變電站自動(dòng)化維護(hù)巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)＊

尹宏杰,謝逸逍,賈 燁,張瑞強(qiáng),郝文海

（內(nèi)蒙古電力（集團(tuán)）有限責(zé)任公司包頭供電局，內(nèi)蒙 包頭 014030)

1 引言

變電站的巡檢維護(hù)是保障變電站安全運(yùn)行、正常工作的主要操作之一。傳統(tǒng)的巡檢維護(hù)需要工作人員到各個(gè)變電站做定期檢查，需要收集大量運(yùn)行數(shù)據(jù)，一定程度上給變電站的日常維護(hù)帶來了困難。近幾年，自動(dòng)化技術(shù)不斷發(fā)展，變電站自動(dòng)化管理也被廣泛應(yīng)用。

周正欽等人提出了一種基于分層分布的變電站帶電運(yùn)維智能化技術(shù)及應(yīng)用[1]。該方法以分層分布和帶電檢測(cè)技術(shù)的設(shè)計(jì)理念為基礎(chǔ)，研究出了基于分層分布架構(gòu)的變電站智能維護(hù)系統(tǒng)，并給出維護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)作模式。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠有效的提高變電站維護(hù)的自動(dòng)化水平，提高變電站維護(hù)效率，但是該方法涉及理念和系統(tǒng)較多，導(dǎo)致系統(tǒng)較為復(fù)雜，不易操作。劉雁文等人提出一種基于決策樹的智能變電站運(yùn)維專家系統(tǒng)規(guī)則提取方法[2]。該方法將決策樹歸納學(xué)習(xí)與變電站維護(hù)系統(tǒng)相融合，并且通過自動(dòng)學(xué)習(xí)獲取系統(tǒng)的維護(hù)規(guī)則。該系統(tǒng)利用維護(hù)規(guī)則可對(duì)變電站進(jìn)行合理推導(dǎo)得到運(yùn)行規(guī)程，也可將該系統(tǒng)應(yīng)用于變電站的遠(yuǎn)程運(yùn)維。最后，通過對(duì)示例進(jìn)行實(shí)例測(cè)試，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)的規(guī)則具有較高的通用性和準(zhǔn)確性，但是該系統(tǒng)由于只針對(duì)單一系統(tǒng)的規(guī)則進(jìn)行提取，導(dǎo)致其準(zhǔn)確率較低。

由于大多數(shù)自動(dòng)化維護(hù)變電站系統(tǒng)和無(wú)人化值守系統(tǒng)，仍然需要工作人員定期檢查作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備。因此，本文結(jié)合智能機(jī)器人技術(shù)，提出了一種基于巡檢機(jī)器人的變電站運(yùn)行自動(dòng)化維護(hù)方法。解決了變電站運(yùn)維對(duì)人工的依賴問題，且巡檢運(yùn)維機(jī)器人的配置靈活，操作便捷，在降低運(yùn)營(yíng)成本的同時(shí)為變電站的安全生產(chǎn)提供了可靠保障。

2 變電站運(yùn)行自動(dòng)化維護(hù)巡檢機(jī)器人組成結(jié)構(gòu)

變電站自動(dòng)化巡檢機(jī)器人具有自主導(dǎo)航、精準(zhǔn)定位、自動(dòng)充電、集成可見光及聲音等傳感器。針對(duì)特殊路面布置無(wú)線射頻識(shí)別標(biāo)簽[3-4]，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人雙向行走和最優(yōu)路徑規(guī)劃，同時(shí)將被測(cè)設(shè)備的聲音、視頻和溫度通過無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控室。機(jī)器人巡檢后，后臺(tái)即可通過獲得數(shù)據(jù)完成對(duì)變電站的外觀異常判別、設(shè)備熱缺陷以及儀表讀數(shù)配合變電站智能順控操作系統(tǒng)完成變電站自動(dòng)化維護(hù)。巡檢機(jī)器人的系統(tǒng)分為4個(gè)層次：基站層、移動(dòng)站層、通信層和終端層。變電站運(yùn)行巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 變電站自動(dòng)化維護(hù)巡檢機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基站層主要負(fù)責(zé)巡檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)接受和處理，也作為管理人員了解機(jī)器人的實(shí)際狀態(tài)和工作情況的直接渠道，由數(shù)據(jù)庫(kù)、模型配置、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)報(bào)警、設(shè)備接口、視圖展示等模塊組成，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 基站層結(jié)構(gòu)圖

移動(dòng)站層主要負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器人在巡檢工作過程中的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行控制。首先對(duì)其路徑進(jìn)行規(guī)劃，規(guī)劃過程包括全局規(guī)劃[5]和局部規(guī)劃[6-7]兩部分，全局規(guī)劃是通過機(jī)器人的當(dāng)前位置和即將到達(dá)位置信息，從電子地圖中尋找到一條能夠順利通行并且到達(dá)指定地點(diǎn)的路徑，全局規(guī)劃主要需要解決的為求解兩個(gè)目標(biāo)停靠點(diǎn)之間可通行路徑和求解總路徑最短的目標(biāo)點(diǎn)到達(dá)順序。局部規(guī)劃以全局規(guī)劃結(jié)果為基礎(chǔ)，結(jié)合RFID(Radio Frequency Identification)標(biāo)簽、激光雷達(dá)傳感器等探測(cè)信息，對(duì)機(jī)器人的局部移動(dòng)行為進(jìn)行規(guī)劃，包括直線跟蹤、轉(zhuǎn)向、避障、移動(dòng)速度調(diào)節(jié)、停車等內(nèi)容。其規(guī)劃結(jié)構(gòu)如圖3所示，隨后根據(jù)變電站實(shí)際工作壞境對(duì)機(jī)器人車體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)建模，將接收到的運(yùn)動(dòng)指令分解到機(jī)器人的各個(gè)電機(jī)中，對(duì)每個(gè)電機(jī)需要承受的速度進(jìn)行計(jì)算，由多軸運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)各個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)。

圖3 實(shí)時(shí)路徑規(guī)劃

通信層由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、無(wú)線網(wǎng)移動(dòng)站、無(wú)線網(wǎng)基站組成，使用Wifi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[8]傳輸作為基站控制層和終端層之間的通信連接通道。

終端層由自動(dòng)化維護(hù)模塊、固定視頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)和充電室組成，機(jī)器人和監(jiān)控控制后臺(tái)之間的通信連接為無(wú)線通信，固定視頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)和監(jiān)控控制后臺(tái)的通信連接為光纖通信。在充電室內(nèi)設(shè)置充電設(shè)施，機(jī)器人剩余一定電量時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入充電室自行充電。

2.1 機(jī)器人巡檢功能設(shè)計(jì)

將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)o作為坐標(biāo)原點(diǎn)，初始運(yùn)動(dòng)方向作為x軸，垂直方向作為y軸，構(gòu)建坐標(biāo)系，如圖4。

圖4 機(jī)器人運(yùn)動(dòng)路徑圖

假設(shè)車體從o點(diǎn)出發(fā)，經(jīng)過時(shí)間t后到達(dá)點(diǎn)D，用R表示機(jī)器人的轉(zhuǎn)彎半徑，Y(t)表示運(yùn)動(dòng)位移，θ(t)表示角位移，ω(t)表示角速度，v表示機(jī)器人車體前后輪的中點(diǎn)轉(zhuǎn)彎切向移動(dòng)速度，則通過各參數(shù)之間的關(guān)系可推導(dǎo)出：

在誤差較小范圍內(nèi)sinθ(t)=θ(t)，假設(shè)車體后輪中點(diǎn)的速度值v=v0，則通過式(1)可得：

若機(jī)器人從點(diǎn)o到點(diǎn)D行駛過程為一個(gè)規(guī)劃周期T，則車體轉(zhuǎn)彎半徑R=VT/(θ)(如圖5)，令=Agt，其中Agt為轉(zhuǎn)體因子，即在車體轉(zhuǎn)彎過程中，車體長(zhǎng)度和轉(zhuǎn)彎角度的正切比值。機(jī)器人在直線運(yùn)動(dòng)的過程中θ=0，在左轉(zhuǎn)時(shí)θ＜0，右轉(zhuǎn)時(shí)θ＞0，即可獲得：

圖5 車體轉(zhuǎn)彎姿態(tài)示意圖

從上式中即可獲得，機(jī)器人運(yùn)動(dòng)至點(diǎn)D時(shí)，左后輪的速度分配情況如下：

后右輪速度分配情況如下：

同理，當(dāng)機(jī)器人右轉(zhuǎn)時(shí)，左后輪速度分配如下：

右后輪速度分配情況如下：

當(dāng)車體直線運(yùn)動(dòng)時(shí)，Agt=∞，則左輪和右輪速度均為勻速，V1=V2=V3。

最后，考慮變電站巡檢機(jī)器人的實(shí)際工作路徑和障礙情況選擇VFH算法[9]完成機(jī)器人避障功能設(shè)計(jì)。

為避免因?yàn)闄C(jī)械震蕩對(duì)機(jī)器人地圖的實(shí)時(shí)更新，對(duì)機(jī)器人的超聲波數(shù)進(jìn)行軟件濾波處理，首先獲得預(yù)測(cè)距離，其方法如下：

對(duì)偏差值進(jìn)行判斷，若其數(shù)值小于閾值T，則使用本周獲得測(cè)量信息，進(jìn)入下一階段；反之，將獲得數(shù)據(jù)掛起。因數(shù)據(jù)有誤差，所以將該周期數(shù)據(jù)延遲映射至機(jī)器人地圖上，此時(shí)，下周期的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)將同時(shí)使用本周期預(yù)測(cè)值和測(cè)量值，其數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

采用式(10)方法繼續(xù)判斷測(cè)量值與預(yù)測(cè)值之間的偏差，如果預(yù)測(cè)值趨近于，則表示上述掛起值偏差較大的原因可能是由于存在障礙物或機(jī)器人在轉(zhuǎn)彎的過程中檢測(cè)到了新障礙，在此條件下接受式(9)的掛起數(shù)據(jù)；如果預(yù)測(cè)值趨近于，則證明上文掛起數(shù)據(jù)為錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，直接將其刪除。若在偏差對(duì)比時(shí)，連續(xù)發(fā)生掛起現(xiàn)象，則檢查機(jī)器人傳感器是否發(fā)生故障。

2.2 變電站自動(dòng)化維護(hù)模塊設(shè)計(jì)

機(jī)器人搭載不同的檢測(cè)裝置對(duì)變電站各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)以完成自動(dòng)化維護(hù)任務(wù)，該模塊的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示。

圖6 設(shè)備檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

設(shè)定機(jī)器人日常巡視中主要工作內(nèi)容為：

(1) 設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)：顯示燈是否存在異常、系統(tǒng)時(shí)鐘是否正確；各個(gè)功能模塊的工作電壓是否存在異常；定值區(qū)與定值通知單相[10]是否一致；調(diào)度核對(duì)的模擬量與狀態(tài)量是否正常；各個(gè)零件部位是否存在過熱現(xiàn)象；定期對(duì)各儀器進(jìn)行誤差檢測(cè)。

(2) 后臺(tái)控制主機(jī)狀態(tài)檢測(cè)：主機(jī)基本硬件和連接線是否存在松動(dòng)現(xiàn)象；設(shè)備的各個(gè)數(shù)據(jù)量和狀態(tài)量與實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)是否一致；是否能夠?qū)嵤┻h(yuǎn)程遙控；設(shè)備系統(tǒng)是否存在病毒、系統(tǒng)運(yùn)行是否正常；通信指示是否正常。

(3) UPS 設(shè)備檢測(cè)[11]：檢查UPS 是否正常工作，其中包括檢查設(shè)備提供的交流、支流電壓是否存在異常。

(4) 數(shù)據(jù)通道檢測(cè)：在自動(dòng)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，傳輸通道的質(zhì)量起著很大作用，因此在變電站日常維護(hù)工作中，對(duì)通道進(jìn)行檢測(cè)尤為重要。

變電站發(fā)生異常時(shí)，主要會(huì)出現(xiàn)以下現(xiàn)象：出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)，保護(hù)裝置啟動(dòng)，遙信、遙測(cè)發(fā)生異常；斷路器跳閘[12]；變電站電氣部分產(chǎn)生異常運(yùn)行聲音、出現(xiàn)放電和爆破聲；設(shè)備變形、裂碎或產(chǎn)生變色、噴油、煙火等異常狀況；常見信號(hào)頻繁出現(xiàn)，如斷路器頻繁打壓等。

檢測(cè)到以上問題時(shí)，巡檢機(jī)器人對(duì)異常情況處理過程如下：

(1) 記錄故障時(shí)間。

(2) 檢測(cè)出事故后，對(duì)事故類型和影響范圍進(jìn)行初步判斷，并及時(shí)上報(bào)給上級(jí)調(diào)度中心。

(3) 根據(jù)事故性質(zhì)對(duì)相關(guān)的二次裝置[13]進(jìn)行檢測(cè)，然后依據(jù)保護(hù)裝置動(dòng)作情況再次對(duì)事故設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，并做好記錄。

(4) 全面分析設(shè)備情況，準(zhǔn)確判斷出事故類型和故障范圍，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)指示進(jìn)行處理。

(5) 檢查設(shè)備過程中，若設(shè)備出現(xiàn)放電、閃耀等[14]嚴(yán)重問題時(shí)，立即隔離故障點(diǎn)，并且及時(shí)上報(bào)。

(6) 對(duì)發(fā)生故障設(shè)施做好安全防護(hù)，待修復(fù)后恢復(fù)其正常運(yùn)行。

(7) 做好故障原因和處理結(jié)果的相關(guān)記錄，向上級(jí)匯報(bào)，并將事故處理事件做好文字備份。

機(jī)器人對(duì)設(shè)備維護(hù)的過程中，面對(duì)嚴(yán)重危害人身和設(shè)備安全的事故類型時(shí)還接將設(shè)備停電，同時(shí)將故障設(shè)施隔離。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

為驗(yàn)證本文方法的有效性，對(duì)自動(dòng)化巡檢機(jī)器的運(yùn)動(dòng)行為能力進(jìn)行檢測(cè)。首先對(duì)機(jī)器人進(jìn)行真實(shí)場(chǎng)景仿真實(shí)驗(yàn)來驗(yàn)證機(jī)器人的兩輪驅(qū)動(dòng)差速是否滿足室外維護(hù)作業(yè)需求，其路徑跟蹤結(jié)果如圖7所示。

圖7 跟蹤路徑示意圖

從圖7中可以看出，跟蹤誤差能夠被有效的調(diào)節(jié)在±10mm 左右，兩輪差速的移動(dòng)適應(yīng)性和穩(wěn)定性較強(qiáng)，能夠滿足變電站室外巡檢的基本需求。

隨后為驗(yàn)證機(jī)器人避障能力，在某長(zhǎng)約500 米，寬約300米的500kV變電站內(nèi)配置2臺(tái)機(jī)器人，每臺(tái)機(jī)器人配備一個(gè)充電器，機(jī)器人的維護(hù)路線如圖8所示，以RFID標(biāo)簽的路口有60個(gè)，標(biāo)簽標(biāo)識(shí)的?？奎c(diǎn)有300個(gè)，設(shè)備檢測(cè)位置1000個(gè)，并且在其路線中任意放置障礙物，檢測(cè)器是否能成功識(shí)別并且避開。

圖8 機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)巡檢路線圖

兩臺(tái)機(jī)器人分區(qū)進(jìn)行巡視，完成所有維護(hù)內(nèi)容巡檢任務(wù)約60min，并且自動(dòng)機(jī)器人在每天的早中晚固定時(shí)間進(jìn)行3次巡檢，結(jié)束后自動(dòng)返回各自充電室。

在機(jī)器人的充電過程中，若受到遠(yuǎn)程遙控指令，將停止充電，并根據(jù)指令內(nèi)容計(jì)算出最佳路徑到達(dá)指定位置，完成指令操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)器人能夠成功的避開障礙物，到達(dá)需要檢測(cè)位置。

為進(jìn)一步證明本文方法的維護(hù)效果，對(duì)變電站不同區(qū)域進(jìn)行仿真檢測(cè)，采用基于分層分布方法[1]、基于決策樹方法[2]以及本文方法驗(yàn)證變電站設(shè)備故障識(shí)別準(zhǔn)確率，得的結(jié)果如圖9所示。

分析圖9可知，不同方法的變電站設(shè)備故障識(shí)別準(zhǔn)確率不同。當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為2h時(shí)，基于分層分布方法的變電站設(shè)備故障識(shí)別準(zhǔn)確率為75%，基于決策樹方法的變電站設(shè)備故障識(shí)別準(zhǔn)確率為56%，本文方法的變電站設(shè)備故障識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)92%。當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為10h時(shí)，基于分層分布方法的變電站設(shè)備故障識(shí)別準(zhǔn)確率為77%，基于決策樹方法的變電站設(shè)備故障識(shí)別準(zhǔn)確率為70%，本文方法的變電站設(shè)備故障識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)94%。本文方法的變電站設(shè)備故障識(shí)別準(zhǔn)確率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他方法。

圖9 不同方法下故障識(shí)別準(zhǔn)確率

4 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)變電站自動(dòng)化運(yùn)維機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)描述，仿真實(shí)驗(yàn)條件下，本文方法能夠在500kv變電站中有效運(yùn)行，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)設(shè)備異常情況并且合理解決，滿足基本變電站基本的日常維護(hù)。但要想使自動(dòng)化運(yùn)維機(jī)器人成熟的使用于電力行業(yè)還要在以下方面進(jìn)行完善：

(1) 機(jī)器人自身穩(wěn)定性還需要進(jìn)一步提高，以降低在工作中發(fā)生故障的概率。

(2) 在保證維護(hù)效果的基礎(chǔ)上，努力將機(jī)器人與電力系統(tǒng)系統(tǒng)的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為設(shè)備的日常運(yùn)維工作提供更全面的數(shù)據(jù)支持。