換流站閥廳智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

沈 燚，楊壽源，楊春歡，楊家凱，王榮富，侯 詩(shī)，晏慶豐

(云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司楚雄供電局，云南 楚雄 651400)

0 引言

直流輸電是目前各國(guó)解決高電壓、大容量、遠(yuǎn)距離送電以及電網(wǎng)互聯(lián)的重要手段之一。特高壓直流換流站是完成交流變直流或直流變交流的重要站點(diǎn)。我國(guó)從2003年8月開(kāi)始對(duì)±800 kV特高壓直流輸電技術(shù)進(jìn)行研究，并于2010年首次將復(fù)龍及奉賢2個(gè)特高壓換流站投入使用。

傳統(tǒng)的換流站巡檢方式有人工巡檢和固定點(diǎn)監(jiān)控，人工巡檢存在巡檢人員責(zé)任心難保證、高電壓和強(qiáng)輻射環(huán)境威脅人身安全、設(shè)備種類多、工作量大、巡檢人員專業(yè)技能不一、難以保證覆蓋率和準(zhǔn)確率等缺陷；固定點(diǎn)巡檢存在監(jiān)控死角、依賴人工監(jiān)管、無(wú)法預(yù)警缺陷等問(wèn)題。因此這2種方式都存在天然缺陷，難以滿足換流站科學(xué)化運(yùn)維管理要求。

針對(duì)以上問(wèn)題，研發(fā)了換流站閥廳智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)。該系統(tǒng)以環(huán)境感知云臺(tái)為硬件依托，通過(guò)自動(dòng)讀取閥廳中的設(shè)備溫度、儀表讀數(shù)、開(kāi)關(guān)分合狀態(tài)等狀態(tài)信息，結(jié)合故障診斷專家系統(tǒng)自主判斷異常并報(bào)警。另外，后臺(tái)管理系統(tǒng)能采集、存儲(chǔ)、分析、預(yù)測(cè)閥廳設(shè)備及自身設(shè)備狀態(tài)并生成日志，擁有良好的人機(jī)交互體驗(yàn)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

換流站閥廳智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)，以軌道式巡檢機(jī)器人為核心，結(jié)合移動(dòng)平臺(tái)、固定平臺(tái)及智能分析軟件，可代替同一直線區(qū)域內(nèi)的多個(gè)固定監(jiān)控設(shè)備。通過(guò)智能分析、任務(wù)巡查、統(tǒng)計(jì)報(bào)表等功能的有機(jī)結(jié)合，將巡檢、監(jiān)控過(guò)程智能化、標(biāo)準(zhǔn)化，以簡(jiǎn)單的方式體現(xiàn)“機(jī)器替代人”的價(jià)值。換流站閥廳智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)具備如下幾個(gè)功能：

(1) 機(jī)器人美觀、體積小，可在閥廳內(nèi)有限安全距離空間自由運(yùn)動(dòng)；

(2) 機(jī)器人垂直升降高度可達(dá)20 m，能滿足該閥廳內(nèi)閥塔設(shè)備的巡檢范圍要求；

(3) 閥廳機(jī)器人系統(tǒng)由前端機(jī)器人設(shè)備及后臺(tái)管理軟件組成，實(shí)現(xiàn)對(duì)閥廳設(shè)備的自動(dòng)巡檢；

(4) 系統(tǒng)熱缺陷的自動(dòng)診斷功能，可對(duì)電力設(shè)備的溫度進(jìn)行精確測(cè)量并進(jìn)行診斷；

(5) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)巡檢數(shù)據(jù)報(bào)表生成，各種預(yù)警信息推送報(bào)警等功能。

換流站閥廳智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)包括監(jiān)控系統(tǒng)及管理平臺(tái)，如圖1所示。其中，監(jiān)控系統(tǒng)與管理平臺(tái)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信和數(shù)據(jù)交互。

監(jiān)控系統(tǒng)由閥廳外置總控制箱和多個(gè)閥廳內(nèi)監(jiān)控點(diǎn)組成?？偪刂葡浒╇妴卧顟B(tài)指示單元、通信單元。總控制箱控制各監(jiān)控點(diǎn)巡檢機(jī)器人實(shí)現(xiàn)自主監(jiān)測(cè)，并接收管理平臺(tái)的指令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制監(jiān)控點(diǎn)巡檢機(jī)器人作業(yè)。閥廳內(nèi)各監(jiān)控點(diǎn)數(shù)量、種類由實(shí)際環(huán)境及需求決定，由總控制箱供電，并通過(guò)光纜與總控制箱建立通信。監(jiān)控點(diǎn)分為固定式和移動(dòng)式，含有前端控制箱、雙視云臺(tái)以及各類線路，其中移動(dòng)式監(jiān)控點(diǎn)含有軌道系統(tǒng)。監(jiān)控點(diǎn)置有巡檢機(jī)器人，巡檢機(jī)器人搭載可見(jiàn)光、紅外、音頻采集等信息采集終端，支持水平及垂直軌道運(yùn)行，通過(guò)管理后臺(tái)對(duì)采集終端采集的信息進(jìn)行智能化分析，實(shí)現(xiàn)閥廳自動(dòng)化巡檢。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

管理平臺(tái)為擁有故障診斷專家系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，起著大腦中樞的功能。該管理平臺(tái)具備遠(yuǎn)程操控閥廳內(nèi)監(jiān)控點(diǎn)巡檢機(jī)器人運(yùn)行的功能，同時(shí)能夠?qū)ρ矙z機(jī)器人采集的多類型數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、處理、分析，擁有缺陷自動(dòng)分析等多種功能。

2 監(jiān)控點(diǎn)巡檢機(jī)器人

2.1 巡檢機(jī)器人

巡檢機(jī)器人為多傳感器集成的云臺(tái)系統(tǒng)(如圖2所示)，搭載有紅外測(cè)溫儀、攝像頭、拾音設(shè)備、喇叭、補(bǔ)光設(shè)備等，可采集視頻信息、紅外信息、音頻信息。該巡檢機(jī)器人的巡檢范圍很大，軌道長(zhǎng)度可根據(jù)實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境定制，云臺(tái)垂直運(yùn)動(dòng)范圍在-45°—90°，水平運(yùn)動(dòng)可做到360°連續(xù)旋轉(zhuǎn)。

巡檢機(jī)器人通過(guò)紅外測(cè)溫儀對(duì)直流配電場(chǎng)配電裝置斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、套管、換流變壓器、平波電抗器、交直流濾波器、閥冷卻系統(tǒng)、換流閥晶閘管、TVM板等進(jìn)行紅外測(cè)溫。通過(guò)攝像頭能可靠識(shí)別閥廳內(nèi)的儀表、刀閘、開(kāi)關(guān)、設(shè)備外觀等，全面掌握閥廳內(nèi)電力設(shè)備狀態(tài)。通過(guò)拾音設(shè)備采集環(huán)境設(shè)備運(yùn)行聲音，對(duì)環(huán)境音頻進(jìn)行可視化展示。同時(shí)，管理平臺(tái)可通過(guò)機(jī)器人向現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行音頻廣播，可播放預(yù)定的警示音頻，可實(shí)時(shí)喊話，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程語(yǔ)音報(bào)警及語(yǔ)音指導(dǎo)，令巡檢機(jī)器人具有雙向語(yǔ)音功能。

巡檢機(jī)器人會(huì)將采集到的各類型數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)通過(guò)光纜傳輸至總控箱，由總控制箱作為中轉(zhuǎn)，采用網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆绞剑瑢?shù)據(jù)發(fā)送至管理平臺(tái)進(jìn)行后臺(tái)處理分析。同時(shí)，巡檢機(jī)器人接受管理平臺(tái)的多方式控制，實(shí)現(xiàn)多模式的巡檢功能。

圖2 巡檢機(jī)器人

2.2 巡檢機(jī)器人多模式巡檢

換流站閥廳內(nèi)設(shè)備儀器眾多、排布緊密，并且對(duì)設(shè)備的安全要求較高，因此只有巡檢機(jī)器人以一種靈活自如、方便可控的巡檢模式進(jìn)行巡檢作業(yè)，才能滿足換流站閥廳的巡檢任務(wù)要求。故本智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)采用多模式混合的方式進(jìn)行巡檢作業(yè)，在保證持續(xù)工作時(shí)間長(zhǎng)、巡檢覆蓋面積廣的基礎(chǔ)上，仍可做到精確檢測(cè)、遙控檢測(cè)等靈活度高的檢測(cè)方式。

換流站智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)采用多模式巡檢方式進(jìn)行巡檢作業(yè)。巡檢機(jī)器人分為固定式和移動(dòng)式2種。固定式巡檢機(jī)器人用于對(duì)情況復(fù)雜、需時(shí)刻監(jiān)控的設(shè)備進(jìn)行針對(duì)性的監(jiān)控；移動(dòng)式巡檢機(jī)器人用于大范圍的設(shè)備監(jiān)控。2種巡檢機(jī)器人均具有自動(dòng)巡檢、遙控巡檢模式。自動(dòng)巡檢模式為通過(guò)預(yù)設(shè)巡檢內(nèi)容和啟動(dòng)時(shí)間，巡檢機(jī)器人定時(shí)、自動(dòng)執(zhí)行巡檢任務(wù)，并自動(dòng)將巡檢結(jié)果生成統(tǒng)計(jì)報(bào)表。巡檢機(jī)器人同時(shí)也具備遠(yuǎn)程遙控巡檢功能，在該模式下，操作人員通過(guò)管理平臺(tái)遠(yuǎn)程控制任意巡檢機(jī)器人到達(dá)特定的位置，執(zhí)行巡檢任務(wù)。為了保障巡檢機(jī)器人在環(huán)境復(fù)雜的閥廳中的運(yùn)行安全和穩(wěn)定，巡檢機(jī)器人具備自主避障功能，在行進(jìn)過(guò)程中如遇到障礙物能夠及時(shí)停止，在全自主模式下障礙物移除后能夠恢復(fù)行進(jìn)。

在以上巡檢模式的基礎(chǔ)上，巡檢機(jī)器人采用普測(cè)與精測(cè)相結(jié)合的方法進(jìn)行檢測(cè)作業(yè)。即，先采用普測(cè)方法對(duì)閥廳內(nèi)各設(shè)施進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到某一位置數(shù)據(jù)異常時(shí)，在該位置進(jìn)行較長(zhǎng)時(shí)間的連續(xù)檢測(cè)，實(shí)時(shí)監(jiān)控事故位置，并開(kāi)啟報(bào)警系統(tǒng)，提醒操作人員進(jìn)行維修等作業(yè)。

3 智能故障診斷專家系統(tǒng)

傳統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)由知識(shí)庫(kù)、數(shù)據(jù)庫(kù)、解釋器、推理機(jī)、綜合數(shù)據(jù)庫(kù)和人機(jī)界面等組成，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 傳統(tǒng)故障診斷專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

知識(shí)庫(kù)是專家系統(tǒng)的核心，傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)通過(guò)將大量概念、方法、事實(shí)和關(guān)系分類整理，建立故障樹，將專家知識(shí)層次性的表達(dá)出來(lái)，通過(guò)一定的方法，如框架表示法、面向?qū)ο笾R(shí)表示法、謂詞邏輯表示法、語(yǔ)義網(wǎng)絡(luò)表示法、產(chǎn)生式規(guī)則表示法等轉(zhuǎn)化為規(guī)則，而后再轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)代碼存儲(chǔ)起來(lái)，形成知識(shí)庫(kù)(字典)。系統(tǒng)運(yùn)行中將實(shí)際狀況通過(guò)正向推理機(jī)制與知識(shí)庫(kù)中數(shù)據(jù)對(duì)比，繼而判斷故障。但是考慮工程實(shí)際，閥廳環(huán)境為復(fù)雜非結(jié)構(gòu)環(huán)境，同樣外在表現(xiàn)的故障可能其內(nèi)因不同，并且癥狀和原因多存在交叉，無(wú)法建立清晰的故障樹；故傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)無(wú)法滿足實(shí)時(shí)狀態(tài)檢測(cè)和診斷的需要，并且存在不確定推理更新和維護(hù)不便等問(wèn)題。

3.1 新型知識(shí)庫(kù)的建立

本系統(tǒng)在傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)中加入人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。該系統(tǒng)發(fā)揮2者的優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)了包含傳統(tǒng)的顯式知識(shí)庫(kù)和基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的隱式知識(shí)庫(kù)的新型知識(shí)庫(kù)。通過(guò)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)將維修工程師和維修技師的大量實(shí)際診斷和維修經(jīng)驗(yàn)以結(jié)點(diǎn)和閾值的方式存儲(chǔ)在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，再通過(guò)樣本訓(xùn)練，組成隱式知識(shí)庫(kù)，能較好地模擬專家憑借經(jīng)驗(yàn)和直覺(jué)完成不確定性診斷推理的過(guò)程。另外，通過(guò)不斷對(duì)新故障的迭代學(xué)習(xí)，不斷增強(qiáng)知識(shí)庫(kù)的完整性，克服了傳統(tǒng)專家系統(tǒng)中存在的“知識(shí)窄臺(tái)階問(wèn)題”。

3.2 智能人機(jī)交互

人機(jī)交互界面(human-computer interface，HCI)是人—機(jī)—環(huán)之間交流信息的重要接口。變流站閥廳中機(jī)器較為龐雜，所需傳遞信息較多，這就要求人機(jī)界面能短時(shí)間內(nèi)將最重要信息傳達(dá)給用戶，進(jìn)而做出迅速而準(zhǔn)確的反應(yīng)。因考慮視覺(jué)注意機(jī)制在人機(jī)交互中的重要作用，將約80 %的信息以圖像形式顯示于人機(jī)界面，有利于提高用戶信息處理能力，降低疲勞。

人機(jī)界面主要分為4部分：

(1) 二維電子地圖，實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人在電子地圖上的位置，可實(shí)時(shí)記錄、下傳、導(dǎo)出，可在電子地圖上根據(jù)任務(wù)標(biāo)定機(jī)器人巡視路線在任務(wù)中實(shí)時(shí)反映任務(wù)進(jìn)度；

(2) 實(shí)時(shí)顯示熱成像圖像和高清圖像；

(3) 當(dāng)前任務(wù)狀態(tài)信息，包括當(dāng)前巡檢點(diǎn)、已巡檢點(diǎn)、機(jī)器人本體當(dāng)前狀態(tài)(位置、速度、云臺(tái)位姿、相機(jī)當(dāng)前倍數(shù))；

(4) 報(bào)警信息(報(bào)警機(jī)器人、報(bào)警內(nèi)容、報(bào)警值、報(bào)警位置、報(bào)警時(shí)間以及相應(yīng)操作)。

本系統(tǒng)對(duì)最為重要的報(bào)警模塊進(jìn)行如下設(shè)計(jì)：通過(guò)環(huán)境感知云臺(tái)獲取閥廳內(nèi)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài);通過(guò)紅外相機(jī)獲取致熱性設(shè)備溫度數(shù)據(jù)；通過(guò)高清相機(jī)獲取設(shè)備外觀、開(kāi)關(guān)分合狀態(tài)、各種儀器儀表讀數(shù)等；通過(guò)高清拾音器獲得周圍環(huán)境音頻數(shù)據(jù)。將收集到的信息與專家系統(tǒng)中閾值相比對(duì)，自動(dòng)識(shí)別異常并報(bào)警顯示;系統(tǒng)支持通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)將音視頻信息存儲(chǔ)于服務(wù)器并能轉(zhuǎn)發(fā)至各客戶端。系統(tǒng)支持歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與趨勢(shì)分析，生成日志以供查看，能夠提前預(yù)測(cè)閥廳可能出現(xiàn)的設(shè)備故障和運(yùn)行環(huán)境缺陷，并及時(shí)發(fā)出預(yù)警信息通知后臺(tái)管理人員。另外，系統(tǒng)支持雙向語(yǔ)音對(duì)講，能滿足站內(nèi)人員與控制臺(tái)人員對(duì)講。

圖4 融合人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的專家系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

4 可靠性設(shè)計(jì)

考慮到本系統(tǒng)應(yīng)用于系統(tǒng)龐雜、設(shè)備多樣、電磁干擾強(qiáng)的換流站閥廳中，因此，對(duì)本系統(tǒng)有較高的可靠性要求。本換流站智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)能夠在如表1所示的環(huán)境中工作。

表1 工作環(huán)境要求

為了實(shí)現(xiàn)以上要求，在系統(tǒng)研制、硬件選擇上充分考慮了環(huán)境的復(fù)雜性因素，如表2所示。

表2 性能參數(shù)

5 應(yīng)用效果

在調(diào)試檢驗(yàn)階段，分別調(diào)試檢測(cè)：設(shè)備熱缺陷(人為制造)、開(kāi)關(guān)分合狀態(tài)、設(shè)備外觀異常以及儀表讀數(shù)的識(shí)別(開(kāi)關(guān)閉合異常用于測(cè)試巡檢系統(tǒng)的可見(jiàn)光部分的檢測(cè)功能)。該巡檢系統(tǒng)均能準(zhǔn)確檢測(cè)并在監(jiān)控后臺(tái)報(bào)警反饋，沒(méi)有誤報(bào)錯(cuò)報(bào)情況，與設(shè)計(jì)預(yù)期相吻合。系統(tǒng)制定有定期維護(hù)制度，工作人員每月和每季度對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行不同范圍的維護(hù)工作，包括檢查機(jī)器人的傳動(dòng)導(dǎo)軌的污損、設(shè)備灰塵清理、螺絲緊固、線路松動(dòng)處理、數(shù)據(jù)庫(kù)維護(hù)等。

在線巡檢機(jī)器人常規(guī)設(shè)置是每天定時(shí)自動(dòng)巡檢4次，也可以在后臺(tái)操作機(jī)器人實(shí)現(xiàn)臨時(shí)定點(diǎn)檢查設(shè)備狀態(tài)。雖然有了智能巡檢機(jī)器人的自動(dòng)巡檢工作，但不能完全替代人工的工作。操作人員在后臺(tái)監(jiān)管系統(tǒng)的運(yùn)行，對(duì)機(jī)器人巡檢過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的不確定問(wèn)題進(jìn)行確認(rèn)，必要的時(shí)候需要進(jìn)入閥廳人工巡檢通道進(jìn)行察看。機(jī)器人的投入，使工作人員進(jìn)入高電磁環(huán)境的頻率和作業(yè)時(shí)間大幅降低，不必要時(shí)無(wú)需再進(jìn)行人工巡檢。