智能聯(lián)合巡檢在220千伏磐石變電站的運用

國網(wǎng)溫州供電公司 葛志超 趙壽生 朱如察 吳尊飛 薛向陽

當前，隨著智能化的快速發(fā)展大多數(shù)變電站巡檢和工作都開始趨向無人化，國家電網(wǎng)提出聯(lián)合巡檢系統(tǒng)投建，其技術(shù)要點主要包含設(shè)備實時監(jiān)控、設(shè)備自動巡檢、智能識別、系統(tǒng)智能聯(lián)動等。在全國各地進行了試點投建的推進，新的技術(shù)和智能化的改進，減輕運維人員的壓力和提高了工作效率，同時還保證了變電站的安全穩(wěn)定運行。智能聯(lián)合巡檢系統(tǒng)的建設(shè)主要以四足機器人、輪式機器人、無人機的自動定位巡視技術(shù)、視頻的智能識別技術(shù)、熱成像技術(shù)等智能感知設(shè)備為信息采集主體，兼具其他智能巡檢設(shè)備接入進行的聯(lián)合巡檢。該聯(lián)合巡檢系統(tǒng)應(yīng)用后實現(xiàn)以下功能：

實現(xiàn)以機器替代人工作業(yè)。通過一鍵輪巡實現(xiàn)報表數(shù)據(jù)自動生成或者無需人工抄表、實現(xiàn)設(shè)備運行狀態(tài)工況在線實時監(jiān)控、實現(xiàn)人機協(xié)調(diào)工作減輕運維人員工作量和降低運維人員的危險性；通過智能在線輔控系統(tǒng)功能得到進一步加強和完善，對變電站所有的儀表進行實時精確的監(jiān)控和讀取，并能根據(jù)視頻圖像進行智能分析，對儀表讀數(shù)超過警戒值時智能報警[1]。能夠有效對變電站各種斷路器和隔離開關(guān)的分合指示狀態(tài)進行智能分析和判別；通過四足機器人、輪式機器人、無人機的自動定位巡視技術(shù)、視頻的智能識別技術(shù)、熱成像技術(shù)等，實現(xiàn)表計識別、設(shè)備測溫、設(shè)備外觀巡檢、開關(guān)指示識別、設(shè)備缺陷識別、和環(huán)境檢測等基礎(chǔ)常規(guī)功能。此外，可基于就地應(yīng)用情況再通過后臺數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)深計算、趨勢分析與故障預判等功能，來逐步完善專家系統(tǒng)。

1 聯(lián)合巡檢系統(tǒng)基礎(chǔ)感知層功能的建設(shè)

1.1 網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)與安全防護的建設(shè)

1.1.1 網(wǎng)絡(luò)框架結(jié)構(gòu)建設(shè)

該結(jié)構(gòu)主要由巡視系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、四足巡檢系統(tǒng)、三維系統(tǒng)、巡檢機器人系統(tǒng)、無人機巡檢系統(tǒng)等組成，基于四足機器人、巡檢機器人和視頻監(jiān)控系統(tǒng)并依靠系統(tǒng)內(nèi)智能識別算法開展室內(nèi)外設(shè)備聯(lián)合巡檢。同時具備對外接口，支持以IEC104規(guī)約與第三方系統(tǒng)對接；無人機主機系統(tǒng)在該變電站需要高精度定位所以連接的是因特網(wǎng)外網(wǎng)[2]，目前狀態(tài)是該網(wǎng)絡(luò)暫時獨立運行；主站視頻系統(tǒng)還是利用站端視頻服務(wù)器接收原有的視頻錄像機。其中該聯(lián)合巡檢系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)框架圖如1。

巡視系統(tǒng)：保持與上級系統(tǒng)的通信狀態(tài)，同時還接收下達的巡檢、控制指令，上傳巡檢數(shù)據(jù)和結(jié)果等。下一級再與機器人主機等智能設(shè)備進行通信，下達巡檢、控制指令，接收巡檢數(shù)據(jù)、設(shè)備狀態(tài)、視頻錄像等數(shù)據(jù)；與新建視頻錄像機通信，下達預置位控制指令、圖像抓拍指令，接收巡檢數(shù)據(jù)圖片、視頻錄像等數(shù)據(jù)；巡檢機器人系統(tǒng)：由機器人主機本體系統(tǒng)和外巡檢機器人組成，巡檢機器人上搭載數(shù)據(jù)采集裝置如：可見光攝像機、紅外線熱，成像儀、對講系統(tǒng)等，在接收到指令后進行執(zhí)行設(shè)備巡檢工作并上傳巡檢采集到的數(shù)據(jù)、機器人工作實時狀態(tài)數(shù)據(jù)、視頻錄像等數(shù)據(jù)。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)：由視頻監(jiān)控主機、硬盤錄像機及各類攝像機等組成。硬盤錄像機接入進行存儲各類攝像機拍攝到的視頻信息并將視頻數(shù)據(jù)上送至視頻監(jiān)控主機，視頻監(jiān)控主機實現(xiàn)站內(nèi)視頻預覽、控制、管理、聯(lián)動和上傳功能；三維系統(tǒng)：由三維主機和三維管理平臺組成。通過激光點云掃描和實時取景的三維結(jié)構(gòu)搭建，實現(xiàn)直觀及融合的220千伏磐石變電站三維實景圖智能可視化管控；無人機巡檢系統(tǒng)：由無人機主機主體、無人機、機巢等組成，無人機搭載可見光攝像機、紅外熱成像等設(shè)備，接收指令開展巡檢并上傳巡視結(jié)果；四足機器人巡檢系統(tǒng)：由主機和四足機器人組成，四足機器人搭載可見光攝像機、紅外熱成像等設(shè)備，接收指令開展巡檢并上傳巡視結(jié)果。

1.1.2 安全防護建設(shè)

針對安全防護建設(shè)主要采用內(nèi)網(wǎng)聯(lián)接，其具體安全措施如下：使用物理專線建設(shè)專用信息網(wǎng)絡(luò)，借助物理線路的封閉性保護內(nèi)部數(shù)據(jù)；使用安全模塊與安全接入平臺，對室內(nèi)輪式機器人、室外輪式機器人、四足機器人等使用無線網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備，在無線發(fā)射前通過安全模塊加密，在接收端匯集后通過安全接入平臺解密，構(gòu)建以加密技術(shù)、訪問控制技術(shù)為主體的專用網(wǎng)絡(luò)；安全防護建設(shè)采用獨立專用和帶防火墻的網(wǎng)絡(luò)，對無人機平臺需聯(lián)接因特網(wǎng)的設(shè)備實行單獨運行機制，徹底斷開與內(nèi)網(wǎng)的聯(lián)接[3]。

1.2 變電站機器人功能的建設(shè)

該220千伏磐石變電站機器人主要以室內(nèi)、室外、四足機器人為主構(gòu)建，其具體功能建設(shè)如下：

室外機器人系統(tǒng)建設(shè)：室外巡檢機器人是采用的一款智能無軌化導航機器人，其主要搭載紅外線熱成像儀、可見光高清攝像機、交互式實時對講平臺、供電停障系統(tǒng)等。該系統(tǒng)采用自主研發(fā)可配置軟硬件平臺控制，包含輪式巡檢機器人本體、四輪獨立驅(qū)動四轉(zhuǎn)越野底盤、磷酸鐵鋰電池供電單元、傳感單元、控制單元及定位導航單元共同組成。四輪獨立驅(qū)動越野底盤驅(qū)動能力強，負載能力高，可適應(yīng)不同路況并能攀越陡坡；供電單元輸送智能巡檢機器人各功能模塊所需電源電壓及電流，確保智能巡檢機器人正常工作；傳感單元系統(tǒng)包括工業(yè)級高清晰彩色攝像機、非致冷焦平面紅外線熱像儀和室外全方位數(shù)字云臺，實現(xiàn)原人工巡檢中查看表計、觸頭溫度、變壓器聲音等業(yè)務(wù)功能；控制單元是智能巡檢機器人的中控控制系統(tǒng)，負責對各傳感數(shù)據(jù)進行集中處理、運算及對執(zhí)行機構(gòu)進行控制；導航單元采用3D 激光雷達進行360°定位導航，分別通過3D 激光雷達裝置獲取到的移動平臺周邊實時環(huán)境的三維數(shù)據(jù)、通過慣性測量裝置獲取到的所述移動平臺的慣性數(shù)據(jù)、通過里程計裝置獲取到的所述移動平臺的距離數(shù)據(jù)，生成三維激光點云實景地圖[4]；根據(jù)所述三維激光點云實景地圖計算出當前移動平臺的坐標位置，實現(xiàn)更精確的無軌化導航運動方式。

室內(nèi)輪式機器人：室內(nèi)輪式機器人配置機械伸縮臂，可實現(xiàn)室內(nèi)GIS 室設(shè)備、柜體高出位置的可見光和紅外圖像巡檢，并統(tǒng)一接入智能巡檢機器人與高清視頻聯(lián)合巡檢系統(tǒng)。室內(nèi)輪式智能巡檢機器人基于2D 激光導航技術(shù)和運動兩驅(qū)底盤，并集先進的信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、傳感器技術(shù)、機器人技術(shù)等多種高科技技術(shù)為一體，包含安全防護單元、底盤及驅(qū)動單元、供電單元、主控單元、通訊單元、云臺業(yè)務(wù)模塊單元等模塊，具備智能化、集群化、耐高寒與高溫、運行時長的優(yōu)勢[5]。智能巡檢機器人主要有自主巡檢、遙控巡檢、高清可見光視頻監(jiān)控、紅外測溫、室內(nèi)環(huán)境聲音采集、SF6泄露檢測、可見光圖像智能判別、巡檢報表分析與歷史數(shù)據(jù)分析等功能，在無人值守的環(huán)境中代替工作人員來完成室內(nèi)的巡檢任務(wù)。能夠識別表計、及時發(fā)現(xiàn)電力設(shè)備的熱故障。

四足機器人系統(tǒng)建設(shè)：四足機器人由四足肢體和身體框架結(jié)構(gòu)兩個部分。四足肢體部分是每只足有3個關(guān)節(jié)共計12個關(guān)節(jié)，其中關(guān)節(jié)由大功率直流電動機、精密減速箱機構(gòu)和絕對式旋轉(zhuǎn)編碼器等組成，作用就是可提供強大的關(guān)節(jié)運動能力、較佳的力量控性以及高準確性的角度反饋信息，滿足各種動態(tài)運動控制和步態(tài)規(guī)劃開發(fā)的需要如：爬行、行走、跑、跳等。身體部分由本體框架、電氣-傳感系統(tǒng)（嵌入式工控機PICO-WHU4）、運動控制系統(tǒng)（嵌入式工控機PICO-KBU4）、視覺感知系統(tǒng)（包括激光雷達、一體化云臺、可見光攝像儀、紅外熱像儀）、高速網(wǎng)絡(luò)通訊系等部分組成，滿足各種感知伺服算法開發(fā)的硬件條件需要。而四足機器人系統(tǒng)建設(shè)其主要功能又包含視頻監(jiān)控、紅外測溫功能、無人化自主充電、常規(guī)及特殊巡檢、設(shè)備狀態(tài)查詢及歷史數(shù)據(jù)分析、機器人管控、站內(nèi)設(shè)備管控、協(xié)助應(yīng)急事故處理、實時巡檢信息、輔助功能等。

1.3 變電站視頻監(jiān)控功能的建設(shè)

該變電站主要采用三種形式攝像機分別為：熱成像雙光譜網(wǎng)絡(luò)智能球形攝像機、智能半球型網(wǎng)絡(luò)攝像機、紅外雙光卡片式攝像機。在視頻監(jiān)控設(shè)備通信組網(wǎng)方案如下：在攝像頭布置較為集中的點位，采用工業(yè)用交換機及普通以太網(wǎng)交換機集中接入。工業(yè)用交換機主要應(yīng)用于戶外一些設(shè)備裝置區(qū)的攝像頭網(wǎng)線的接入，而普通以太網(wǎng)交換機主要用于室內(nèi)一些設(shè)備裝置監(jiān)控攝像頭網(wǎng)線的接入。工業(yè)交換機上行口通過千兆SFP 光模塊連接多種模塊光纜接入，現(xiàn)位于主控室的新增核心交換機千兆SFP 光模塊內(nèi)；在攝像頭布置較為分散的點位，通過多種模塊光纜接入主控室內(nèi)，再經(jīng)光電轉(zhuǎn)換模塊接入到視頻交換機中，實現(xiàn)了光電轉(zhuǎn)換功能；對于系統(tǒng)新增巡檢服務(wù)器、視頻服務(wù)器、微型安全接入網(wǎng)關(guān)等采用統(tǒng)一接入到核心交換機。

1.4 變電站無人機功能的建設(shè)

該變電站無人機采用全自動分析的智能系統(tǒng)包含無線傳輸技術(shù)、自動化控制技術(shù)、圖像分析技術(shù)、數(shù)據(jù)管理技術(shù)等其它先進技術(shù)于一體的智能巡檢系統(tǒng)，可以不依賴于現(xiàn)場人工操作，即可完成無人機自動巡檢工作或者下達的指令。該系統(tǒng)組成主要由中心系統(tǒng)、固定機場、無人機及其掛載三大部分組成，其主要功能包含用戶管理、資源管理、任務(wù)管理、實時監(jiān)控。

2 聯(lián)合巡檢軟件功能及對外接口的建設(shè)

聯(lián)合巡檢軟件功能建設(shè)內(nèi)包含安全中心、數(shù)據(jù)中心、任務(wù)中心、配置管理、臺賬管理、統(tǒng)計中心、監(jiān)控中心等部分，在根據(jù)巡檢業(yè)務(wù)需要形成數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、任務(wù)管理、巡視監(jiān)控、巡視結(jié)果確認、巡視結(jié)果分析、智能聯(lián)動、臺賬管理、配置管理九大功能模塊。

同時該軟件系統(tǒng)具備高擴展性：通過TCP 與FTPS 接口協(xié)議，支持接入各種智能巡視設(shè)備，實現(xiàn)巡視設(shè)備的控制與巡視數(shù)據(jù)的傳輸；通過TCP 與FTPS 接口協(xié)議與上層系統(tǒng)對接，實施任務(wù)與巡視結(jié)果數(shù)據(jù)傳輸；通過UDP 協(xié)議與第三方系統(tǒng)對接，實現(xiàn)聯(lián)動控制信號的接入。系統(tǒng)內(nèi)含圖像識別算法,實現(xiàn)表計讀數(shù)、開關(guān)類設(shè)備位置指示以及壓板、空開、把手、指示燈等設(shè)備狀態(tài)智能識別，實現(xiàn)鳥窩、風飄物、箱門未關(guān)、未戴安全帽等缺陷類與安全風險類識別。系統(tǒng)亦支持對接聲紋識別、氣體分析等各種智能算法，擴展系統(tǒng)智能分析能力[6]。接入三維實景主機后，可實現(xiàn)巡視作業(yè)可視。

物理接口：巡檢主機與主站、智能巡檢設(shè)備間通信采用100M/1000M 自適應(yīng)以太網(wǎng)電口物理介質(zhì)的通信接口；接口協(xié)議：巡檢采集的可見光拍攝的照片、紅外線成像儀的圖譜、音頻交換等文件傳輸，都遵照FTPS 安全文件傳輸規(guī)范執(zhí)行；控制指令、查詢指令、巡檢結(jié)果數(shù)據(jù)、機器人狀態(tài)數(shù)據(jù)、微氣象狀態(tài)數(shù)據(jù)等傳輸通信遵循TCP 傳輸協(xié)議；巡視主機與第三方系統(tǒng)支持以IEC104規(guī)約對接。

3 結(jié)語

智能聯(lián)合巡檢在220千伏磐石變電站的運用后實現(xiàn)變電站工作現(xiàn)場無人化巡檢、智能化告警、可視化管理，避免人工巡檢時出現(xiàn)的不及時、不到位、不準確等各種人為缺陷，降低人工巡檢和維護的勞動強度和工作量，避免巡檢運維人員在惡劣氣體環(huán)境下長時間工作，提升綜合管廊運行的安全性和運維效率。