基于機器學(xué)習(xí)的500kV超高壓變電站變電狀態(tài)機器人巡檢系統(tǒng)設(shè)計

張 文，許明政，李仲強，劉嘉豪

（國網(wǎng)安徽省電力有限公司超高壓分公司，合肥 230000）

為了滿足電力系統(tǒng)運行過程中的電壓變換、電能調(diào)控要求，需要建設(shè)越來越多的變電站[1]。變電狀態(tài)的不同直接導(dǎo)致了供電品質(zhì)的差異[2]。尤其對于500 kV 超高壓變電站來說，變電站變電狀態(tài)的巡檢，是保證電力系統(tǒng)輸電安全和供電可靠性的重要環(huán)節(jié)。常規(guī)的人工巡檢模式，難以適應(yīng)不斷擴(kuò)增的變電站規(guī)模，眾多機器人巡檢系統(tǒng)開始出現(xiàn)。文獻(xiàn)[3]從軟件、硬件兩方面進(jìn)行巡檢機器人系統(tǒng)的設(shè)計，其中，系統(tǒng)硬件設(shè)計包括處理器、紅外熱成像測溫器等多方面內(nèi)容。而系統(tǒng)軟件設(shè)計則是依托于自動化交互理論，設(shè)計圖像采集、特征提取、巡檢路線規(guī)劃等多個流程，獲取變電站巡檢結(jié)果。但是，該系統(tǒng)應(yīng)用拓展性較差；文獻(xiàn)[4]基于傳統(tǒng)的智能巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，結(jié)合實際巡檢環(huán)境，設(shè)計包含實時通訊功能的智能巡檢系統(tǒng)。但是，巡檢系統(tǒng)存在較多檢測盲區(qū)；文獻(xiàn)[5]以降低運維人員工作強度為目的，設(shè)計機器人安全巡檢系統(tǒng)。通過各種檢測儀表獲取實時巡檢圖像，并以三維形式管理系統(tǒng)巡檢內(nèi)容。為了實現(xiàn)巡檢自動化，依托于歷史巡檢數(shù)據(jù)，判斷當(dāng)前設(shè)備運行狀態(tài)的異常，獲取機器人巡檢結(jié)果。但是，該系統(tǒng)響應(yīng)時間較長。文中以解決上述機器人巡檢系統(tǒng)的不足之處為目的，提出將機器學(xué)習(xí)算法融入巡檢系統(tǒng)中，實時獲取500 kV 超高壓變電站變電狀態(tài)。

1 基于機器學(xué)習(xí)的500 kV 超高壓變電站變電狀態(tài)機器人巡檢系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 運動控制器設(shè)計

文中提出以ARM 微處理器S3C2410 為核心，設(shè)計巡檢機器人運動控制器。為了保證控制程序的順利運行，在開發(fā)板上，設(shè)計15 位數(shù)據(jù)線接口以及10 位地址線接口，實現(xiàn)應(yīng)用電路的擴(kuò)展[6-7]。其中，運動控制芯片與微處理器的連接，正是以數(shù)據(jù)線接口為載體。同時，考慮到微處理器I/O 引腳與運動控制芯片的工作電壓有所差異，為了避免信號傳輸出現(xiàn)誤差，在運動控制器設(shè)計過程中添加一個電平轉(zhuǎn)換芯片，轉(zhuǎn)換電平的同時具有信號驅(qū)動功能。最后，應(yīng)用15 位數(shù)據(jù)線將運動控制芯片引腳與高電平相連接，實現(xiàn)變電狀態(tài)數(shù)據(jù)傳輸。

1.2 傳感器設(shè)計

機器人巡檢系統(tǒng)中傳感器是不可或缺的組成結(jié)構(gòu)之一，考慮到變電站工作環(huán)境的復(fù)雜性，設(shè)計的傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Sensor structure

本文設(shè)計的傳感器應(yīng)用多線傳輸結(jié)構(gòu)，與不同類型的硬件設(shè)備進(jìn)行連接，同步獲取多種格式的變電狀態(tài)巡檢數(shù)據(jù)。文中設(shè)計傳感器的輸出阻抗低于500 Ω，確保傳感數(shù)據(jù)采集結(jié)果的全面性。

2 基于機器學(xué)習(xí)的500 kV 超高壓變電站變電狀態(tài)機器人巡檢系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 創(chuàng)建變電站機器人巡檢地圖

考慮到變電站工作環(huán)境的復(fù)雜性，深入分析巡檢機器人傳感器數(shù)據(jù)的變化特點，實現(xiàn)機器人移動路徑導(dǎo)航[8]。為了便于尋找合理的巡檢路徑，提出由定位和建圖兩方面內(nèi)容構(gòu)成的SLAM 問題模型。將機器人周圍的障礙物標(biāo)注為路標(biāo)[9]，通過激光掃描儀發(fā)射多條光束，根據(jù)外部傳感器采集的信息估算機器人當(dāng)前位置，以及附近巡檢區(qū)域中路標(biāo)位置，創(chuàng)建機器人巡檢地圖所應(yīng)用的SLAM 問題模型如圖2所示。

圖2 SLAM 問題的模型Fig.2 SLAM problem model

圖2所示的模型中：l 表示時刻；i，j 表示兩個巡檢路標(biāo)；m 表示路標(biāo)位姿矢量；f 表示機器人位姿矢量；o 表示控制矢量。

利用圖2所示的SLAM 問題模型獲取機器人位姿矢量和路標(biāo)位姿矢量后，應(yīng)用AMC 算法對巡檢機器人的位置進(jìn)行全局定位。通過粒子濾波器變換機器人位姿，主要包括預(yù)測和濾波兩部分。首先，采用自適應(yīng)蒙特卡洛積分理論得到位姿轉(zhuǎn)變公式：

式中：? 表示積分；p 表示巡檢區(qū)域內(nèi)障礙物路標(biāo)采樣真實概率密度；q 表示估計概率密度。需要注意的是，當(dāng)估計概率密度的定義域計算結(jié)果大于真實概率密度定義域，應(yīng)用多個估計概率密度進(jìn)行加權(quán)計算，得出：

則：

式中：β 表示粒子密集程度權(quán)值；Su表示第u 個采樣粒子；G 表示粒子采樣集合；η 表示粒子面積。

2.2 建立機器學(xué)習(xí)巡檢路徑規(guī)劃技術(shù)

機器人巡檢路徑的規(guī)劃是巡檢系統(tǒng)的重要內(nèi)容之一，文中選取機器學(xué)習(xí)中的DBSCAN 算法，建立機器學(xué)習(xí)巡檢路徑規(guī)劃技術(shù)[10]。正式巡檢之前，由變電站工作人員手動操作機器人，在所有巡檢道路上行駛一次，并在機器人運動過程中持續(xù)采集周邊障礙物信息，并將障礙物以坐標(biāo)形式保存起來。

文中所應(yīng)用的DBSCAN 算法結(jié)合了鄰域半徑列表，按照激光雷達(dá)掃描線分布特點，分析激光雷達(dá)數(shù)據(jù)的密度分布不均勻情況，建立列表信息，并保證鄰域半徑參數(shù)與距離呈現(xiàn)出正比例增長趨勢。激光雷達(dá)掃描線具體分布如圖3所示。

圖3 激光雷達(dá)掃描線Fig.3 Lidar scan line

深入Fenix 圖3所示的激光雷達(dá)掃描線，計算激光雷達(dá)點高度，以及每條掃描線的俯仰角度。分析掃描線投射點與原點之間的距離，建立鄰域半徑列表。實際操作過程中，針對變電站監(jiān)測區(qū)域內(nèi)一個三維空間點，明確該點到x 軸的距離，在列表中查找任意點的鄰域半徑值，具體公式為

依托于DBSCAN 算法規(guī)劃巡檢路徑，本質(zhì)上是依據(jù)密度聚類巡檢區(qū)域內(nèi)容的所有空間對象，將包含噪聲的空間數(shù)據(jù)集合起來，連接形成大密度的相鄰區(qū)域，達(dá)到區(qū)分變電站巡檢障礙物的目的。依照激光導(dǎo)航實時掃描周圍環(huán)境，得到周圍物體的坐標(biāo)，并區(qū)分機器人周圍環(huán)境中異物，先規(guī)劃巡檢?？康攸c及具體巡檢項目，再勾勒任務(wù)巡檢拓?fù)鋱D，生成避開障礙物的最優(yōu)路徑規(guī)劃。由于DBSCAN 算法具有搜索速度快的特點，只需要運行以此就可以得到合理的避障巡檢路徑，極大提升了系統(tǒng)巡檢效率。

2.3 設(shè)計巡檢圖像檢測算法

機器人在規(guī)劃好的巡檢路徑上運動，同步采集變電站變電狀態(tài)圖像。文中結(jié)合冪次變換與經(jīng)典直方圖算法進(jìn)行圖像增強，提升巡檢圖像的清晰度。其中，冪次變換公式可表示為

式中：v 表示冪次變換結(jié)果；e 表示增強處理后圖像最大灰度值；r 表示直方圖均衡化變換函數(shù)；τ 表示調(diào)節(jié)函數(shù)。

為了獲取處理后的巡檢圖像中包含的關(guān)鍵紋理特征信息，通過傅里葉交換算法分類特征信息。變電站變電狀態(tài)巡檢圖像特征的提取，包括能量、均勻性、熵和對比度4 項主要特征數(shù)據(jù)量。為了計算每項特征數(shù)據(jù)量的灰度級共生信息，建立如下公式：

式中：E 表示像素能量；K 表示像素均勻性；L 表示像素熵；U 表示像素對比度；D 表示灰度級共生信息；z，g 表示關(guān)鍵紋理特征灰度級的像素對。

依托于特征提取結(jié)果，獲取機器人巡檢目標(biāo)，并設(shè)置搜索區(qū)域，當(dāng)所設(shè)置的巡檢區(qū)域搜索結(jié)束后，完成巡檢圖像局部放電異常聲音的檢測。針對機器人巡檢系統(tǒng)的歷史巡檢信息，分解異常變電狀態(tài)的聲音特性，以此作為異常判斷依據(jù)。將機器人巡檢系統(tǒng)實時檢測內(nèi)容，按照巡檢時刻建立異常識別序列，與異常判斷特性信息進(jìn)行對比，可得出局部變電狀態(tài)異常檢測誤差為

式中：I 表示碼本；J 表示碼本矢量；?表示圖像放電聲音種類；F 表示局部放電區(qū)域；? 表示局部放電異常的碼本矢量總數(shù)；min 表示最小值函數(shù)；B 表示待測局部放電區(qū)域與碼矢量距離；ξ 表示檢測誤差。根據(jù)公式（13）計算結(jié)果，選取檢測誤差最小的碼本，確定其相對的變電區(qū)域，從而明確該變電設(shè)備的變電狀態(tài)顯示故障。

2.4 實現(xiàn)變電狀態(tài)巡檢控制管理

為了保證機器人巡檢系統(tǒng)的穩(wěn)定運行，文中建立巡檢控制中心實現(xiàn)變電狀態(tài)巡檢控制管理。設(shè)計后臺界面向運維管理人員提供巡檢交互界面，實時下達(dá)選件任務(wù)指令、接收巡檢結(jié)果。考慮到變電站變電狀態(tài)巡檢任務(wù)具有多種類型，需要按照實際工作要求，設(shè)置例行巡檢、自定義巡檢、專業(yè)巡檢等不同巡查模式。

考慮到巡檢機器人自身不包含人機界面，因此，巡檢機器人的當(dāng)前電量、作業(yè)中最大速度、最大轉(zhuǎn)角自主避障等大部分功能的設(shè)置，也需要通過巡檢控制管理模塊來實現(xiàn)。同時，為了避免變電站巡檢工作中出現(xiàn)特殊情況，引起機器人巡檢系統(tǒng)自主導(dǎo)航功能無法應(yīng)用，在500 kV 超高壓變電站變電狀態(tài)機器人巡檢系統(tǒng)控制管理模塊中添加手動控制功能，后臺監(jiān)控人員通過方向按鍵手動控制機器人巡檢方向。并通過轉(zhuǎn)動控制臺的搖桿，改變機器人巡檢的角度，旋轉(zhuǎn)機器人上附屬攝像頭，確保系統(tǒng)巡檢信息的全面性。

3 系統(tǒng)測試

3.1 工程概況

為了驗證文中設(shè)計系統(tǒng)的可行性，提出將該系統(tǒng)應(yīng)用于雙泗500 kV 超高壓變電站變電狀態(tài)巡檢工作中，雙泗變電站位于江蘇省宿遷市，總面積超過110 公頃，是該城市內(nèi)建設(shè)的第一座超高壓變電站，至今已經(jīng)投入應(yīng)用十余年。通過調(diào)查可以發(fā)現(xiàn)，該變電站當(dāng)前主要包含3 臺主變壓器、9 回500 kV線路以及12 回220 kV 線路組成。為了降低變電站變電狀態(tài)巡檢難度，滿足變電站精細(xì)化管理要求，將文中提出的機器人巡檢系統(tǒng)配備在該變電站中?；谠撟冸娬緦嶋H環(huán)境以及文中研究內(nèi)容提出系統(tǒng)應(yīng)用方案?？紤]到充電室、上位機、輔助設(shè)備等都是巡檢系統(tǒng)設(shè)計的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本次測試所設(shè)計的電氣主接線狀態(tài)如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)電氣接線圖Fig.4 System electrical wiring diagram

根據(jù)圖4所示的電氣接線圖，完成系統(tǒng)運行基礎(chǔ)環(huán)境的設(shè)置，針對文中設(shè)計巡檢系統(tǒng)進(jìn)行安裝，并測試該系統(tǒng)的實際應(yīng)用效果。

3.2 機器人巡檢路徑

變電狀態(tài)機器人巡檢系統(tǒng)的運行，主要包括巡檢路徑規(guī)劃以及巡檢圖像處理兩項主要內(nèi)容，根據(jù)文中提出的DBSCAN 機器學(xué)習(xí)技術(shù)，結(jié)合激光雷達(dá)導(dǎo)航算法，得到巡檢路徑規(guī)劃結(jié)果。巡檢機器人從充電房出發(fā)，依次巡查電容器、控保屏等主要電氣設(shè)備，最終達(dá)到全面巡查500 kV 超高壓變電站變電狀態(tài)的目的。利用文中提出的巡查系統(tǒng)，所得出的巡檢任務(wù)路徑規(guī)劃結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5所示的巡檢路徑規(guī)劃圖運行機器人，采集變電站變電狀態(tài)相關(guān)圖像。

圖5 550 kV 超高壓變電站巡檢規(guī)劃Fig.5 Inspection plan of 550 kV EHV substation

3.3 變電狀態(tài)巡檢結(jié)果分析

采用冪次變換理論和直方圖理論，對機器人實時采集的巡檢圖像進(jìn)行增強處理，得到的圖像增強處理效果如圖6所示。

圖6 巡檢采集圖像增強處理示意圖Fig.6 Schematic diagram of image enhancement processing of patrol inspection acquisition

巡檢圖像處理結(jié)束后，提取圖像特征并結(jié)合變電站工作標(biāo)準(zhǔn)要求，輸出變電狀態(tài)檢測結(jié)果。在雙泗500 kV 超高壓變電站變電狀態(tài)巡檢工作中，應(yīng)用文中設(shè)計系統(tǒng)進(jìn)行為期3 天的巡檢測試，得到的巡檢任務(wù)統(tǒng)計如表1所示。

表1 變電狀態(tài)巡檢任務(wù)Tab.1 Inspection tasks of substation status

從表1可以看出，應(yīng)用文中提出的機器人巡檢系統(tǒng)，可以對變電站變電狀態(tài)進(jìn)行有效檢測，從例行巡視的角度來看，變電狀態(tài)巡檢結(jié)果與人工巡檢結(jié)果相比完全一致，表明了文中設(shè)計系統(tǒng)的可行性。

3.4 系統(tǒng)性能分析

為了直觀表現(xiàn)出文中設(shè)計系統(tǒng)的應(yīng)用性能，以巡檢時間作為判斷指標(biāo)。在相同的巡檢線路長度要求下，對比文中提出系統(tǒng)、基于傾斜攝影的巡檢系統(tǒng)以及基于自動化交互的巡檢系統(tǒng)的巡檢時間，形成不同系統(tǒng)巡檢時間對比，如圖7所示。

根據(jù)圖7可知，文中設(shè)計系統(tǒng)的巡檢時間明顯有所降低，以巡視線路長度為30 km 為例，基于傾斜攝影的巡檢系統(tǒng)以及基于自動化交互的巡檢系統(tǒng)的巡檢時間分別為56 min，43 min。以機器學(xué)習(xí)技術(shù)為基礎(chǔ)，建立的變電狀態(tài)機器人巡檢系統(tǒng)，巡檢時間僅為8.5 min，使得巡檢時間縮短了64.5%與59.2%，有效提升變電站變電狀態(tài)巡檢效率。

圖7 不同系統(tǒng)巡檢時間對比Fig.7 Comparison of patrol inspection time of different systems

4 結(jié)語

文中以500 kV 高壓變電站的變電狀態(tài)巡檢工作為研究重點，提出融合了機器學(xué)習(xí)技術(shù)的巡檢系統(tǒng)。與以往提出的機器人巡檢系統(tǒng)相比，文中從巡檢路徑和巡檢圖像檢測兩方面進(jìn)行創(chuàng)新，有效提升了系統(tǒng)巡檢效率。但是，因為研究時間的限制，文中所述的研究內(nèi)容還可以進(jìn)一步完善，以機器人功能模塊化結(jié)構(gòu)為例，未來可以考慮到復(fù)雜變電站運行環(huán)境，細(xì)化巡檢功能模塊，確保建立的系統(tǒng)可以在不同區(qū)域的變電站中發(fā)揮較好的應(yīng)用效果。