探究變電站無(wú)人值守智能巡檢機(jī)器人的構(gòu)建與設(shè)計(jì)

張偉 淦克亮

國(guó)電南瑞科技股份有限公司 江蘇 南京 210000

1 在變電站中推廣智能巡檢機(jī)器人的必要性

在變電站中，設(shè)備巡檢具有多種形式，例如全面巡檢、例行巡檢與熄燈巡檢等，在巡檢的內(nèi)容上，包括聲音異響、消防安全與設(shè)備滲漏等。根據(jù)變電站類型的不同，巡檢頻率也存在差異。由于各變電站的分布在廠區(qū)不同位置，之間距離較遠(yuǎn)，根據(jù)巡檢要求，存在巡檢時(shí)間不足、巡檢人員對(duì)設(shè)備巡檢的時(shí)效性不明顯等?，F(xiàn)階段我國(guó)的變電站依舊以人工巡檢的方式為主，這就導(dǎo)致在巡檢的過(guò)程中非常依賴巡檢人員感官與經(jīng)驗(yàn)上的判斷，導(dǎo)致巡檢工作的可靠性較差、勞動(dòng)成本較高、效率低下等問(wèn)題。上述人工巡檢方式對(duì)于設(shè)備的異常發(fā)現(xiàn)較為遲鈍、缺少可靠性[1]。對(duì)變電站進(jìn)行智能化、信息化的改造，提升其數(shù)字化的管理水平。無(wú)人值守智能巡檢機(jī)器人與現(xiàn)代化的變電站相結(jié)合，能夠有效優(yōu)化變電站的管理質(zhì)量，提升工作效率。采用智能巡檢機(jī)器人不僅能夠提升巡檢效率，還能夠在惡劣環(huán)境與偏遠(yuǎn)地區(qū)開(kāi)展巡檢工作，通過(guò)巡檢機(jī)器人數(shù)據(jù)的傳輸，能夠準(zhǔn)確掌握各區(qū)域設(shè)備的情況。由于智能巡檢機(jī)器人的眾多優(yōu)點(diǎn)，各國(guó)對(duì)其開(kāi)展積極研發(fā)，在20世紀(jì)80年代，日本便研發(fā)出了應(yīng)用在500kV變電站的基于路面軌道，利用相機(jī)檢查變電站設(shè)備的智能巡檢機(jī)器人。我國(guó)國(guó)土面積較大，故而各類變電場(chǎng)較多，多場(chǎng)景下工作效率較高的無(wú)人值守智能巡檢機(jī)器人十分有必要在我國(guó)變電站中進(jìn)行推廣應(yīng)用[2]。

2 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)相關(guān)設(shè)計(jì)

智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)包括后臺(tái)軟件系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、軌道系統(tǒng)、機(jī)器人系統(tǒng)、通信系統(tǒng)等。

2.1 機(jī)器人后臺(tái)管理系統(tǒng)

在后臺(tái)管理系統(tǒng)中，主要由本地監(jiān)控后臺(tái)與遠(yuǎn)程集控后臺(tái)組成。作為機(jī)器人系統(tǒng)的中心，本地監(jiān)控后臺(tái)的組成主要包括實(shí)時(shí)監(jiān)控、地圖編輯、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、任務(wù)管理模塊、系統(tǒng)設(shè)置等模塊組成。除了操控機(jī)器人執(zhí)行智能巡檢工作外，本地監(jiān)控后臺(tái)還應(yīng)具備數(shù)據(jù)的采集、儲(chǔ)存與分析等功能。遠(yuǎn)程集控后臺(tái)不僅具有本地監(jiān)控后臺(tái)的功能，還能夠多個(gè)本地監(jiān)控后臺(tái)。通過(guò)遠(yuǎn)程集控后臺(tái)，可以對(duì)多個(gè)巡檢機(jī)器人進(jìn)行數(shù)據(jù)的采取分析與控制，還可以管理更高層次的管理，例如變電站的總和控制管理。遠(yuǎn)程集控后臺(tái)在監(jiān)控模式下，可以操控所有機(jī)器人，下發(fā)巡檢任務(wù)與其他任務(wù)，并進(jìn)行相應(yīng)的功能與動(dòng)作操控。

2.2 機(jī)器人通信系統(tǒng)

在變電站的智能巡檢機(jī)器人中，采用PLC通信系統(tǒng)與整套控制系統(tǒng)通信，PLC通信系統(tǒng)兼容WIFI與5G。通信系統(tǒng)為智能巡檢機(jī)器人提供不小于100Mbps的網(wǎng)絡(luò)帶寬，100mb的寬帶網(wǎng)絡(luò)能夠有效保證變電站內(nèi)巡檢機(jī)器人的信號(hào)需求，實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，例如視頻數(shù)據(jù)、音頻數(shù)據(jù)等。

2.3 機(jī)器人供電系統(tǒng)

在變電站的巡檢機(jī)器人供電系統(tǒng)中，以鋰電池或者使用滑觸線方式對(duì)智能巡檢機(jī)器人供電。將滑觸線安裝在相應(yīng)的軌道上，供電系統(tǒng)取電電壓與輸出電壓分別為220V/50Hz、DC24V。巡檢機(jī)器人中的供電模塊采用濾波技術(shù)，能夠在一定程度上避免外界電網(wǎng)高頻脈沖對(duì)機(jī)器人的供電系統(tǒng)電源產(chǎn)生干擾，最終使機(jī)器人獲得穩(wěn)定供電。

3 變電站巡檢機(jī)器人功能構(gòu)建

3.1 視頻識(shí)別

變電站巡檢機(jī)器人的核心功能便是視頻識(shí)別功能。在巡檢工作中，巡檢機(jī)器人通過(guò)自身的紅外熱像儀與可見(jiàn)光攝像機(jī)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行視頻與圖像采集，之后運(yùn)用自主開(kāi)發(fā)的圖像識(shí)別算法，對(duì)采集到的信息數(shù)據(jù)開(kāi)展分析，進(jìn)行內(nèi)容處理。如圖1所示。

圖1 巡檢機(jī)器人視頻識(shí)別

巡檢機(jī)器人的視頻識(shí)別功能能夠?qū)ψ冸娬緝?nèi)各設(shè)備指示燈、開(kāi)關(guān)、設(shè)備外觀與儀表進(jìn)行識(shí)別，開(kāi)展自動(dòng)表計(jì)讀數(shù)，視頻識(shí)別各部分具有如下功能：LED補(bǔ)光燈主要作用為在暗環(huán)環(huán)境下進(jìn)行視頻補(bǔ)光；防撞雷達(dá)負(fù)責(zé)幫助巡檢機(jī)器人進(jìn)行障礙物檢測(cè)；熱成像儀進(jìn)行熱成像圖像的采集；環(huán)境檢測(cè)模塊是一種環(huán)境檢測(cè)裝置，能夠檢測(cè)巡檢區(qū)域有害氣體；行走機(jī)構(gòu)是主要控制巡檢機(jī)器人行走的機(jī)構(gòu)；升降機(jī)構(gòu)為巡檢機(jī)器人云臺(tái)機(jī)械結(jié)構(gòu)；狀態(tài)燈進(jìn)行巡檢機(jī)器人不同狀態(tài)進(jìn)行燈管指示。各項(xiàng)功能共同作用形成機(jī)器人的視頻識(shí)別作用，對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備與環(huán)境的狀態(tài)信息進(jìn)行全面掌握[3]。

3.2 環(huán)境檢測(cè)

變電站巡檢機(jī)器人環(huán)境檢測(cè)模塊能夠?qū)C(jī)器人周邊環(huán)境進(jìn)行檢測(cè)，如溫度、有害氣體、濕度等信息，如圖2所示。巡檢機(jī)器人將所采集的環(huán)境信息實(shí)時(shí)傳送到后臺(tái)控制中心，為操作人員提供現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的信息。在檢測(cè)環(huán)境時(shí)，機(jī)器人檢測(cè)到有害氣體或者其他因素指標(biāo)超標(biāo)時(shí)，將觸發(fā)報(bào)警模塊，第一時(shí)間提醒操作人員。同時(shí)巡檢機(jī)器人能夠與多種環(huán)境檢測(cè)設(shè)備對(duì)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)環(huán)境信息開(kāi)展多方位的監(jiān)測(cè)，之后進(jìn)行信息的匯總與分析，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境各設(shè)備的異常頻率，進(jìn)行重點(diǎn)區(qū)域規(guī)劃，從而輔助配網(wǎng)運(yùn)維決策。

圖2 環(huán)境檢測(cè)示意圖

3.3 局放監(jiān)測(cè)

為了進(jìn)行地電波與超聲波監(jiān)測(cè)，智能巡檢機(jī)器人在內(nèi)部搭載局放監(jiān)測(cè)傳感器。在進(jìn)行環(huán)境檢測(cè)，檢測(cè)到開(kāi)關(guān)柜等變電站設(shè)備內(nèi)出現(xiàn)局部放電異常時(shí)，第一時(shí)間進(jìn)行報(bào)警。局放檢測(cè)設(shè)備能夠有效監(jiān)測(cè)開(kāi)關(guān)柜等設(shè)備，其控制后臺(tái)與數(shù)據(jù)模塊能夠進(jìn)行自動(dòng)繪圖與自主識(shí)別，局方異常時(shí)，能夠進(jìn)行應(yīng)急模式巡檢與各系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，在后臺(tái)管理系統(tǒng)中能夠?qū)?shù)據(jù)進(jìn)行歷史情況分析，之后進(jìn)行整合與診斷。

3.4 預(yù)警聯(lián)動(dòng)

巡檢機(jī)器人在變電站進(jìn)行巡檢工作的過(guò)程中，通過(guò)各類數(shù)據(jù)信息的分析，針對(duì)異常數(shù)據(jù)進(jìn)行第一時(shí)間的預(yù)警。預(yù)警表達(dá)主要為界面警告與聲光警告兩種方式，來(lái)達(dá)到提醒工作人員的目的。后臺(tái)數(shù)據(jù)異常時(shí)，在監(jiān)控軟件的界面上將會(huì)出現(xiàn)警告信息，工作人員通過(guò)操作來(lái)顯示警告信息。同時(shí)預(yù)警系統(tǒng)通過(guò)大數(shù)據(jù)分析與專家診斷技術(shù)，以變電站設(shè)備檔案的數(shù)據(jù)庫(kù)為基礎(chǔ)，將巡檢機(jī)器人所采集的信息數(shù)據(jù)，結(jié)合專家分析，從多個(gè)角度進(jìn)行整合分析，針對(duì)設(shè)備缺陷與風(fēng)險(xiǎn)，預(yù)測(cè)設(shè)備可能出現(xiàn)的問(wèn)題，之后結(jié)合顯示情況，提出相關(guān)維護(hù)建議。例如設(shè)備零件的保養(yǎng)清洗與維護(hù)更換建議，達(dá)到預(yù)防性維護(hù)。通過(guò)對(duì)變電站各設(shè)備的故障與特征進(jìn)行分析，巡檢機(jī)器人故障診斷系統(tǒng)利用實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)與專家診斷模型，構(gòu)建故障排查與分析機(jī)制，針對(duì)性地提出解決方案。

3.5 巡檢機(jī)器人自檢功能

作為巡檢變電站的主體，智能巡檢機(jī)器人在前端搭建檢測(cè)數(shù)據(jù)信息。在日常巡檢之前，機(jī)器人開(kāi)展自我檢查，自我檢查的內(nèi)容包括電機(jī)、云臺(tái)、相機(jī)、熱成像儀等，再自檢過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)異常及時(shí)進(jìn)行警報(bào)，同時(shí)將異常信息實(shí)時(shí)上傳至后臺(tái)軟件系統(tǒng)，使工作人員能夠快速發(fā)現(xiàn)機(jī)器人故障，能夠有效地提升故障解決效率，減少機(jī)器人故障處理時(shí)間。

4 變電站巡檢機(jī)器人巡檢模式設(shè)計(jì)

變電站巡檢機(jī)器人具有自動(dòng)巡檢模式與人工遙控巡檢模式兩種，工作人員根據(jù)變電站現(xiàn)實(shí)情況進(jìn)行巡檢機(jī)器人巡檢模式設(shè)置。巡檢機(jī)器人自主進(jìn)行巡檢工作，其自動(dòng)化與智能化的程度較高，能夠代替人工巡檢。

4.1 自動(dòng)巡檢模式

機(jī)器人按照設(shè)置好的巡檢路徑進(jìn)行自動(dòng)巡檢即自動(dòng)巡檢模式。機(jī)器人自動(dòng)巡檢模式中還分為例行巡檢與特殊巡檢兩種方式，并且這兩種方式能夠?qū)崿F(xiàn)相互轉(zhuǎn)換。在巡檢機(jī)器人中搭設(shè)攝像機(jī)、熱成像儀、拾音器等環(huán)境檢測(cè)設(shè)施，巡檢機(jī)器人按照預(yù)設(shè)的路線，對(duì)變電站內(nèi)各設(shè)備進(jìn)行溫度、濕度、拍照等環(huán)境因素進(jìn)行巡檢，將各區(qū)域的環(huán)境信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)胶笈_(tái)管理系統(tǒng)中，在系統(tǒng)中進(jìn)行整合分析，生成分析報(bào)告。自動(dòng)巡查具體工作包括設(shè)備電流電壓檢測(cè)、局放監(jiān)測(cè)等，特殊巡檢需要根據(jù)工作人員所制定的特殊地點(diǎn)開(kāi)展機(jī)器人巡檢。

4.2 遙控巡檢模式

遙控巡檢模式是指工作人員通過(guò)人工遙控的方式，操作智能巡檢機(jī)器人進(jìn)行站內(nèi)巡檢。機(jī)器人人工遙控的巡檢模式適用于工作人員需要對(duì)特定設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)的情況，例如在巡檢機(jī)器人在自動(dòng)巡檢的過(guò)程中，設(shè)備與環(huán)境出現(xiàn)異常，機(jī)器人警報(bào)時(shí)，工作人員可以立刻通過(guò)后臺(tái)管理程序，進(jìn)行巡檢模式的切換，通過(guò)機(jī)器人的操控第一時(shí)間的了解現(xiàn)場(chǎng)情況與異常位置，為應(yīng)急操作提供有效支撐。

5 巡檢機(jī)器人自主充電設(shè)計(jì)

巡檢機(jī)器人進(jìn)行自助充電，能夠使機(jī)器人實(shí)用性有效增加，減少出現(xiàn)因?yàn)殡娏Σ蛔愣鴮?dǎo)致巡檢工作出現(xiàn)意外。在巡檢機(jī)器人中，搭載專用的大容量鋰電池，同時(shí)在巡檢軌道起點(diǎn)處暗轉(zhuǎn)無(wú)線充電裝置，在開(kāi)展巡檢工作中，機(jī)器人電量低到一定閾值時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)通過(guò)電機(jī)使巡檢機(jī)器人快速返回到無(wú)線充電裝置處。在無(wú)線充電裝置處設(shè)有RFID射頻標(biāo)簽，通過(guò)掃描識(shí)別充電倉(cāng)門外的RFID射頻標(biāo)簽，同時(shí)將相關(guān)信息數(shù)據(jù)上傳到上位機(jī)，上位機(jī)根據(jù)指示下達(dá)“開(kāi)門”指令，無(wú)限充電裝置的防爆門打開(kāi)，伸縮軌自動(dòng)伸出，巡檢機(jī)器人通過(guò)伸縮軌進(jìn)入充電倉(cāng)中，開(kāi)始進(jìn)行無(wú)線充電。自助充電的設(shè)計(jì)能夠有效地避免智能巡檢機(jī)器人在巡檢工作開(kāi)展的過(guò)程中因?yàn)殡娏亢谋M，而導(dǎo)致其無(wú)效巡檢，實(shí)現(xiàn)了長(zhǎng)時(shí)間、穩(wěn)定、有效供電。

組合電池（PACK）與動(dòng)力電池管理系統(tǒng)（BMS）連接在充電板架構(gòu)中，系統(tǒng)對(duì)巡檢機(jī)器人電池狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，同時(shí)提供均衡功能；電池的電壓和電量由模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）進(jìn)行收集，之后通過(guò)數(shù)字接口連接微控制單元（MCU）；單片機(jī)對(duì)電池恒壓、恒流充電進(jìn)行控制。

6 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在變電站中，使用智能巡檢機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工巡檢、設(shè)備管控、無(wú)人值守，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)變電站整個(gè)區(qū)域的掌控，降低人員與物資成本，實(shí)現(xiàn)變電站的減員增效，最終提升管理與運(yùn)維質(zhì)量。