智能巡檢機器人在變電站運維管理中的實踐

華能新能源湘鄉(xiāng)風(fēng)力發(fā)電有限公司 朱 峰 吳可可 深圳昱拓智能有限公司 歐陽峰 潘致堂 洪 龍

在社會經(jīng)濟快速發(fā)展的背景下，人們對供電質(zhì)量等各個方面提出了更高的要求，而變電站運維管理效果會直接影響到電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性與供電質(zhì)量。靈活應(yīng)用智能巡檢機器人可彌補傳統(tǒng)運維管理手段的不足，增強變電站運行的穩(wěn)定性，為此應(yīng)在現(xiàn)有研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，分析智能巡檢機器人在變電站運維管理中的實踐。

在人工智能、自動化等技術(shù)手段不斷發(fā)展的過程中，智能巡檢機器人應(yīng)運而生，為變電站管理提供了有效支持，因此利用文獻資料法等方法對智能巡檢機器人在變電站運維管理中的實踐進行了研究與探討。在探究過程中先分析了智能巡檢機器人與變電站，之后分析了變電站智能巡檢機器人的設(shè)計，最后以某變電站為例，對智能巡檢機器人的應(yīng)用進行了探討。

1 智能巡檢機器人與變電站概述

1.1 智能巡檢機器人

智能巡檢機器人可以在無人值守的環(huán)境中，對相關(guān)設(shè)備進行紅外測溫以及圖像識別，從而代替人工巡檢工作[1]。且智能巡檢機器人具備多重功能，例如高清視頻監(jiān)控、紅外測溫、智能表計識別、歷史數(shù)據(jù)查詢等，在變電站運維管理中的應(yīng)用范圍較為廣泛。

1.2 變電站

變電站指的是對電壓和電流進行變換并接受電能、分配電能的場所，做好變電站的運維管理工作有利于及時發(fā)現(xiàn)相關(guān)設(shè)備的故障，強化變電站運行安全性與穩(wěn)定性。

2 變電站智能巡檢機器人的設(shè)計

若想充分發(fā)揮智能巡檢機器人在變電站運維管理工作中的作用，需要先做好機器人的設(shè)計工作，確保機器人符合需求。

2.1 硬件設(shè)計

2.1.1 差分式放大電路設(shè)計

智能巡檢機器人在工作過程中需要通過傳感器接收信號，而為了確保輸入信號的有效性，需要利用差分式放大電路，對傳感器接收到的信號進行前置放大處理，從而減少干擾因素對信號的影響。根據(jù)變電站運維管理工作的需求，可以選擇AD620儀表放大器這種設(shè)備，同時也需要利用公式（1）計算增益效果：

公式（1）中的GA為信號放大增益效果，RG為具體的差分式放大電路。

2.1.2 可控比例放大電路設(shè)計

為了增強A/D 轉(zhuǎn)換的有序性，應(yīng)科學(xué)設(shè)計可控比例放大電路，通過這一電路對經(jīng)過差分放大后的信號進行優(yōu)化處理。同時，為了擴大系統(tǒng)幅值的響應(yīng)范圍，需要利用ADG1611實現(xiàn)系統(tǒng)的可控增益功能，并利用OP07C 精密運算放大器對微弱信號進行放大處理，從而完成AD 滿量程電壓與輸入信號之間的相互匹配[2]。在利用OP07C 精密運算放大器完成比例放大電路的構(gòu)建后，需要對輸入信號進行放大處理并利用公式（2）計算放大倍數(shù)：

公式（2）中GD為放大倍數(shù)，Rf為ADG1611投切反饋電阻，k為常數(shù)。

2.1.3 帶通濾波電路設(shè)計

變電站智能巡檢機器人的系統(tǒng)需要在高壓工頻電場中作業(yè)，會受到強電磁干擾等因素的影響，所以在進行硬件設(shè)計時，需要利用三階巴特沃斯有源濾波電路進行帶通濾波，從而去除50Hz 以外的干擾信號。

2.1.4 人機交互電路設(shè)計

人機交互電路主要是由按鍵控制電路、LCD 液晶顯示電路以及過限聲報警電路共同構(gòu)成的，在設(shè)計時需要完善按鍵控制電路的“開關(guān)機”“下一機號數(shù)”“上一機號數(shù)”等功能；完善LCD 液晶顯示電路的顯示功能；完善過限聲報警電路的報警功能。

2.1.5 單片機設(shè)計

單片機在智能巡檢機器人系統(tǒng)中發(fā)揮著重要作用，可增強系統(tǒng)的控制性，所以設(shè)計時需要科學(xué)選擇單片機。例如，可應(yīng)用具備VDD 監(jiān)視器、溫度傳感器、片內(nèi)上電復(fù)位、片內(nèi)電壓比較器等設(shè)施的C8051F40單片機，從而有效應(yīng)對環(huán)境造成的影響。同時，應(yīng)利用公式（3）計算單片機的波特率：

公式（3）中的B為波特率，C為MCU 時鐘頻率，A為分頻系數(shù)，D為波特率計數(shù)器重載值。

2.1.6 無線通信模塊設(shè)計

無線通信模塊也是智能巡檢機器人系統(tǒng)中的關(guān)鍵模塊，可以實現(xiàn)主機與從機的信息共享，在設(shè)計時可選擇體積小、功耗低、接口靈活、集成難度小、傳輸距離遠的BL100無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，且需要根據(jù)變電站運維管理的實際需求對無線通信模塊的發(fā)射功率、串行速率、通信速率等參數(shù)進行科學(xué)調(diào)整。同時，需要利用UART 串口連接系統(tǒng)與該無線傳輸模塊。

2.2 軟件設(shè)計

2.2.1 主程序軟件設(shè)計

主程序軟件設(shè)計至關(guān)重要，為此可以將從機的工作流程設(shè)計為“進入延時開機狀態(tài)并進行初始化處理→完成電路模板的自檢工作→利用控制模數(shù)轉(zhuǎn)換器對電壓信號進行A/D 轉(zhuǎn)換→利用單片機對數(shù)據(jù)進行分析處理”。其次，可以將主機的工作流程設(shè)計為“進入延時開機狀態(tài)并進行初始化處理→將查詢從機地址信號傳輸?shù)綇臋C中，由從機進行應(yīng)答→若地址沒有問題則展示從機的電場值，若地址存在問題則命令從機再次發(fā)送數(shù)據(jù)并進行二次核對→若從機數(shù)據(jù)存在過限問題則自動報警”[3]。

2.2.2 A/D 轉(zhuǎn)換程序設(shè)計

為了優(yōu)化A/D 轉(zhuǎn)換，需要對ADC0進行合理配置，即利用控制寄存器對ADC0進行干預(yù)，且需要優(yōu)化A/D 轉(zhuǎn)換程序。

2.2.3 電場過限報警程序設(shè)計

從實際情況來看，電壓等級不同，智能巡檢機器人系統(tǒng)的從機報警值也不同。如果對輸電線路進行帶電作業(yè)，需要分析系統(tǒng)內(nèi)置的電場強度限值是否高于實際電場強度，若是，則說明帶電作業(yè)是安全的；若不是，則蜂鳴器就會自動報警。并且在設(shè)計時，需要做好電場測量試驗工作，試驗時需要利用公式（4）計算導(dǎo)線所帶的電荷量：

公式（4）中的T為導(dǎo)線所帶的電荷量，C為導(dǎo)線電容，U為導(dǎo)線對地電位。

3 智能巡檢機器人在變電站運維管理中的應(yīng)用

3.1 某變電站概況

某變電站系統(tǒng)由500kV 電壓、220kV 電壓以及35kV 電壓共同組成，其運維管理工作以人工管理為主，存在無法及時跟蹤和保存巡檢結(jié)果、容易造成誤判等問題，嚴重降低了管理質(zhì)量。為了改變運維管理現(xiàn)狀，該變電站應(yīng)用了智能巡檢機器人，且將智能巡檢機器人應(yīng)用在了單站模式與集控模式當(dāng)中，取得了良好的效果。

3.2 智能巡檢機器人的具體應(yīng)用

3.2.1 在單站模式中的應(yīng)用

該變電站在開展單站模式的運維管理工作時，主要通過智能巡檢機器人進行可見光巡視，即在白天通過智能巡檢機器人巡視高清表計，在夜晚通過智能巡檢機器人進行紅外測溫巡視，其中紅外測溫巡視又包括溫度檢測、表計巡視、油位讀數(shù)巡視、刀閘分合判斷巡視以及全面巡視等內(nèi)容。在使用前期，智能巡檢機器人只承擔(dān)每三次巡視工作中的其中一次，在巡視誤差穩(wěn)定后智能巡檢機器人承擔(dān)多次巡檢工作。

另外，該變電站在應(yīng)用智能巡檢機器人時，先構(gòu)建了海量圖像收集監(jiān)理模板庫、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練模型以及通用匹配模型，之后利用智能表計識別功能對各種表計數(shù)據(jù)進行采集、識別與判斷，具體識別過程如圖1所示。智能巡檢機器人在完成數(shù)據(jù)判斷工作后會根據(jù)判斷結(jié)果進行提示。例如，該智能巡檢機器人在2022年5月7日，對變電站刀閘C 相T 型接頭2設(shè)備進行紅外測溫時發(fā)現(xiàn)，接頭溫度在19.67～21.63℃，溫度正常，沒有出現(xiàn)過熱問題，所以沒有報警。

圖1 表計數(shù)據(jù)識別與判斷

3.2.2 在集控模式中的應(yīng)用

在該變電站的集控模式中，智能巡檢機器人的巡檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，其功能主要包括配置功能、數(shù)據(jù)功能以及任務(wù)功能，其中配置功能可以進行用戶管理、角色管理、臺賬與操作日志管理，具有較強的完整性與保密性；數(shù)據(jù)功能可以對數(shù)據(jù)進行瀏覽與分析，且可以進行設(shè)備告警與缺陷管理；任務(wù)功能可以進行任務(wù)制定、展示以及統(tǒng)計。

圖2 智能巡檢機器人的巡檢系統(tǒng)

另外，智能巡檢機器人可以進行二次識別，即根據(jù)規(guī)則推理以及高精度定位方法識別指針、條紋等表計讀數(shù)，同時也可以通過數(shù)據(jù)挖掘、機器學(xué)習(xí)以及深度學(xué)習(xí)等技術(shù)分類識別數(shù)字表、刀閘的狀態(tài)。此外，智能巡檢機器人的巡檢數(shù)據(jù)審核流程為下發(fā)任務(wù)→審核數(shù)據(jù)→缺陷管理→統(tǒng)計分析，其中下發(fā)任務(wù)包括制定和執(zhí)行任務(wù)、審核數(shù)據(jù)包括審核站端數(shù)據(jù)與任務(wù)數(shù)據(jù)、缺陷管理包括缺陷審核與跟蹤、統(tǒng)計分析包括設(shè)備告警與缺陷總覽[4]。

3.3 智能巡檢機器人的應(yīng)用效果

該變電站在運維管理中運用智能巡檢機器人后有效提高了管理質(zhì)量，取得了良好的成效。首先，之前進行人工巡檢時只能每7天巡檢一次，而應(yīng)用智能巡檢機器人后可以每天巡檢一次，有效提高了巡檢頻次[5]。其次，傳統(tǒng)的人工巡檢需要花費10h，而應(yīng)用智能巡檢機器人后可有效節(jié)約時間、減輕數(shù)據(jù)核實任務(wù)量，繼而減輕運維管理人員的工作壓力。此外，在高電壓、高磁場環(huán)境等因素的影響下，變電站運維管理工作的安全性相對較低，而應(yīng)用智能巡檢機器人可有效增強運維管理的安全性。

4 結(jié)語

靈活應(yīng)用智能巡檢機器人可以有效地提高變電站巡檢頻次、減輕運維管理人員的工作壓力、強化運維管理的安全性，所以應(yīng)當(dāng)提高對智能巡檢機器人的重視程度，根據(jù)變電站的運維管理需求，優(yōu)化智能巡檢機器人的軟硬件設(shè)計，并將智能巡檢機器人應(yīng)用在各個環(huán)節(jié)中，從而有效保障變電站的穩(wěn)定運行。

智能巡檢機器人具備智能巡檢、紅外測溫等多重功能，可以提高變電站運維管理質(zhì)量。因此，為了滿足變電站運維管理需求，應(yīng)做好智能巡檢機器人的硬件與軟件設(shè)計工作，且需要充分發(fā)揮智能巡檢機器人在單站模式、集控模式等不同運維管理模式中的作用。