基于智能傳感器的新型巡檢機器人應(yīng)用研究

宋曉帆 陳晨 樊慶玲 董平先 申燕飛

摘 要：目前，機器人巡檢技術(shù)的智能化程度很高，能夠解決變電站巡檢任務(wù)的艱巨性、重復(fù)性和高風(fēng)險所帶來的大部分問題。但是，由于作業(yè)現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境及天氣變化、巡檢對象的多樣性等原因，要求變電站巡檢機器人的作業(yè)能力和作業(yè)范圍覆蓋變電站巡檢任務(wù)的所有方面是不現(xiàn)實的。因此，本文主要研究了用于檢測變電站設(shè)備狀態(tài)以及彌補變電站巡檢機器人作業(yè)范圍不足的新型智能傳感器，并將變電站巡檢機器人、現(xiàn)有變電站狀態(tài)檢測系統(tǒng)和新型智能傳感器進行協(xié)同和信息融合，構(gòu)建了變電站智能化人工智能巡檢體系。

關(guān)鍵詞：變電站巡檢機器人;智能傳感器;智能傳感器自主協(xié)同網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）10-0019-03

Abstract： At present， the robotic inspection technology is highly intelligent， it could solve majorities of problem because of the difficult，repetitive high-risk inspection tasks in substation. However， on account of the complicated environment or weather variations and diversities of patrol object in the working site， it is unpractical that the patrol robot can cover all substation inspection tasks not only working capacity but also the operating area. Therefore， this paper mainly studied the new intelligent sensor used to monitor equipment in substation and made up the insufficient scope of operation， and unitied substation patrol robot with condition monitoring system at present with new-type intelligent sensor to form artificial intelligence inspection system in substation.

Keywords： substation patrol robot; intelligent sensor; intelligent sensor autonomous collaborative network

1 概述

目前，我國大多數(shù)220kV及以下電壓等級的變電站已經(jīng)實現(xiàn)了無人值班，但是，電網(wǎng)公司仍然面臨著變電站巡視檢查工作的巨大壓力。與此同時，傳統(tǒng)變電站人工巡視檢查模式的不足也逐步凸顯，存在勞動強度大、巡視檢查效率低、人工成本高、易受到巡視人員的技術(shù)背景和經(jīng)驗影響等問題。因此，采用各種先進技術(shù)和方法實現(xiàn)自動巡檢并進行智能化判斷提升變電站運維的自動化水平是變電站公司的重大需求，也是未來發(fā)展方向。拓展變電站巡檢機器人的能力，研制新型智能傳感器，構(gòu)建多系統(tǒng)協(xié)同的變電站人工智能巡檢體系，不僅是電力系統(tǒng)的發(fā)展需要，也是新技術(shù)發(fā)展和應(yīng)用的必然趨勢[1-4]。

2 智能傳感器技術(shù)應(yīng)用

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并將檢測感受到的信息，按一定規(guī)律變換成電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

2.1 新型智能傳感器

相關(guān)變電站公司針對變電站巡檢機器人存在多種巡檢盲點的實際情況，考慮到現(xiàn)有變電站電氣設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)的覆蓋范圍，研制出新型壓力智能傳感器、超聲波智能傳感器、指針式表計自動讀值傳感器以及端子箱綜合傳感器等，這是實現(xiàn)變電站巡檢全覆蓋的必然要求。

基于圖像識別的指針式表計自動讀值傳感器是對于指針儀表圖像，根據(jù)機器視覺技術(shù)和圖像處理相關(guān)技術(shù)，采用深度學(xué)習(xí)的方式，對所拍攝的儀表圖片進行分類，采用帶色彩恢復(fù)的多尺度Retinex算法提高處理程序的光照魯棒性;根據(jù)小孔成像原理，采用正視變換算法提高處理程序的拍攝角度魯棒性能;采用Hough變換算法配合圖像處理中的自適應(yīng)二值化和細化等算法獲取儀表指針示數(shù)[5]。通過在主變上安裝指針式表計自動讀數(shù)傳感器，可從變壓器指針表計上讀取數(shù)據(jù)，傳輸數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對指針式表計的自動讀取功能。如圖1所示。

2.2 構(gòu)建智能傳感器自主協(xié)同網(wǎng)絡(luò)

由現(xiàn)有電氣設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)、壓力智能傳感器、超聲波智能傳感器、指針式表計自動讀值傳感器和端子箱綜合檢測智能傳感器構(gòu)建智能傳感器自主協(xié)同網(wǎng)絡(luò)。智能傳感器網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)研究，根據(jù)智能傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋面及通信接入點選擇網(wǎng)絡(luò)物理結(jié)構(gòu)，結(jié)合協(xié)同作業(yè)需求制定信息交換模式、通信協(xié)議和通信接口形式。智能傳感器網(wǎng)絡(luò)將采用多個傳感器有線通信鏈路匯集、無線通信接口多點接入的方式。

3 變電站模塊式布點巡檢覆蓋面

針對220kV變電站，采用如圖2所示的平面布局圖進行覆蓋面校驗，具體步驟如下。①根據(jù)變電站平面布置的模塊式分區(qū)情況，明確設(shè)備巡檢內(nèi)容。第一，220kV配電區(qū)位于站區(qū)南側(cè)，采用戶外雙I型HGIS設(shè)備，主要檢測對象為HGIS設(shè)備溫度、氣體密度等指標。第二，110kV配電區(qū)位于站區(qū)北側(cè)，采用戶外改進型單母線分段HGIS雙列布置，主要檢測對象為HGIS設(shè)備的溫度、氣體密度等指標。第三，站區(qū)中部區(qū)域布置主變壓器、10kV配電裝置室、二次設(shè)備室等，電容器組豎列布置于站區(qū)西側(cè)，主要檢測對象包括主變壓器油位、油面溫度、繞組溫度、散熱片情況及其他設(shè)備溫度和濕度。②將包含上述檢測對象的電氣設(shè)備指針式表計裝置、具有無線通信接口的智能傳感器以及設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)的接入裝置作為巡檢定位分析點，以圓點代表。③利用配電區(qū)之間的環(huán)形道路作為變電站巡檢機器人的巡檢通道。通過巡檢路徑規(guī)劃，達到變電站設(shè)備巡檢全覆蓋[6-10]。

4 智能巡檢機器人

4.1 機器人技術(shù)應(yīng)用

變電站巡檢機器人未來發(fā)展趨勢是機器人與人工智能的深度融合以及與變電站電氣設(shè)備技術(shù)的協(xié)同。隨著人工智能的迅猛發(fā)展，智能化方法能模擬人的經(jīng)驗，逼近非線性，具有自組織、自學(xué)習(xí)功能，并具有一定的容錯能力。這些方法應(yīng)用于路徑規(guī)劃會使變電站巡檢機器人在動態(tài)環(huán)境中更靈活、更智能。同時，變電站電氣設(shè)備狀態(tài)檢測技術(shù)與變電站巡檢機器人數(shù)據(jù)協(xié)同將為智能變電站和無人值守變電站提供創(chuàng)新性的技術(shù)檢測手段和全方位的安全保障，更快地推進變電站無人值守的進程。

4.2 機器人自主巡檢路徑規(guī)劃技術(shù)

4.2.1 技術(shù)原理。自主導(dǎo)航控制是移動機器人技術(shù)的基本環(huán)節(jié)，也是巡檢機器人執(zhí)行任務(wù)的首要必備條件。機器人路徑自主規(guī)劃技術(shù)中GPS定位尋跡技術(shù)，主要原理是利用圍繞地球運轉(zhuǎn)的衛(wèi)星與用戶設(shè)備之間的距離隨導(dǎo)航時間坐標的變化值，從GPS導(dǎo)航信息中求解出衛(wèi)星的位置信息，從而在接收機中求解出載體的位置信息。

4.2.2 基于220kV變電站設(shè)計方案的機器人巡檢路徑優(yōu)化。①優(yōu)化充電室位置。充電室是機器人的能源補充場所。本次設(shè)計方案中綜合考慮巡檢機器人的充電室位置，具體優(yōu)化如下：第一，合理選取充電室位置，結(jié)合變電站設(shè)計方案，將機器人充電室布置于220kV配電區(qū)東北角，位于變電站中部區(qū)域且緊鄰主干道路，確保機器人每次從充電室出發(fā)完成單個巡檢任務(wù)的巡檢路程盡量接近，便于各區(qū)域最短路徑規(guī)劃;第二，充電室避免布置于母線正下方，以免對無線通信產(chǎn)生影響。②巡視路徑規(guī)劃。第一，分區(qū)域設(shè)置巡視路線，可均勻分配各配電區(qū)充電時間和巡視時間，確保站內(nèi)一次、二次設(shè)備全覆蓋;第二，全局路線規(guī)劃，即以路徑長度最短、轉(zhuǎn)彎次數(shù)最少、綜合策略最優(yōu)為標準，每條軌道的巡檢點應(yīng)統(tǒng)一放置在軌道一側(cè)，并選擇距離設(shè)備較近的道路進行巡視，同一條道路盡量不走往返，減少機器人行走路程與轉(zhuǎn)彎次數(shù);第三，局部路徑規(guī)劃，在全局規(guī)劃的基礎(chǔ)上，對采集到的周圍環(huán)境數(shù)據(jù)進行綜合分析，給出機器人實時路徑信息，即運動速度和轉(zhuǎn)向角命令[11]。

5 結(jié)語

智能傳感器采用巡檢機器人取代人工巡檢，能夠更有效地保證設(shè)備的巡視質(zhì)量，提高工作效率，降低運行人員的工作強度，并集中解決惡劣天氣下巡檢難度大和安全風(fēng)險高的問題。作為一種在無人值守變電站推廣應(yīng)用的新型技術(shù)檢測手段，能夠進一步提高國家電網(wǎng)公司巡檢工作的可靠性和安全性。本文的研究將實現(xiàn)變電站巡檢機器人、新型智能傳感器以及現(xiàn)有變電站設(shè)備狀態(tài)檢測系統(tǒng)的多系統(tǒng)自主協(xié)同合作，有效提升各系統(tǒng)的綜合應(yīng)用效果，大大提高變電站設(shè)備狀態(tài)檢修的工作效率，降低電力巡檢過程所帶來的安全風(fēng)險，從而提高電網(wǎng)公司變電站運維的自動化水平和安全水平。同時，也為建立更加完善的變電站智能化運維體系打下良好的技術(shù)基礎(chǔ)[12]。

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