基于巡檢機(jī)器人的變電站故障診斷系統(tǒng)

張曉龍,黃 寧,邵長(zhǎng)鋒

(中國(guó)恩菲工程技術(shù)有限公司,北京 100038)

0 前言

變電站的電力輸出系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行與安全性影響著全國(guó)的國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。變電站作為整個(gè)電力系統(tǒng)輸配電網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)重要工程場(chǎng)所,需對(duì)其運(yùn)行和維護(hù)投入一定人力成本以保障整個(gè)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。即需要實(shí)時(shí)對(duì)一切設(shè)備的運(yùn)行穩(wěn)定與安全性進(jìn)行巡檢,如若出現(xiàn)突發(fā)故障應(yīng)及時(shí)對(duì)相關(guān)設(shè)備維護(hù)人員發(fā)出預(yù)警,使其可以及時(shí)對(duì)設(shè)備進(jìn)行故障信息的判定與及時(shí)進(jìn)行設(shè)備的維護(hù)優(yōu)化。

但是迄今為止,多數(shù)變電站對(duì)其設(shè)備運(yùn)行時(shí)的安全性和穩(wěn)定性的診斷多為人工判定,這種方式存在人工工作強(qiáng)度較大,效率偏低等一系列缺點(diǎn)。隨著人工智能與大數(shù)據(jù)時(shí)代的發(fā)展,大部分一線崗位可以被智能工業(yè)化所替代,變電站這類(lèi)高度自動(dòng)化的行業(yè)對(duì)其設(shè)備的故障診斷亟需巡檢機(jī)器人來(lái)替代人工巡檢。采用智能化深度學(xué)習(xí)機(jī)器視覺(jué)算法,智能控制系統(tǒng),大數(shù)據(jù)處理故障信息等一系列人工智能技術(shù)模塊化功能的有機(jī)結(jié)合,替代一線的巡檢人員,相比于傳統(tǒng)的人工巡檢方式可達(dá)到高精度的數(shù)據(jù)檢測(cè)處理,和高效的智能故障診斷與預(yù)警。

本文基于變電站的特殊內(nèi)部環(huán)境,提出了將深度學(xué)習(xí)機(jī)器視覺(jué)算法,大數(shù)據(jù)分析技術(shù)與攜帶高清攝像頭,無(wú)感傳感器的巡檢機(jī)器人,有機(jī)結(jié)合的智能巡檢機(jī)器人變電站故障診斷系統(tǒng)?？商岣哐矙z機(jī)器人對(duì)變電站的設(shè)備故障檢測(cè)診斷實(shí)時(shí)性與高效性。

1 智能巡檢機(jī)器人

機(jī)器人技術(shù)是中國(guó)的戰(zhàn)略技術(shù)產(chǎn)業(yè),與自動(dòng)控制、圖像識(shí)別、智能學(xué)習(xí)等一系列尖端技術(shù)有關(guān)。根據(jù)《中國(guó)制造2025》規(guī)劃,工業(yè)機(jī)器人將被選定為十大重點(diǎn)領(lǐng)域之一,促進(jìn)劃時(shí)代的發(fā)展,促進(jìn)機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化,擴(kuò)大市場(chǎng)應(yīng)用,有效促進(jìn)新興機(jī)器人市場(chǎng)的成長(zhǎng),人力資源不足和電力設(shè)備的精細(xì)化運(yùn)維要求隨著時(shí)代的發(fā)展,變電站智能巡查機(jī)器人越來(lái)越重視。這將廣泛應(yīng)用于輸電設(shè)備的智能巡查、電力網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)評(píng)價(jià)和輔助決定,信息化、自動(dòng)化、將建立具有相互作用性的智能網(wǎng)絡(luò)。中國(guó)南方電網(wǎng)《智能技術(shù)在生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用方案》,明確了推進(jìn)變電站智能巡查機(jī)器人應(yīng)用的方案。

智能巡檢機(jī)器人具備高畫(huà)質(zhì)可視化光線攝像機(jī)、紅外線影像設(shè)備、高清攝影頭、環(huán)境監(jiān)測(cè)傳感器等智能檢測(cè)設(shè)備和智能分析算法軟件,完成快速數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)信息傳輸?shù)墓芾砜刂齐娐?智能分析和預(yù)警的決策反饋,取代人工檢測(cè),實(shí)現(xiàn)對(duì)電力設(shè)備狀態(tài)的自動(dòng)檢測(cè)和智能分析,提高電力設(shè)備質(zhì)量,對(duì)電力網(wǎng)和電力設(shè)備運(yùn)行的可靠性進(jìn)行研究,使用電力智能巡查機(jī)器人是電力網(wǎng)智能實(shí)現(xiàn)化的重要手段,也是未來(lái)智能電網(wǎng)發(fā)展的重要方向。

2 智能算法

隨著人工智能與大數(shù)據(jù)時(shí)代的飛速發(fā)展,在許多行業(yè)也均追隨“機(jī)器代替人”的發(fā)展形式。而主要分為兩種應(yīng)用領(lǐng)域的算法:用于深度學(xué)習(xí)中機(jī)器視覺(jué)智能算法,用于多維異構(gòu)數(shù)據(jù)的大數(shù)據(jù)分析算法。

2.1 機(jī)器視覺(jué)智能算法

近幾年來(lái),隨著產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整的深化,現(xiàn)代制造業(yè)的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換和升級(jí),越來(lái)越多的企業(yè)實(shí)施“機(jī)器人策略”,機(jī)器人在汽車(chē)、物流、航天航空、甚至在食品等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛,帶動(dòng)了相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,機(jī)器人是將機(jī)器設(shè)備、傳感器、識(shí)別、決策、控制等多種先進(jìn)技術(shù)匯聚在一起,組成具有一定智能化能力的自動(dòng)化設(shè)備或裝置。機(jī)器人技術(shù)及其應(yīng)用已經(jīng)成為科學(xué)技術(shù)和工業(yè)發(fā)展的必經(jīng)之路,具有重要的戰(zhàn)略意義。

機(jī)器視覺(jué)是自動(dòng)獲得目標(biāo)圖像,分析處理圖像特征,分析結(jié)果,獲得目標(biāo)知識(shí)并做出決定的系統(tǒng),運(yùn)動(dòng)目標(biāo)測(cè)試技術(shù)是機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)的功能之一,這是序列化圖像變化區(qū)域檢查和從背景圖像中提取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的過(guò)程。機(jī)器視覺(jué)的研究的目的,主要是在圖像排列中,與相機(jī)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)相比,提供后續(xù)目標(biāo)提取和追蹤具有說(shuō)服力的數(shù)據(jù)源,機(jī)器視覺(jué)算法是一般以特定的應(yīng)用場(chǎng)景為對(duì)象,目前還沒(méi)有適用于任何情況的通用算法。也就是說(shuō),所有的機(jī)器視覺(jué)算法都有自己的適用范圍。

2.2 大數(shù)據(jù)分析處理智能算法

大數(shù)據(jù)領(lǐng)域涉及很廣,其深化在工業(yè)領(lǐng)域中發(fā)生的大數(shù)據(jù),隨著信息化與產(chǎn)業(yè)化的深度融合,信息技術(shù)滲透到各個(gè)行業(yè)產(chǎn)業(yè)鏈的各個(gè)部分。例如條形碼、二維碼、傳播識(shí)別、產(chǎn)業(yè)傳感器、產(chǎn)業(yè)自動(dòng)控制系統(tǒng)、產(chǎn)業(yè)網(wǎng)絡(luò)等,企業(yè)資源規(guī)劃、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、計(jì)算機(jī)輔助制造、計(jì)算機(jī)輔助工程等在企業(yè)中廣泛應(yīng)用?；ヂ?lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)等下一代信息技術(shù)在產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用讓企業(yè)進(jìn)入新的發(fā)展階段,數(shù)據(jù)也日益豐富,尤其是在制造企業(yè)中,生產(chǎn)線處于高速運(yùn)行狀態(tài),大量數(shù)據(jù)在產(chǎn)業(yè)設(shè)備中產(chǎn)生。

模型和算法是大數(shù)據(jù)分析的兩個(gè)核心問(wèn)題,大數(shù)據(jù)分析模型的研究可以分為三個(gè)層次。描述分析,預(yù)測(cè)分析和規(guī)范分析,描述分析是分析和探索歷史數(shù)據(jù),說(shuō)明發(fā)生了什么事,這個(gè)階段包括發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)規(guī)則的集合,挖掘相關(guān)規(guī)則,描述模型發(fā)現(xiàn)和數(shù)據(jù)規(guī)則的視覺(jué)分析。預(yù)測(cè)分析用于預(yù)測(cè)未來(lái)的概率和趨勢(shì)。例如基于邏輯回歸的預(yù)測(cè)和分類(lèi)器的預(yù)測(cè)等,規(guī)范分析是基于預(yù)期結(jié)果和特定領(lǐng)域的場(chǎng)景、資源和過(guò)去以及當(dāng)前事件的知識(shí),對(duì)未來(lái)的決定提出建議。例如,以模擬為基礎(chǔ)的復(fù)雜系統(tǒng)分析和基于特定制約的最佳解決方案的生成等。

3 智能巡檢故障診斷系統(tǒng)

智能巡檢故障檢測(cè)系統(tǒng)采用深度學(xué)習(xí)視覺(jué)算法,大數(shù)據(jù)分析技術(shù)與攜帶高清攝像頭的巡檢機(jī)器人有機(jī)結(jié)合。通過(guò)深度學(xué)習(xí)對(duì)巡檢機(jī)器人攜帶的高清攝像頭采集圖像信息與多種傳感器采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行融合,再通過(guò)大數(shù)據(jù)分析算法,對(duì)變電站所有設(shè)備進(jìn)行故障實(shí)時(shí)智能檢測(cè)分析。智能巡檢故障檢測(cè)系統(tǒng)整體框圖如圖所示:

圖1 智能巡檢機(jī)器人故障檢測(cè)系統(tǒng)框圖

3.1 運(yùn)用深度學(xué)習(xí)機(jī)器視覺(jué)算法判定故障信息

機(jī)器視覺(jué)涉及到光學(xué)成像、視覺(jué)信息處理、人工智能以及機(jī)電一體化等相關(guān)技術(shù)。是很多高度自動(dòng)化的行業(yè)想實(shí)現(xiàn)智能化的一個(gè)必要技術(shù),機(jī)器視覺(jué)技術(shù)擁有精度高,實(shí)時(shí)化效能強(qiáng)等一系列優(yōu)點(diǎn),是智能機(jī)器人的重要驅(qū)動(dòng)力之一。隨著各種技術(shù)的不斷改進(jìn)和制造業(yè)對(duì)高品質(zhì)產(chǎn)品的需求不斷增加,圖像處理已主要用于工業(yè)電子裝配誤差檢測(cè),并逐漸應(yīng)用于制造業(yè),監(jiān)控,視覺(jué)導(dǎo)航,通訊等應(yīng)用。因此,研究成像技術(shù)對(duì)于促進(jìn)智能工業(yè)機(jī)器人的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展具有重要意義。

機(jī)器視覺(jué)技術(shù)應(yīng)用在巡檢機(jī)器人故障診斷系統(tǒng)中時(shí),主要表現(xiàn)在接收所有拍攝到的設(shè)備的各關(guān)鍵點(diǎn)特征圖像,由光學(xué)器件和非接觸傳感器進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別,并由深度學(xué)習(xí)算法從圖像中提取主要的特征信息,進(jìn)行分析處理,進(jìn)而實(shí)現(xiàn)識(shí)別和控制。將深度學(xué)習(xí)機(jī)器視覺(jué)算法與巡檢機(jī)器人有機(jī)結(jié)合,可使巡檢機(jī)器人在變電站巡檢故障時(shí),可以靈活與智能定位所有設(shè)備的故障關(guān)鍵位置,確保維護(hù)人員及時(shí)對(duì)發(fā)生故障的關(guān)鍵位置進(jìn)行維護(hù)處理。

圖2 智能巡檢系統(tǒng)判定故障位置原理圖

3.2 運(yùn)用大數(shù)據(jù)分析故障信息

隨著大數(shù)據(jù)與人工智能時(shí)代的飛速發(fā)展,將工業(yè)自動(dòng)化與大數(shù)據(jù)等技術(shù)的有機(jī)融合,可促進(jìn)行業(yè)走向數(shù)字化,智能化轉(zhuǎn)型并與大數(shù)據(jù)時(shí)代接軌。變電站所有設(shè)備發(fā)電系統(tǒng)復(fù)雜,設(shè)備高度集中,雖然建立了分布式控制系統(tǒng),生產(chǎn)實(shí)時(shí)信息系統(tǒng),但在應(yīng)用時(shí)大多停留在設(shè)備運(yùn)行的過(guò)程監(jiān)控統(tǒng)計(jì),報(bào)表與經(jīng)濟(jì)性能的計(jì)算階段,對(duì)其設(shè)備運(yùn)行時(shí)的故障診斷,預(yù)警等智能處理模塊相對(duì)薄弱。

通過(guò)巡檢機(jī)器人采集設(shè)備上的無(wú)感傳感器傳輸?shù)臄?shù)據(jù),并結(jié)合機(jī)器視覺(jué)所處理的結(jié)果。通過(guò)大數(shù)據(jù)分析技術(shù),采取針對(duì)性算法對(duì)變電站建立各類(lèi)的數(shù)據(jù)挖掘模型,設(shè)備分析模型,實(shí)時(shí)對(duì)變電設(shè)備進(jìn)行故障與運(yùn)行方式的預(yù)警與診斷。巡檢機(jī)器人結(jié)合機(jī)器視覺(jué)技術(shù)采集的圖像數(shù)據(jù)與變電站中的變壓器、高壓斷路器、隔離開(kāi)關(guān)、電容器、電抗器等設(shè)備的運(yùn)行數(shù)據(jù)(比如實(shí)時(shí)的電流與電壓數(shù)據(jù))進(jìn)行結(jié)合,產(chǎn)生大量的實(shí)時(shí)有效數(shù)據(jù)。在經(jīng)過(guò)大數(shù)據(jù)分析算法,可精準(zhǔn)分析出是否在此刻設(shè)備存在故障信息。如存在故障信息可及時(shí)通過(guò)巡檢機(jī)器人的預(yù)警系統(tǒng)及時(shí)通知相關(guān)的設(shè)備維護(hù)人員。

圖3 智能巡檢系統(tǒng)故障信息診斷原理圖

4 總結(jié)

本文基于當(dāng)前變電站設(shè)備故障檢測(cè)與故障診斷等技術(shù)還沒(méi)有進(jìn)入全部智能化。通過(guò)結(jié)合變電站的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境特征,提出一種智能巡檢機(jī)器人自主監(jiān)控與故障診斷檢測(cè)系統(tǒng)。采用深度學(xué)習(xí),大數(shù)據(jù)信息分析技術(shù)與攜帶高清攝像頭的有機(jī)結(jié)合,采取深度學(xué)習(xí)與大數(shù)據(jù)分析算法,對(duì)變電站所有設(shè)備進(jìn)行故障實(shí)時(shí)智能檢測(cè)分析,并可及時(shí)發(fā)出預(yù)警信號(hào)傳達(dá)給相關(guān)的維護(hù)人員。巡檢機(jī)器人變電站故障檢測(cè)系統(tǒng)對(duì)變電站的所有設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),分析故障信息并及時(shí)傳達(dá)故障信息具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。