變電站區(qū)域型遠程智能巡檢系統(tǒng)的設計與應用

黃建陽，陳 碩

（國網(wǎng)浙江省電力有限公司杭州市余杭區(qū)供電公司，浙江 杭州 311100）

0 引言

隨著電力系統(tǒng)的快速發(fā)展和變電站數(shù)量的不斷增加，變電站的巡檢和維護工作量越來越大。然而在傳統(tǒng)的人工巡檢中，巡檢人員耗費大量時間和精力，逐個區(qū)域巡檢所轄變電站。這種方式存在著低效率的問題，無法滿足日益增長的巡檢需求。此外，變電站通常存在著一定的安全風險，如高溫、高壓環(huán)境或有限制性的空間可能對巡檢人員存在著潛在的危險。綜上，傳統(tǒng)的人工巡檢方式往往勞動強度大、工作效率低、檢測質量分散、管理成本高且存在較高的安全風險等明顯不足[1]；因此，尋求一種替代方案以提高巡檢效率和降低安全風險變得尤為重要。

通過設計一套變電站輔助控制系統(tǒng)[2]，機器人巡視代替人工巡視[3]，實現(xiàn)變電站遠程巡檢，提高巡檢效率和降低安全風險。

本文旨利用先進的技術手段，如機器人、無人機、監(jiān)控攝像頭和聲紋監(jiān)測裝置等聯(lián)合自動巡檢技術，設計出一套遠程巡檢系統(tǒng)，對區(qū)域變電站實現(xiàn)遠程巡檢和實時監(jiān)測。機器人或無人機搭載高清攝像頭和聲紋監(jiān)測裝置，能夠對變電站進行全方位的巡檢和數(shù)據(jù)采集。監(jiān)控攝像頭和聲紋監(jiān)測裝置實時傳輸區(qū)域變電站的信號到區(qū)域巡檢主機，區(qū)域巡檢主機負責下放控制、巡檢任務等指令，并接收上送的巡檢數(shù)據(jù)、采集文件等，同時調用智能分析主機對采集的數(shù)據(jù)進行智能分析，形成巡檢結果和巡檢報告，使運維人員能夠實時監(jiān)測變電站的運行情況。

1 系統(tǒng)組成和功能

區(qū)域型智能遠程巡檢系統(tǒng)是基于機器人、無人機技術、監(jiān)控攝像頭和聲紋監(jiān)測裝置等聯(lián)合自動巡檢技術，實現(xiàn)所轄區(qū)域各個變電站設備情況實時巡檢，在變電站布局了1 000 多個巡視點，并通過在變電站部署邊緣巡視主機，融合視頻監(jiān)控、動力環(huán)境監(jiān)控、機器人巡檢、智能門禁等數(shù)據(jù)，實現(xiàn)全方位智能巡視及監(jiān)控，具備監(jiān)視并獲取儀表數(shù)據(jù)、數(shù)據(jù)識別、紅外測溫、智能巡檢、人員安全帽識別、缺陷識別、視頻顯示、報警等功能，實現(xiàn)主輔設備與巡視系統(tǒng)的聯(lián)動功能。

1.1 系統(tǒng)組成

區(qū)域巡檢系統(tǒng)由區(qū)域巡檢主機、智能分析主機、攝像頭、機器人、無人機等組成，系統(tǒng)構架如圖1所示。

圖1 區(qū)域巡檢系統(tǒng)構架圖

按照變電站端是否部署邊緣節(jié)點分為邊緣節(jié)點型和直接接入型2 種接入方式，具備數(shù)據(jù)采集、自動巡檢、智能分析、實時監(jiān)視、智能聯(lián)動等功能，可實現(xiàn)多個變電站的遠程智能巡檢。

1.2 系統(tǒng)功能

區(qū)域巡檢主機。區(qū)域巡檢主機具備多個變電站的攝像機、聲紋監(jiān)測裝置等巡檢設備及邊緣節(jié)點的接入能力，同時具備巡檢任務下放、任務管理、巡檢數(shù)據(jù)采集與接收、巡檢監(jiān)控、調用智能分析主機進行智能分析、報告生成以及基礎配置管理等功能。

智能分析主機。智能分析主機具備設備狀態(tài)分析、設備缺陷分析、人員行為分析、系統(tǒng)安全分析等功能，支持從區(qū)域巡檢主機獲取待分析圖像或音頻文件進行分析。

邊緣節(jié)點。邊緣節(jié)點是實現(xiàn)所在變電站攝像頭、無人機、機器人、聲紋監(jiān)測裝置等巡檢設備接入的裝置，能夠接收區(qū)域巡檢主機下發(fā)的模型和控制命令等，并負責調度對應的巡檢設備，完成數(shù)據(jù)采集及上送；同時還具備靜默監(jiān)視圖片篩選、智能聯(lián)動以及巡檢設備狀態(tài)上送等功能。當變電站存在以下需求時應配置邊緣節(jié)點：

變電站內主輔設備監(jiān)控系統(tǒng)有智能聯(lián)動或一鍵順控視屏雙確認需求時，應配置邊緣節(jié)點實現(xiàn)與主輔設備監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)交互；

變電站與區(qū)域巡檢主機網(wǎng)絡斷鏈時，有巡檢任務不間斷需求，應配置邊緣節(jié)點實現(xiàn)巡檢任務自主執(zhí)行；

變電站有無人機、機器人、s 級靜默監(jiān)視攝像頭等巡檢設備時，應配置邊緣節(jié)點進行接入和管理。

高清視頻。高清視頻由硬盤錄像機、高清攝像頭、紅外熱像攝像機等組成，具備站內設備、環(huán)境、人員的實時監(jiān)視、紅外數(shù)據(jù)采集及錄像存儲和回放等功能。攝像機可采用有線和無線2 種接入方式，其中無線攝像機應滿足入網(wǎng)控制、訪問授權與認證、審計、保密、禁用端口、網(wǎng)絡攻擊防御、安全漏洞等信息安全要求。高清視頻在區(qū)域巡檢系統(tǒng)的調度下，按照既定策略采集圖像、溫濕度等數(shù)據(jù)并上傳。

機器人巡檢系統(tǒng)。機器人巡檢系統(tǒng)具備巡檢模型的建立、巡檢任務調度及控制、巡檢數(shù)據(jù)采集及上送、系統(tǒng)設備管理及監(jiān)視、環(huán)境數(shù)據(jù)采集與上送等功能。變電站用機器人主要分為輪式機器人和軌道式機器人2 種類型，其中輪式機器人主要用于設備紅外測溫、表計識別、巡檢點位補強、應急監(jiān)視；軌道式機器人主要用于室內屏柜或高壓開關柜等設備日常巡檢。

無人機巡檢系統(tǒng)。無人機巡檢系統(tǒng)主要用于站內高空構筑物、設備等可見光巡檢、紅外測溫等，可按照指定的預設航線執(zhí)行巡檢任務，完成數(shù)據(jù)采集并上送，同時具備飛行狀態(tài)、任務進度等數(shù)據(jù)實時交互及無人機的存放管理、電能管理、機巢內環(huán)境管控等功能，其中系統(tǒng)軟件可采用集中式部署或站端分布式部署。

2 系統(tǒng)運行機制

2.1 視頻調閱

區(qū)域巡視主機向站端視頻采集設備下發(fā)調閱指令，獲取視頻數(shù)據(jù)，對攝像機進行云鏡控制前，查詢攝像機所在任務執(zhí)行狀態(tài)，限制調閱者對處于執(zhí)行任務中攝像機的云鏡控制功能，當任務結束后，被調閱攝像機恢復云鏡控制功能，如圖2 所示。

圖2 視頻調閱流程圖

2.2 例行巡視

邊緣節(jié)點型的巡視流程：區(qū)域巡視主機下發(fā)已編輯完成的巡視任務，邊緣節(jié)點根據(jù)任務執(zhí)行策略調度站內巡視設備，開展聯(lián)合巡視作業(yè)，將巡視數(shù)據(jù)、采集文件等上送至區(qū)域巡視主機，區(qū)域巡視主機調用智能分析主機對巡視數(shù)據(jù)進行智能分析，生成巡視報告，流程如圖3 所示。

圖3 邊緣節(jié)點型例行巡視流程圖

直接接入型的巡視流程：區(qū)域巡視主機制定任務策略，直接調度站內巡視設備開展聯(lián)合巡視作業(yè)，并將巡視數(shù)據(jù)、采集文件等上送到區(qū)域巡視主機，區(qū)域巡視主機調用智能分析主機對巡視數(shù)據(jù)進行智能分析，生成巡視報告。流程如圖4 所示。

圖4 直接接入型例行巡視流程圖

2.3 靜默監(jiān)視

邊緣節(jié)點型：在站端邊緣節(jié)點和巡視設備均未執(zhí)行各種任務時，邊緣節(jié)點接收攝像機執(zhí)行靜默監(jiān)視所采集的圖片，完成圖片篩選，并將篩選后的圖片上傳至區(qū)域巡視主機，區(qū)域巡視主機調用智能分析主機實現(xiàn)對圖片的進一步智能分析，生成告警信息。流程如圖5 所示。

圖5 邊緣節(jié)點型靜默監(jiān)視運行流程圖

直接接入型：在區(qū)域巡視主機和直接控制的巡視設備均未執(zhí)行各種任務時，區(qū)域巡視主機直接控制變電站內視頻設備采集圖片，區(qū)域巡視主機調用智能分析主機將采集的圖片進行智能分析，生成告警信息。流程如圖6 所示。

圖6 直接接入型靜默監(jiān)視流程圖

2.4 智能聯(lián)動

主輔設備監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)由正向隔離裝置發(fā)送聯(lián)動信號至邊緣節(jié)點，邊緣節(jié)點收到聯(lián)動信號后轉發(fā)至區(qū)域巡視主機并開始執(zhí)行聯(lián)動任務；區(qū)域巡視主機根據(jù)需求通過圖像采集設備獲取視頻數(shù)據(jù)。流程如圖7 所示。

圖7 邊緣節(jié)點型智能聯(lián)動流程圖

2.5 一鍵順控視頻確認

一鍵順控視頻確認判據(jù)應與遠程智能巡視系統(tǒng)復用，區(qū)域巡視系統(tǒng)中邊緣節(jié)點通過正向隔離裝置接收主輔設備監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送的順控操作聯(lián)動信號，并轉發(fā)至區(qū)域巡視主機，區(qū)域巡視主機和邊緣節(jié)點收到聯(lián)動信號后按需通過圖像采集設備獲取視頻數(shù)據(jù)進行界面展示；邊緣節(jié)點根據(jù)任務執(zhí)行策略調用巡視設備完成圖像數(shù)據(jù)采集并將圖像數(shù)據(jù)立即上送至區(qū)域巡視主機，區(qū)域巡視主機調用智能分析主機完成圖像分析并生成順控確認反饋文件，并將文件送至邊緣節(jié)點；主輔設備監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)反向隔離裝置獲取順控確認反饋文件。流程如圖8 所示。

圖8 一鍵順控視頻雙確認流程圖

3 遠程智能巡檢系統(tǒng)在變電站中的應用

浙江220 kV 某變電站建設并應用遠程智能巡檢系統(tǒng)，遠程智能巡視系統(tǒng)由1 臺巡檢機器人、108臺高清視頻設備、油色譜在線監(jiān)測、振動監(jiān)測、鐵芯接地電流在線監(jiān)測、SF6壓力在線監(jiān)測、微氣象等組成。巡檢內容全面覆蓋主變等大型充油設備及GIS、主變低壓側無功等設備外觀類巡視項目，通過遠程智能巡視，實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集、自動巡視、智能識別、異常分析、實時監(jiān)控、智能聯(lián)動等功能，輔助運檢人員開展日常巡視工作，提升變電站設備監(jiān)控及巡視質量，通過遠程巡視和自動巡檢，實現(xiàn)全站設備例行巡視由機器完成。

表1 任務執(zhí)行情況

3.1 例行巡視應用

遠程智能巡視系統(tǒng)主要具備例行巡視、特殊巡視及固定點巡視3 大功能。例行巡視方面，每日對主變進行1 次例行巡視，自動生成巡檢報告，運維人員對巡檢報告中異常數(shù)據(jù)進行核查，確認完畢后完成自動巡視任務。特殊巡視方面，具備巡視任務定制及臨時啟動功能，運維人員提前編制特殊巡視任務，針對突發(fā)異常情況，可在后臺臨時建立特巡任務、確定巡視周期并啟動下發(fā)巡視任務，對異常設備進行高頻次特殊巡視。固定點巡檢方面，在遠程智能巡視系統(tǒng)建立完整巡視點位，運維人員可快速定位相應設備，查看實時畫面，確認設備狀態(tài)。

遠程智能巡視系統(tǒng)投運以來，根據(jù)巡視需要共編制全站開關位置巡視、開關油壓抄錄、瓦斯繼電器巡視、套管油位抄錄、主變油溫表/油位表抄錄等多項巡視任務。根據(jù)國家電網(wǎng)公司遠程智能巡視替代大型充油設備例行巡視工作要求，及時調整了巡視任務，在原任務的基礎上增加了主變例行巡視任務。

目前該變電站已實現(xiàn)“視頻 + 機器人”對設備外觀巡視全覆蓋，主變區(qū)域覆蓋全部人工例行巡視點位，替代率為100%，并將油色譜、鐵芯夾件、主變振動等在線監(jiān)測數(shù)據(jù)實時同步接入輔控系統(tǒng)，及時有效地發(fā)現(xiàn)設備內部異常缺陷。

同步建立“機器 + 人工”核查機制，由機器開展實時圖像采集信息與歷史數(shù)據(jù)比對分析，由人工定時開展?jié)B漏油等巡視項目人工核查，進一步補齊系統(tǒng)短板。實用化運行期間，共計開展遠程巡視任務149 項，發(fā)現(xiàn)設備缺陷2 項，如表1 所示。

3.2 站端缺陷圖像識別算法應用

遠程智能巡視系統(tǒng)從2022 年10 月啟動，至2023 年9 月期間的運行中，結合現(xiàn)場巡視業(yè)務情況，開展針對性巡視任務驗證對比。經(jīng)驗證，油污（漏油）識別率/準確率為76%/70%，設備工況識別率/準確率為85%/80%；蓋板破損或缺失、箱門閉合異常、絕緣子破損等4 類識別率/準確率良好，均高于84%；其余濃煙、表計、狀態(tài)指示等識別5 類識別率/準確率較高，均達到90%以上。

3.3 遠程智能巡視系統(tǒng)可靠性

系統(tǒng)運行期間，攝像機錄像完整率達96.80%，平均在線時長1 854.95 h，累計離線19 次，連續(xù)正常運行最高天數(shù)78 天，累計自檢正常85 天，累計正常巡視天數(shù)85 天，任務漏檢率5.84%，任務執(zhí)行閉環(huán)率91.54 %，告警準確率93.81 %；機器人平均在線時長1 815.7 h，累計離線21 次，連續(xù)正常運行最高天數(shù)62 天，累計自檢正常82 天，累計正常巡視天數(shù)84 天，任務漏檢率7.11%，任務執(zhí)行閉環(huán)率85.14%，告警準確率90.32%，如表2 所示。

表2 系統(tǒng)可靠性情況

3.4 巡視報告示例

遠程智能巡視系統(tǒng)生成的巡視報告詳細巡視記錄了各個設備位置指示、信號燈指示、儀表示數(shù)、設備外觀以及設備運行環(huán)境綜合分析，展示異常點位匯總記錄，再展示待人工確認點位匯總（經(jīng)過審核的最終版巡視報告不包含此項），最后展示正常點位匯總。巡視報告示例分報頭信息和數(shù)據(jù)信息，如表3、表4 所示。

表3 巡視報告報頭信息

表4 巡視報告數(shù)據(jù)信息

綜上，變電站遠程智能巡視系統(tǒng)滿足業(yè)務需求，通過利用機器聯(lián)合替代人工巡視，極大地提高了設備巡視效率，提升了運維工作質量，強化了對變電設備的管控力。在全面巡視方面，運維人員僅需完成現(xiàn)場開箱、小室開柜檢查等巡視工作，大大減輕巡視工作量；例行巡視方面，表計檢查和抄錄工作全部由機器替代；應急巡視方面，通過制定機器專項巡視策略，派發(fā)應急巡視任務，顯著降低了主變等設備的異常檢查和人工巡視的風險，保障運維人員人身安全。

通過對實際變電站的應用實驗，驗證了該區(qū)域型智能遠程巡檢系統(tǒng)的可行性和有效性。結果顯示，該系統(tǒng)能夠準確地識別出變電站的異常情況，并及時向集控站發(fā)送警報。與傳統(tǒng)的人工巡檢相比，系統(tǒng)顯著縮短了巡檢的時間，提高了效率，同時降低了人工巡檢的風險。

4 結論

區(qū)域型遠程智能巡視系統(tǒng)，在傳統(tǒng)變電站裝上了監(jiān)控視頻，能夠將設備位置指示、信號燈指示、儀表示數(shù)、設備外觀以及設備運行環(huán)境綜合分析給出判斷，將同期同類型的設備數(shù)據(jù)進行橫向對比，形成設備報告，并由運維人員進行遠程分析研判，科學高效定位設備隱患缺陷及其發(fā)展趨勢，做到及時發(fā)現(xiàn)、快速處置、精準管控。通過遠程智能巡視系統(tǒng)，可以分析9 類設備狀態(tài)，識別17 類設備缺陷、4 類人員違章行為，可對積水、煙火、小動物等3類環(huán)境問題實時報警，智能巡視系統(tǒng)還可對站內巡視機器人遠程下達巡視任務，自動完成巡視任務，生成巡視報告，替代25 項人工例行巡視項目，大大提升設備巡檢質效。

通過對實際變電站的應用實驗，驗證了該區(qū)域型智能遠程巡檢系統(tǒng)的可行性和有效性。實驗結果充分證明，該系統(tǒng)具備出色的性能和功能，能夠準確地識別出變電站的異常情況，并迅速向集控中心發(fā)送警報信息，與傳統(tǒng)的人工巡檢相比，該系統(tǒng)帶來了顯著的改進。