基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的井下無人值守變電所智能巡檢研究

賈藝棟

（山西汾西礦業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司雙柳煤礦， 山西 柳林 033300）

引言

變電所是實現(xiàn)礦井電力供應(yīng)的主要設(shè)備，變電所設(shè)備運行穩(wěn)定性直接關(guān)系著供電網(wǎng)運行可靠性[1-2]。巡檢可及時掌握變電所設(shè)備運行狀況，進(jìn)而發(fā)現(xiàn)潛在的隱患、故障。隨著礦井綜合自動化程度的提升，傳統(tǒng)的人工巡檢方式已難以滿足生產(chǎn)需要，同時人工巡檢也存在供電設(shè)備故障、隱患等發(fā)現(xiàn)難度大等問題[3-5]。針對上述情況，本文提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)的變電所智能巡檢系統(tǒng)，以便提升變電所巡檢效率及可靠性。

1 變電所智能巡檢系統(tǒng)架構(gòu)

基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電所智能巡檢系統(tǒng)架構(gòu)如圖1 所示，整個系統(tǒng)架構(gòu)包括數(shù)據(jù)采集層、網(wǎng)絡(luò)層、平臺層和應(yīng)用層，其中數(shù)據(jù)采集層以智能巡檢機(jī)器人作為載體，主要功能是接收巡檢任務(wù)、優(yōu)化巡檢策略，同時可實現(xiàn)巡檢業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的查詢及被巡檢設(shè)備的數(shù)據(jù)采集、處理等，最后將采集到的數(shù)據(jù)通過傳輸系統(tǒng)傳輸給應(yīng)用層；網(wǎng)絡(luò)層是以新型通信技術(shù)為基礎(chǔ)構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)信息傳輸通道，網(wǎng)絡(luò)層具備多種通信方式，可依據(jù)電力應(yīng)用場景需要自動選擇最優(yōu)通信方式；平臺層的主要功能是存儲、管理巡檢系統(tǒng)獲取到的巡檢數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸與共享；應(yīng)用層基于巡檢數(shù)據(jù)并結(jié)合設(shè)備巡檢周期及運行特點，生成相應(yīng)的巡檢策略并發(fā)送至數(shù)據(jù)采集層，同時應(yīng)用層結(jié)合變電所設(shè)備運行特點及要求，采用內(nèi)置智能算法對變電所設(shè)備進(jìn)行評估、診斷。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電所智能巡檢系統(tǒng)架構(gòu)

2 智能巡檢模式

基于物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)建井下變電所智能巡檢模式，對應(yīng)的架構(gòu)如圖2 所示。該巡檢管理系統(tǒng)可細(xì)分為調(diào)度模塊、通信模塊、感知模塊、控制模塊及應(yīng)用模塊等，其中調(diào)度模塊是智能巡檢管理系統(tǒng)中的最頂層架構(gòu)，服務(wù)接口（通信協(xié)議為標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議）接收來源于調(diào)度中心的巡檢任務(wù)，并將任務(wù)經(jīng)由通信子模塊傳輸給控制模塊。通信模塊的基本功能是通過無線、有線方式為感知模塊、調(diào)度模塊提供信息傳輸通道。感知模塊接收指令信息并對信息進(jìn)行融合處理，為控制模塊提供信息源?？刂颇K是智能巡檢系統(tǒng)執(zhí)行層，是依據(jù)感知層獲取到的巡檢信息生成巡檢任務(wù)指令，從而控制智能機(jī)器人位置、速度。應(yīng)用模塊是通過可見光、紅外等傳感器對無人值守變電所進(jìn)行故障分析，并依據(jù)分析結(jié)果發(fā)出預(yù)警信息，實現(xiàn)井下變電所異常檢測。

圖2 變電所智能巡檢系統(tǒng)框架

2.1 智能巡檢系統(tǒng)巡檢流程

1）智能巡檢機(jī)器人獲取到巡檢任務(wù)指令后，通過無線通信單元將接收到的巡檢策略、巡檢任務(wù)等傳輸給內(nèi)置的巡檢管理模塊。

2）巡檢機(jī)器人依據(jù)巡檢任務(wù)、巡檢策略進(jìn)行自動巡檢，依據(jù)導(dǎo)向系統(tǒng)智能識別變電所內(nèi)機(jī)電設(shè)備信息，并導(dǎo)航至指定位置。

3）通過巡檢機(jī)器人內(nèi)置的智能傳感器、圖像識別模塊等對變電所內(nèi)相關(guān)機(jī)電設(shè)備信息進(jìn)行信息采集，并將采集到的信息通過信息存儲、處理模塊等進(jìn)行存儲、預(yù)處理，并通過無線方式將采集到的設(shè)備信息傳輸?shù)綉?yīng)用層。

4）應(yīng)用層依據(jù)接收到的信息對井下變電所內(nèi)機(jī)電設(shè)備進(jìn)行評估及故障診斷，并存儲變電所內(nèi)設(shè)備運行狀態(tài)，以便為后續(xù)巡檢優(yōu)化提供借鑒。

2.2 智能巡檢系統(tǒng)智能機(jī)器人

智能機(jī)器人無須專人值守即可實現(xiàn)自動巡檢。巡檢機(jī)器人依據(jù)變電所不同設(shè)備目標(biāo)進(jìn)行定期巡檢，并自動調(diào)整傳感器角度，以便獲取更好的巡檢效果。巡檢機(jī)器人在變電所內(nèi)可對機(jī)電設(shè)備運行環(huán)境參數(shù)進(jìn)行監(jiān)測，并實時獲取變電所內(nèi)設(shè)備運行圖像。

巡檢機(jī)器人內(nèi)置的功能模塊包括導(dǎo)航定位模塊、網(wǎng)絡(luò)通信模塊、圖像識別模塊、電源模塊等。具體各功能模塊結(jié)構(gòu)組成如圖3 所示。

圖3 功能模塊結(jié)構(gòu)組成

1）導(dǎo)航定位模塊。智能巡檢機(jī)器人對導(dǎo)航定位有較高要求，本文選擇具有較高定位精度的多信息融合導(dǎo)航定位模塊。該模塊的多源信息采集單元結(jié)構(gòu)包括霍爾計數(shù)器、傾角傳感器及行走編碼器等，可滿足智能巡檢機(jī)器人巡檢過程中采集獲取信息、處理定位需要。其中導(dǎo)航定位是通過射頻識別技術(shù)（RFID）、超聲波及激光技術(shù)等相結(jié)合實現(xiàn)。

2）圖像識別模塊。在智能巡檢機(jī)器人上安裝高清防爆攝像機(jī)，依據(jù)圖像識別技術(shù)對變電所內(nèi)設(shè)備運行狀態(tài)參數(shù)進(jìn)行分析，并對變電所內(nèi)設(shè)備的外觀進(jìn)行實時記錄、分析，自動生成巡檢報表。為了提高視頻圖像的識別精度，巡檢過程中高清防爆攝像機(jī)應(yīng)反復(fù)拍攝變電所內(nèi)設(shè)備運行情況，同時結(jié)合智能算法對變電所內(nèi)設(shè)備實現(xiàn)目標(biāo)的識別、搜索。

3）信息存儲及處理模塊。采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對變電所內(nèi)機(jī)電設(shè)備多源信息進(jìn)行采集后，云計算服務(wù)器中的存儲及處理模塊能夠?qū)崟r存儲變電所內(nèi)機(jī)電設(shè)備運行數(shù)據(jù)，并生成巡檢記錄，以便后續(xù)進(jìn)行綜合分析及管理。通過信息存儲及處理模塊可提高智能巡檢系統(tǒng)運行及管理能效。同時變電所內(nèi)機(jī)電設(shè)備多源信息在云計算服務(wù)器中存儲，有利于提高信息利用效率及數(shù)據(jù)共享水平。

4）網(wǎng)絡(luò)通信模塊。網(wǎng)絡(luò)通信是智能巡檢系統(tǒng)內(nèi)部功能模塊間、調(diào)度控制中心間的信息傳輸通道，網(wǎng)絡(luò)通信模塊中的上行數(shù)據(jù)主要是調(diào)度中心向智能巡檢機(jī)器人發(fā)出的巡檢指令；下行數(shù)據(jù)主要為智能巡檢機(jī)器人獲取到的視頻圖像信息、監(jiān)測信息及機(jī)電設(shè)備巡檢狀態(tài)等。

3 現(xiàn)場應(yīng)用分析

在山西某礦二采區(qū)無人值守變電所中使用智能巡檢系統(tǒng)，并對不同運行工況下的智能巡檢功能進(jìn)行測試，具體應(yīng)用效果如下：

1）自動巡檢。監(jiān)控中心可依據(jù)井下變電所內(nèi)設(shè)備巡檢目標(biāo)、周期、時間等制定巡檢任務(wù)。在智能巡檢模式下可實現(xiàn)巡檢機(jī)器人的智能巡檢。

2）固定巡檢。監(jiān)控中心可根據(jù)需要將變電所內(nèi)特定巡檢目標(biāo)作為巡檢對象進(jìn)行固定巡檢。

3）遠(yuǎn)程遙控巡檢。監(jiān)控中心可通過后臺管理模式對巡檢機(jī)器人進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，從而實現(xiàn)變電所內(nèi)指定機(jī)電設(shè)備的自動巡檢。

在井下變電所現(xiàn)場應(yīng)用表明，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)構(gòu)建的變電所智能巡檢系統(tǒng)可根據(jù)需要實現(xiàn)自動巡檢、固定巡檢及遠(yuǎn)程遙控巡檢，可在一定程度上提升井下無人值守巡檢機(jī)器人運行維護(hù)及故障診斷能力。

4 結(jié)語

本文依據(jù)煤礦井下無人值守變電所巡檢需要，提出一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的變電所智能巡檢系統(tǒng)，并給出了巡檢系統(tǒng)總體技術(shù)架構(gòu)，重點對智能巡檢系統(tǒng)中的導(dǎo)航定位、圖像識別、網(wǎng)絡(luò)通信等子系統(tǒng)進(jìn)行闡述。在山西某礦井下無人值守變電所現(xiàn)場應(yīng)用后，可滿足變電所智能巡檢需要。