基于機(jī)器人的變電站物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究綜述

陳纓 吳天寶 馬小敏 劉小江 劉益岑

摘要：本文首先分析了變電站智能化發(fā)展方向;進(jìn)一步地，介紹了目前國內(nèi)外變電站巡檢機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀;最后基于巡檢機(jī)器人的發(fā)展水平，利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，分析了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在智能變電站中各個(gè)方面的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：變電站;巡檢機(jī)器人;物聯(lián)網(wǎng)

1 引言

20世紀(jì)80年代以來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的騰升，電力系統(tǒng)在社會(huì)發(fā)展中的比重越來越大。人民生活水平的不斷提升，對(duì)于安全、可靠、連續(xù)的電能需求也日益增加。而一旦電網(wǎng)發(fā)生故障出現(xiàn)大面積的停電事故，將會(huì)給社會(huì)帶來非常嚴(yán)重的損失。為了避免大停電事故的發(fā)生，保障電力系統(tǒng)穩(wěn)定安全的運(yùn)行，并滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)于電能質(zhì)量的要求，在電網(wǎng)發(fā)生故障以后，快速準(zhǔn)確找出故障元件，減少停電時(shí)間，保障電網(wǎng)供電的可靠性是主要任務(wù)之一。通過以物聯(lián)網(wǎng)和人工智能為基礎(chǔ)，以變電站智能巡檢機(jī)器人為依托，結(jié)合在線狀態(tài)檢測(cè)設(shè)備，開發(fā)機(jī)器人與智能運(yùn)檢管控系統(tǒng)數(shù)據(jù)接口，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與智能運(yùn)檢信息互聯(lián)，對(duì)保障變電站安全、穩(wěn)定運(yùn)行具有重要意義。

2 變電站巡檢機(jī)器人技術(shù)

以智能機(jī)器人服務(wù)于變電站巡檢是當(dāng)前國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，研究?jī)?nèi)容包括機(jī)器人自主定位和導(dǎo)航、任務(wù)路徑規(guī)劃等。在國外，日本學(xué)者2003年率先提出了變電站巡檢機(jī)器人的研究方案并完成了實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)。2005年Birk 等研制了軌道式變電站巡檢機(jī)器人，并在美國西部電力公司投入應(yīng)用，有效實(shí)現(xiàn)了變電站電氣設(shè)備的紅外測(cè)溫。Carnegie等提出了一種由光纖陀螺、里程儀、加速度計(jì)、激光雷達(dá)、差分GPS和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)構(gòu)成的導(dǎo)航系統(tǒng)，基于差分GPS定位、航位推算導(dǎo)航原理設(shè)計(jì)了該組合導(dǎo)航系統(tǒng)軟件，實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能為變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人提供連續(xù)、實(shí)時(shí)、較高精度的導(dǎo)航定位;Suzuki等提出基于機(jī)器視覺與3D像素地圖的移動(dòng)機(jī)器人導(dǎo)航定位方法，并將其應(yīng)用于變電站設(shè)備巡檢，取得比常規(guī)方法更好的定位精度;Gueaieb等提出了智能移動(dòng)機(jī)器人的RFID定位方法，為變電站巡檢機(jī)器人的精確定位提供了新思路;Katrasnik設(shè)計(jì)了一種基于視覺的變電站智能巡檢機(jī)器人，并通過現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)證明了其有效性; Park 等對(duì)巡檢機(jī)器人的的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了分析與展望，指出在巡檢機(jī)器人上應(yīng)用仿人立體視覺技術(shù)將會(huì)有效地提升變電設(shè)備狀態(tài)監(jiān)控的智能化程度，是巡檢機(jī)器人的發(fā)展方向。

我國起步較晚，2007年出現(xiàn)了變電站巡檢機(jī)器人的研究報(bào)道，魯守銀等提出了一種巡檢機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)，給出了基于該體系結(jié)構(gòu)的車體運(yùn)動(dòng)學(xué)建模和避障算法;矯德余等研制了嵌入式系統(tǒng)的巡檢機(jī)器人，該系統(tǒng)攜帶紅外熱像儀、可見光攝像機(jī)等檢測(cè)設(shè)備，基于磁軌跡實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑規(guī)劃和雙向行走，以自主或遙控方式實(shí)現(xiàn)站內(nèi)一次設(shè)備溫度的自動(dòng)巡檢，肖鵬等針對(duì)現(xiàn)有云臺(tái)產(chǎn)品無法滿足變電站現(xiàn)場(chǎng)巡檢要求這一情況，設(shè)計(jì)了巡檢機(jī)器人云臺(tái)控制系統(tǒng)并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)的有效性;王建元等針對(duì)無人值守變電站遙視系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化和智能化多點(diǎn)監(jiān)測(cè)趨勢(shì)，結(jié)合巡檢機(jī)器人技術(shù)，提出一種基于圖論的智能尋跡方案并利用基于傳遞閉包理論的路徑搜索算法，對(duì)各檢測(cè)點(diǎn)關(guān)聯(lián)信息進(jìn)行關(guān)聯(lián)路徑搜索，為智能巡檢提供了新思路。當(dāng)前機(jī)器人研究以伺服控制等研究為主，對(duì)變電站設(shè)備的智能分析研究較弱。

3 機(jī)器人與運(yùn)檢管控系統(tǒng)間的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)機(jī)器人和運(yùn)管平臺(tái)信息互通協(xié)同控制的關(guān)鍵技術(shù)。智能變電站的發(fā)展促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在變電站監(jiān)測(cè)中的初步應(yīng)用。智能化的變電站監(jiān)測(cè)，首先依賴于電網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)重要運(yùn)行參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)信息掌控，物聯(lián)網(wǎng)作為推動(dòng)智能電網(wǎng)發(fā)展的信息感知和“物物互聯(lián)”重要技術(shù)手段，已經(jīng)在電力設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測(cè)、智能巡檢等方面得到應(yīng)用。電網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)重要運(yùn)行參數(shù)的在線監(jiān)測(cè)，對(duì)設(shè)備狀態(tài)的預(yù)測(cè)、預(yù)防、調(diào)控，基于可靠監(jiān)控信息，建立電網(wǎng)各個(gè)環(huán)節(jié)的輔助決策和配電環(huán)節(jié)的智能決策。而這些智能化任務(wù)的實(shí)現(xiàn)，必須依托于透徹的信息感知、可靠的數(shù)據(jù)傳輸、健全的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)及海量信息的智能管理和多級(jí)數(shù)據(jù)的高效處理等技術(shù)。

我國在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域的布局較早，中科院10年前就啟動(dòng)了傳感網(wǎng)研究，中科院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所、南京航空航天大學(xué)、西北工業(yè)大學(xué)等科研單位，目前正加緊研發(fā)"物聯(lián)網(wǎng)"技術(shù)。2009年10月，中國研發(fā)出首顆物聯(lián)網(wǎng)核心芯片---"唐芯一號(hào)"。2010年工信部和發(fā)改委出臺(tái)了系列政策支持物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，到2020年之前我國已經(jīng)規(guī)劃了3.86萬億元的資金用于物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。在國家重大科技專項(xiàng)、國家自然科學(xué)基金和"863"計(jì)劃的支持下，國內(nèi)新一代寬帶無線通信、高性能計(jì)算與大規(guī)模并行處理技術(shù)、光子和微電子器件與集成系統(tǒng)技術(shù)、傳感網(wǎng)技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)體系架構(gòu)及其演進(jìn)技術(shù)等研究與開發(fā)取得重大進(jìn)展。目前，北京、上海、江蘇、浙江、無錫和深圳等地都在開展物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展戰(zhàn)略研究，制定物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，出臺(tái)扶持產(chǎn)業(yè)發(fā)展的相關(guān)優(yōu)惠政策。

在物聯(lián)網(wǎng)與電力系統(tǒng)結(jié)合方面，從20世紀(jì)90年代開始，清華大學(xué)、西安交通大學(xué)、武漢大學(xué)、武漢高壓研究所等科研單位陸續(xù)開展了基于物聯(lián)網(wǎng)的輸電在線監(jiān)測(cè)技術(shù)研究。2009年4月開始，國網(wǎng)信息通信有限公司在智能用電方面率先開展工作，開展相關(guān)技術(shù)研究并在北京建立了智能用戶服務(wù)試點(diǎn)工程。智能用電服務(wù)試點(diǎn)工程主要基于光纖通信技術(shù)和電力線寬帶網(wǎng)絡(luò)技術(shù)構(gòu)建，采用雙向互動(dòng)智能表計(jì)、用戶智能交互終端等，建立用戶與電網(wǎng)之間實(shí)時(shí)連接、互動(dòng)開放的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)。從2009年開始，國家電網(wǎng)公司先后啟動(dòng)了智能變電站、狀態(tài)監(jiān)測(cè)與檢修、智能調(diào)度、配網(wǎng)自動(dòng)化、智能用電等試點(diǎn)工作，有力地扎動(dòng)了智能電網(wǎng)的建設(shè)，也促進(jìn)了物聯(lián)網(wǎng)在智能電網(wǎng)葉的應(yīng)用。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：國網(wǎng)四川省電力公司科技項(xiàng)目（項(xiàng)目號(hào)：521997180016）