保羅大學(xué)和加拿大魁北克水電站.前者通過在變電站內(nèi)架起高空行走軌道,研制出基于變電站熱點(diǎn)監(jiān)測(cè)的移動(dòng)機(jī)器人;后者為變電站機(jī)器人配置了遙控裝置,實(shí)現(xiàn)了對(duì)變電站的遠(yuǎn)程監(jiān)控.國(guó)內(nèi)對(duì)變電站智能機(jī)器人的研究也取得了突破性進(jìn)展,如山東電力科學(xué)研究院研發(fā)了一種輪式巡檢機(jī)器人,能夠在平坦路面穩(wěn)定行駛,對(duì)變電站主設(shè)備進(jìn)行巡檢;中國(guó)科學(xué)院沈陽自動(dòng)化研究所研制的軌道式變電站智能機(jī)器人,能夠在固定軌道上運(yùn)行并對(duì)變電站展開巡檢[4].

變電站巡檢機(jī)器人的真正實(shí)用化需要解決對(duì)機(jī)器人的靈活控制、自動(dòng)導(dǎo)航技術(shù)[5]、變電站設(shè)備故障圖像識(shí)別技術(shù)[6]、上位機(jī)軟件等眾多問題.本文主要闡述了變電站智能巡檢機(jī)器人各硬件部分組成及軟件系統(tǒng)功能,對(duì)比分析了當(dāng)前變電站巡檢機(jī)器人技術(shù)所存在的問題,并對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了展望.

1 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)

智能巡檢機(jī)器人采用完整而復(fù)雜的非接觸式檢測(cè)體系架構(gòu)工作方式,能夠?yàn)樽冸娬镜陌踩?、穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)揮重要作用[7].為實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備的全面巡檢,巡檢機(jī)器人在系統(tǒng)架構(gòu)方面通?？梢苑譃橐苿?dòng)檢測(cè)系統(tǒng)層、無線傳輸層、客戶端接收層3個(gè)層次,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)構(gòu)成如圖1所示[8].

圖1 變電站智能巡檢機(jī)器人3層分布結(jié)構(gòu)

其中,移動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)層由巡檢機(jī)器人本體、無線通信收發(fā)系統(tǒng)組成,其主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備狀態(tài)信息的采集和控制信息的收發(fā);網(wǎng)絡(luò)傳輸層由以太網(wǎng)和無線傳輸設(shè)備組成,其主要功能是傳輸控制指令和圖像信息;客戶端接收層由無線傳輸設(shè)備和上位機(jī)軟件系統(tǒng)組成,其主要功能是對(duì)機(jī)器人采集的設(shè)備狀態(tài)信息進(jìn)行處理、識(shí)別、發(fā)出預(yù)警并存儲(chǔ)信息.

依據(jù)不同的行進(jìn)方式,變電站巡檢機(jī)器人可分為3類,如圖2所示.第一類變電站智能巡檢機(jī)器人也是最早出現(xiàn)的巡檢機(jī)器人,采用鋪設(shè)固定軌道的方式,如圖2a所示.利用在變電站鋪設(shè)特定的巡檢軌道,巡檢機(jī)器人攜帶可見光攝像機(jī)(CCD)和紅外熱像儀沿固定軌道運(yùn)行,對(duì)軌道途經(jīng)的一次設(shè)備進(jìn)行巡檢[9].這種巡檢方式能夠準(zhǔn)確地按照鋪設(shè)軌道行進(jìn)并進(jìn)行設(shè)備檢測(cè),且具有較高的安全性和可靠性.但由于變電站內(nèi)環(huán)境較為復(fù)雜,額外的軌道鋪設(shè)和軌道維護(hù)給工作人員帶來不便,在設(shè)備的全面巡檢方面也存在著先天的不足.隨著自主導(dǎo)航技術(shù)的發(fā)展,在第一類軌道機(jī)器人的基礎(chǔ)上,發(fā)展出了輪式驅(qū)動(dòng)的輪式機(jī)器人,包括兩輪驅(qū)動(dòng)和四輪驅(qū)動(dòng)行進(jìn)方式的巡檢機(jī)器人,如圖2b所示.相對(duì)于軌道式巡檢機(jī)器人,輪式機(jī)器人巡檢路線更加靈活,對(duì)特定的電力設(shè)備可以選用最優(yōu)路徑巡檢方案[10],但這種機(jī)器人要求更可靠的通訊方式和數(shù)據(jù)傳輸方式,在變電站強(qiáng)電磁環(huán)境下,保障通信可靠成為該類機(jī)器人需要解決的關(guān)鍵問題.在輪式機(jī)器人發(fā)展過程中,為解決野外復(fù)雜地面環(huán)境中機(jī)器人的行進(jìn)問題,又發(fā)展出了履帶式底盤的巡檢機(jī)器人[11],使其具備更強(qiáng)的越障和防滑能力,如圖2c所示.履帶式機(jī)器人優(yōu)良的驅(qū)動(dòng)性能可以更好地適應(yīng)北方某些積雪過厚和地形險(xiǎn)峻的變電站環(huán)境,促進(jìn)了巡檢機(jī)器人大范圍的推廣應(yīng)用.

圖2 巡檢機(jī)器人3種運(yùn)行方式

2 巡檢機(jī)器人功能模塊

一般而言,巡檢機(jī)器人能夠?qū)ψ冸娫O(shè)備進(jìn)行自主或遙控巡視,能自動(dòng)識(shí)別設(shè)備的熱缺陷、外觀異常、異物懸掛、儀表讀數(shù)、開關(guān)刀閘的位置、油位計(jì)位置等,進(jìn)行自動(dòng)報(bào)警處理并向運(yùn)營(yíng)人員發(fā)出告警信息,為設(shè)備狀態(tài)檢修提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù).系統(tǒng)需要搭載視頻監(jiān)控、紅外熱像采集、聲光報(bào)警聯(lián)動(dòng)等模塊,并需要解決機(jī)器人控制模塊、導(dǎo)航模塊、檢測(cè)模塊和上位機(jī)模塊等關(guān)鍵的技術(shù)問題.

2.1 控制模塊

控制模塊包括對(duì)機(jī)器人運(yùn)行方式、云臺(tái)、圖像采集系統(tǒng)的控制[12].智能巡檢機(jī)器人的運(yùn)行方式有自動(dòng)巡檢和手動(dòng)控制巡檢兩種模式.通過設(shè)置巡檢路徑,機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)巡檢、自動(dòng)?？俊⒆詣?dòng)識(shí)別;通過模式切換變?yōu)槭謩?dòng)控制模式,工作人員可以通過上位機(jī)控制端來控制機(jī)器人,到達(dá)特定的電力設(shè)備,進(jìn)行儀表巡視檢查,從而實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障的快速排查.

2.2 導(dǎo)航模塊

隨著巡檢機(jī)器人研究與應(yīng)用的不斷深入,導(dǎo)航技術(shù)直接決定其智能化水平的高低.高精度的導(dǎo)航能力,要求巡檢機(jī)器人能夠通過傳感器獲取環(huán)境和自身的狀態(tài),實(shí)現(xiàn)在障礙環(huán)境中面向目標(biāo)的自主運(yùn)動(dòng).目前常規(guī)的導(dǎo)航方式有磁導(dǎo)航、光電反射導(dǎo)航、味覺導(dǎo)航、基于圖像的視覺導(dǎo)航、多點(diǎn)WiFi導(dǎo)航和GPS導(dǎo)航等[13].

GPS在變電站環(huán)境中受到一定程度的電磁干擾,往往不能獨(dú)立完成變電站巡檢機(jī)器人的導(dǎo)航任務(wù),這就需要配合相應(yīng)的算法進(jìn)行噪聲去除.GPS定位系統(tǒng)在巡檢機(jī)器人運(yùn)用時(shí)存在近距離定位精度較低的問題,使得其功能在變電站巡檢機(jī)器人導(dǎo)航中無法充分發(fā)揮[14].因此,智能巡檢機(jī)器人通常采用GPS定位系統(tǒng)與其他導(dǎo)航方式相融合的導(dǎo)航技術(shù).

磁導(dǎo)航是目前變電站智能巡檢機(jī)器人運(yùn)用最多的導(dǎo)航技術(shù).通過在巡視道路上鋪設(shè)引導(dǎo)磁條,并在巡檢機(jī)器人的底盤上安裝多個(gè)電磁傳感器來收集地面上的磁信號(hào)[15].根據(jù)特定的巡檢位置,實(shí)現(xiàn)精確的路徑規(guī)劃.基于圖像的視覺系統(tǒng)導(dǎo)航方法在變電站巡檢機(jī)器人中應(yīng)用廣泛,具有精度高、穩(wěn)定性強(qiáng)、獲取的環(huán)境信息豐富等優(yōu)點(diǎn).但該方法需要從復(fù)雜的背景中分離出探測(cè)目標(biāo),故要求控制系統(tǒng)擁有很強(qiáng)的計(jì)算處理速度[16].

由無線網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)(Access Point,AP)和無線網(wǎng)卡組成的WiFi 無線網(wǎng)絡(luò)定位技術(shù)是室內(nèi)智能機(jī)器人通常采用的導(dǎo)航方式[17].它是通過移動(dòng)設(shè)備與AP之間的無線信號(hào)交流來確定目標(biāo)的位置,從而實(shí)現(xiàn)定位.它常用于室內(nèi)定位導(dǎo)航[18].

2.3 檢測(cè)模塊

變電站巡檢機(jī)器人通常搭載多種檢測(cè)模塊,利用多元信息融合技術(shù)對(duì)變電站一次設(shè)備運(yùn)行狀況作出評(píng)估.紅外熱系統(tǒng)是各種檢測(cè)模塊中必不可少的一種設(shè)備[19].紅外熱成像系統(tǒng)是利用紅外探測(cè)器,在非接觸的情況下,接收到物體表面輻射的紅外線,從而得到物體表面熱分布的“實(shí)時(shí)熱像”,如圖3所示.該熱像能夠在一定程度上反映該物體當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)[20].

圖3 變電站設(shè)備紅外熱像示意

通過搭載的紅外熱成像儀獲取電力設(shè)備實(shí)時(shí)熱成像圖像,能夠有效地檢測(cè)出設(shè)備的運(yùn)行缺陷,并配合上位機(jī)軟件對(duì)缺陷部位的性質(zhì)和程度作出評(píng)估判斷.因此,紅外熱成像儀成為電力設(shè)備在線監(jiān)測(cè)的有效手段[21].

可見光攝像儀自動(dòng)抓取特定設(shè)備的外觀照片,與該設(shè)備的紅外圖像匹配,精確找到故障存在點(diǎn).同時(shí)自動(dòng)抓拍儀表圖像并智能讀取儀表數(shù)值,實(shí)現(xiàn)全站的設(shè)備監(jiān)控.

電力設(shè)備在漏電狀態(tài)下會(huì)發(fā)出異常聲音,機(jī)器人通過搭載聲音采集裝置,獲取電力設(shè)備在運(yùn)行狀況下發(fā)出的聲音.提取聲音特征參數(shù)并進(jìn)行人工智能分析,即可判斷電力設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)[22].

紫外成像儀能夠通過獲取設(shè)備的紫外圖像,判斷設(shè)備表面是否出現(xiàn)電暈放電及設(shè)備的絕緣污穢程度[23].通過與紅外熱成像儀配合使用,可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備早期的各種不良癥狀[24].

2.4 上位機(jī)軟件模塊

變電站智能巡檢機(jī)器人上位機(jī)軟件系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程,該系統(tǒng)通過無線通信實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的圖像、音頻、指令與上位機(jī)之間的傳輸[25].其中,圖像操作系統(tǒng)軟件包括實(shí)時(shí)獲取設(shè)備紅外圖像和可見光圖像、對(duì)靜態(tài)圖像進(jìn)行處理及設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估報(bào)表的生產(chǎn)3大部分.上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)的特點(diǎn)如下:

(1) 能實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前設(shè)備的紅外圖像和可見光圖像,通過點(diǎn)擊鼠標(biāo)能夠獲取任一點(diǎn)的溫度信息;

(2) 能及時(shí)切換到靜態(tài)圖像處理軟件,可對(duì)靜態(tài)圖像進(jìn)行圖像分割和圖像增強(qiáng)等操作;

(3) 可實(shí)現(xiàn)圖像和視頻的實(shí)時(shí)存儲(chǔ),并生成設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)評(píng)估報(bào)表[26].

3 變電站智能機(jī)器人應(yīng)用實(shí)例

在國(guó)家“863”項(xiàng)目推動(dòng)下,山東電力科學(xué)研究院在2002年率先研發(fā)出第一代軌道式智能巡檢機(jī)器人.目前,山東、重慶、浙江、河南等省市的部分變電站已經(jīng)開始投入使用,通過機(jī)器人巡檢基本實(shí)現(xiàn)了變電站的無人值守[27].

目前,變電站智能巡檢機(jī)器人已經(jīng)實(shí)現(xiàn)以下基本功能:多種導(dǎo)航方法相融合,精確實(shí)現(xiàn)自動(dòng)導(dǎo)航,自主定位;可以遠(yuǎn)程訪問、登陸、遙控操作進(jìn)行巡檢;可見光攝像儀能夠準(zhǔn)確獲取變電站設(shè)備的狀態(tài)和儀表指針信息,確保視頻分析的精度,大范圍無遺漏地執(zhí)行巡檢任務(wù)[28];多傳感器技術(shù)相融合,可同時(shí)采集聲音、溫度、電流強(qiáng)度等,多角度全方位獲取變電站的各種信息[29];高精度紅外熱像儀可精確檢測(cè)變壓器繞組及油冷系統(tǒng)、高壓斷路器、電容器等設(shè)備的發(fā)熱情況,并針對(duì)熱缺陷發(fā)出不同等級(jí)的報(bào)警信息,提高設(shè)備巡檢效率[22].

4 變電站智能巡檢機(jī)器人展望

隨著智能電網(wǎng)的建設(shè),電力設(shè)備向高功率、高可靠性、高智能化方向發(fā)展,這對(duì)變電站的智能化提出了更高的要求.因此,變電站智能巡檢機(jī)器人還應(yīng)在以下4個(gè)方面得到進(jìn)一步的完善.

(1) 數(shù)據(jù)分析智能化[30]機(jī)器人的紅外圖像和可見光圖像的數(shù)據(jù)量很大,需要與大數(shù)據(jù)技術(shù)融合,進(jìn)一步對(duì)大數(shù)據(jù)進(jìn)行深度挖掘.

(2) 移動(dòng)設(shè)備平臺(tái)靈活化[31]針對(duì)變電站復(fù)雜的環(huán)境(山地、積雪嚴(yán)重),一方面要提高變電站機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)和越障能力,另一方面也要實(shí)現(xiàn)機(jī)器人對(duì)簡(jiǎn)單設(shè)備故障的自動(dòng)處理能力.

(3) 巡檢設(shè)備全面化 目前變電站智能巡檢機(jī)器人主要是針對(duì)一次設(shè)備開展自動(dòng)巡檢,對(duì)于二次設(shè)備如高壓開關(guān)柜還不能進(jìn)行自動(dòng)巡檢.因此,需要針對(duì)二次設(shè)備巡檢進(jìn)行深入研究,以增強(qiáng)機(jī)器人巡檢的全面性.

(4) 巡檢機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)化 每臺(tái)變電站巡檢機(jī)器人通過互聯(lián)網(wǎng)相互聯(lián)系,實(shí)時(shí)共享巡檢設(shè)備的狀態(tài)信息.

5 結(jié) 語

隨著工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用和智能電網(wǎng)的快速推進(jìn),越來越多的企業(yè)、變電站已經(jīng)用工業(yè)機(jī)器人代替人工開展高危險(xiǎn)性、高精密度、高重復(fù)性等工作.機(jī)器人代替人工開展變電站巡檢,具有靈活性強(qiáng)、安全性好、可靠性高等優(yōu)點(diǎn).變電站智能巡檢機(jī)器人自主在線監(jiān)測(cè)技術(shù)是智能電網(wǎng)和智能變電站巡檢技術(shù)的發(fā)展方向,具有廣闊的應(yīng)用平臺(tái)和推廣空間.

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(編輯 胡小萍)

Research and Prospect of Intelligent Inspection Robot for Substation

LI Xiang, CUI Haoyang, ZENG Jundong, JIANG Chao, TANG Zhong

(SchoolofElectronicsandInformationEngineering,ShanghaiUniversityofElectricPower,Shanghai200090,China)

The substation inspection robot is an intelligent robot with infrared visible camera and ultraviolet to inspect and analyze the condition of equipment instead of people.The 3-layer network system and applications of the intelligent substation are elaborated.The future development trend of intelligent inspection robot for substation is discussed.

intelligent inspection; robot; substation; infrared

10.3969/j.issn.1006-4729.2017.01.004

2016-03-16

李祥(1990-),男,在讀碩士,河南鄭州人.主要研究方向?yàn)殡娏υO(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè),智能機(jī)器人. E-mail:313597789@qq.com.

TM63;TP242.6

A

1006-4729(2017)01-0015-05