智能化技術(shù)在變電運維技術(shù)中的應用

中鐵二院工程集團有限責任公司 楊寶軍

1 引言

隨著人們生活質(zhì)量的不斷提升，對供電的需求量呈爆炸式增長趨勢，對供電質(zhì)量要求也日益增高，給變電運維工作帶來了很大難度。近年來，智能化技術(shù)在各行各業(yè)都得到了廣泛應用，在變電運維工作中合理引進智能化技術(shù)，不僅能顯著提升變電運維過程的質(zhì)量，還能提升工作效率。

2 工程案例介紹

本文結(jié)合具體案例詳細介紹變電運維技術(shù)中智能化技術(shù)的應用情況。某220kV 變電站共設置有兩臺主變壓器，每臺變壓器的容量為18萬kVA，所有變壓器全部基于雙母線方式接線，共計有四回進線。110kV變壓系統(tǒng)同樣基于雙母線接線方式，共有14回出線。另外，本變電站還設計有35kV 變壓系統(tǒng)，共有6回出線。變電站中使用的一次設備全部在室外敞開布置。

3 智能機器人巡檢系統(tǒng)的構(gòu)成

3.1 智能機器人系統(tǒng)概述

參與變電運維工作的智能化機器人的整體框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。整體上可以分為三個層級，分別為終端層、通訊層和基站層?；诜植际骄W(wǎng)絡結(jié)構(gòu)實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息傳輸。智能機器人的巡檢系統(tǒng)可以融入集中控制系統(tǒng)中，進而通過遠程終端操作，實現(xiàn)機器人的巡檢工作。終端層主要包括終端設備，比如比較重要的智能機器人本身以及充電室等；通訊層的作用是實現(xiàn)終端層與基站層之間的連接，對數(shù)據(jù)進行傳輸，很多環(huán)節(jié)是基于無線網(wǎng)絡技術(shù)進行無線傳輸；基站層主要包括一些基礎設施，包括視頻監(jiān)控器、基站系統(tǒng)、硬盤錄像機、防火墻等[1]。

圖1 變電站智能機器人系統(tǒng)的整體框架

3.2 智能巡檢機器人概述

智能巡檢機器人主要是依靠各類專業(yè)傳感器和攝像頭，對周圍的信息參數(shù)進行感知，進而實現(xiàn)巡檢和監(jiān)控的效果。其中比較重要的傳感器裝置包括紅外線成像儀、超聲傳感儀、激光雷達、夜間照明等裝置，同時包含精確的定位系統(tǒng)，可以實現(xiàn)自主導航。工作人員可以在系統(tǒng)中設置巡檢的路線，智能機器人按照設定內(nèi)容開展巡檢工作。智能機器人配備有可見攝像儀、雨刷等部件，即便是在雨雪天氣也可完成相關(guān)工作內(nèi)容。在自主導航系統(tǒng)的輔助作用下，操作人員可以遠程遙控智能機器人進行巡檢[2]。經(jīng)過5年的實踐表明，所述的智能巡檢機器人具備非?？煽康膶Ш叫阅?，能夠規(guī)避外部因素對巡檢過程造成的干擾，實現(xiàn)全天候自動化巡檢控制。采用的是無軌化激光導航技術(shù)，方便工作人員隨時定位巡檢機器人的具體位置。智能巡檢機器人的主要性能參數(shù)見表1。

表1 智能巡檢機器人主要性能參數(shù)

3.3 充電室

智能巡檢機器人利用電池供電，需要建設配套的充電室對智能巡檢機器人進行補能。對于一般的巡檢機器人，在完成巡檢工作后，會自動回到充電室或者在遠程終端的控制作用下，讓機器人回到充電室進行充電。為了保護充電室內(nèi)的設備并確保安全，充電室配備有門禁系統(tǒng)和自動充電設備。該設備控制系統(tǒng)與智能巡檢機器人進行聯(lián)動，根據(jù)智能巡檢機器人的工作任務，自動判斷是否開啟門禁系統(tǒng)，并對巡檢機器人進行充電。可以實現(xiàn)全自動化工作，無須人為干預。特殊情況下可通過人為方式對巡檢機器人的充電過程進行操作。智能機器人有自主充電和電量管理系統(tǒng)，可以自動識別電量并自動回到充電室進行補能。如果遇到特殊情況無法回到充電室時，需要通過人工方式將其轉(zhuǎn)運至充電室進行充電。

3.4 輔助設備

智能巡檢機器人正常運行過程中需要用到很多輔助設備，比如為了對周圍的風速、溫度和濕度等重要環(huán)境信息進行檢測，需要安裝風速傳感器、溫濕度傳感器等對參數(shù)進行感知，同時需要利用無線通信網(wǎng)橋等輔助設備對數(shù)據(jù)信息進行無線傳輸。利用傳感器檢測得到的數(shù)據(jù)信息會上傳至上位機中，上位機中內(nèi)置的算法程序?qū)z測信息進行綜合分析處理，判斷其準確性和可靠性。為了保證巡檢機器人的穩(wěn)定可靠運行，要求無線網(wǎng)絡能夠覆蓋整個變電站，且持續(xù)保持信號穩(wěn)定，關(guān)鍵的傳感器必須正?？煽窟\行[3]。

3.5 上位機和下位機

上位機設置在變電站運維人員辦公室區(qū)域內(nèi)，主要硬件設施有監(jiān)控屏幕、存儲服務器等，作用是對變電站運行過程中的狀態(tài)信息參數(shù)進行實時展示，以便工作人員能掌握變電站的運行狀態(tài)。工作人員可以在上位機中對智能巡檢機器人進行遠程控制，完成一些特殊的任務。

下位機主要是指設置在機器人系統(tǒng)中的軟件程序，根據(jù)軟件程序可以對巡檢系統(tǒng)進行遠程監(jiān)控、就地指揮等功能。系統(tǒng)運行過程中會產(chǎn)生大量數(shù)據(jù)信息，這些數(shù)據(jù)信息上傳至遠程控制平臺的服務器中進行存儲，后續(xù)工作人員可根據(jù)需要實時調(diào)取數(shù)據(jù)信息?；谛畔⒖梢钥焖俣ㄎ蛔冸娺\維故障問題，縮短故障定位及修復時間。

4 智能機器人巡檢系統(tǒng)功能分析

4.1 紅外測溫功能

變電運維過程中需要對一些關(guān)鍵點的溫度進行實時監(jiān)控，避免溫度過高影響設備正常穩(wěn)定運行。利用智能機器人巡檢系統(tǒng)可以設置一些關(guān)鍵監(jiān)測點，系統(tǒng)基于紅外測溫裝置，采用多角度全方位方式對這些關(guān)鍵監(jiān)測點的溫度實現(xiàn)實時監(jiān)測。除對關(guān)鍵點溫度進行監(jiān)測外，還可以對整個設備的溫度場分布情況進行整體掃描。基于紅外測溫功能可以實現(xiàn)變電站全方位溫度監(jiān)測，避免出現(xiàn)監(jiān)測盲區(qū)現(xiàn)象。一旦系統(tǒng)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)設備溫度過高，超過系統(tǒng)設置的安全閾值范圍，智能機器人系統(tǒng)會向外發(fā)出警告信號，工作人員能及時發(fā)現(xiàn)存在的溫度過高問題，進而采取有效措施對設備進行降溫，確保設備的穩(wěn)定運行，防止設備溫度過高而罷工[4]。另外，紅外測溫功能檢測得到的所有溫度信息會在服務器中存儲，可以利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對溫度信息進行深入挖掘分析，進而對變電站主要設備的溫度變化趨勢進行預測，能及時發(fā)現(xiàn)潛在的安全隱患和故障問題，為變電運維方案的制定提供科學的數(shù)據(jù)支撐。

4.2 設備狀態(tài)與表計識別功能

智能機器人巡檢過程中，需要利用攝像儀對周圍的環(huán)境進行拍攝，并基于圖像處理技術(shù)分析圖片中蘊含的關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息，進而判斷變電站中主要設備的運行狀態(tài)以及一些儀表的讀數(shù)等。根據(jù)識別結(jié)果，將內(nèi)置的安全閾值范圍進行對比，如果超過了系統(tǒng)設置的安全閾值范圍，會立刻發(fā)出報警信號，工作人員能及時發(fā)現(xiàn)問題并處理。比如，本文所述的智能巡檢機器人可以對周圍的各種氣候條件進行自動化識別，通過與實際情況進行對比，發(fā)現(xiàn)識別結(jié)果具有非常高的精度，與人工識別結(jié)果之間的誤差在5%范圍以內(nèi)。

4.3 數(shù)據(jù)分析功能

數(shù)據(jù)分析功能是指智能巡檢機器人系統(tǒng)收集數(shù)據(jù)信息后上傳至服務器中，軟件程序?qū)@些信息進行自動化的分類與整理，最終生成數(shù)據(jù)報表。工作人員在獲得數(shù)據(jù)報表后進行深入的挖掘分析，可以及時發(fā)現(xiàn)變電站運行過程中存在的異常問題，為后續(xù)變電運維方案制定提供數(shù)據(jù)支撐。在該環(huán)節(jié)大數(shù)據(jù)分析技術(shù)可以發(fā)揮更大的作用，利用當前比較先進的大數(shù)據(jù)分析技術(shù)，可以深入挖掘數(shù)據(jù)信息中潛在的價值，在一定程度發(fā)揮數(shù)據(jù)信息的作用[5]。

5 智能機器人圖像增強改進措施

智能巡檢機器人正常工作時涉及大量的圖像處理過程，圖像處理質(zhì)量和效果會直接決定智能機器人整體的應用水平。為了確保機器人從圖像中獲取的數(shù)據(jù)信息能夠更好地反映變電站運行狀態(tài)，需要強化智能巡檢機器人的圖像處理效果，對圖像處理過程進行優(yōu)化。就目前的技術(shù)而言，可以充分利用雙邊濾波器以及基于分層處理的圖像增強技術(shù)強化機器人的圖像處理質(zhì)量。利用現(xiàn)有的技術(shù)對圖像進行處理時，圖像基本層自身會出現(xiàn)較大范圍的波動，很多細節(jié)成分都被處理掉了。對基層圖像實施壓縮處理后，會進一步影響最終圖像的對比度，進而影響圖形識別的效果。所以針對圖像進行處理時，特別是在基層圖像處理方面，需要重點關(guān)注圖像對比度的處理。直方均衡處理方法是調(diào)整圖像對比度的重要方法，這種方法具有使用便捷、操作簡單等優(yōu)勢?；谠摲椒梢缘玫揭粋€直方圖函數(shù)H(i)，處理過程中需要設置一個投影閾值T。根據(jù)系統(tǒng)設置的閾值T，可以對直方圖函數(shù)H(i)實施二值化處理，最終可以得到一個二值化的直方圖B(i)，二值化直方圖B(i)的函數(shù)為：

B(i)的累計直方圖函數(shù)為：

式中，n表示輸入圖像的數(shù)據(jù)位寬，有效灰度的個數(shù)nmax為累積結(jié)果。對于直方圖，有效灰度個數(shù)的最大值為：

nmax=P(2N-1)

數(shù)據(jù)位寬與顯示設備性能存在直接關(guān)系，假設顯示設備的數(shù)據(jù)位寬大小為M，當nmax超過2M時，意味著有效灰度個數(shù)已經(jīng)超過了系統(tǒng)能夠正常顯示的范圍，說明設備無法有效展示內(nèi)容比較豐富或者復雜的圖像信息。

基于分析可以看出，顯示設備允許的最大灰度動態(tài)范圍2M就是圖像輸出的最大動態(tài)范圍。在對圖像信息進行處理時，如果只是一味地增大圖像灰度的最大動態(tài)范圍，通過一定手段將其強制擴大到2M，最終的結(jié)果是導致圖像灰度失真，從而加大圖像處理時噪聲點的數(shù)量，最終影響智能機器人圖像處理的質(zhì)量和效果。假設顯示設備允許的最大動態(tài)范圍為R。

R=min(nmax,2M)

此時輸出的圖像為式：

基于模型給出的圖像，能盡量降低噪聲點數(shù)量，提升圖像處理效果。

6 結(jié)語

近年來我國在智能化領(lǐng)域取得了飛速發(fā)展，很多智能化技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域和人們?nèi)粘Ｉ钪卸加袕V泛應用。變電運維工作是供電系統(tǒng)運行時非常重要的一環(huán)，其質(zhì)量和效率直接影響了供電質(zhì)量。目前很多智能化技術(shù)逐漸在變電運維技術(shù)中得到了一定的應用，經(jīng)過實踐驗證發(fā)現(xiàn)取得了較好的效果，在促進變電運維技術(shù)水平提升方面發(fā)揮著重要的作用。本文以220kV 變電站的運維工作為例，介紹了智能巡檢機器人在變電運維工作中的應用情況，經(jīng)過5年時間的應用發(fā)現(xiàn)達到了預期效果，極大促進了變電運維工作質(zhì)量和效率的提升，值得進一步推廣應用。