基于智能傳感器的新型巡檢機器人應用研究

宋曉帆 陳晨 樊慶玲 董平先 申燕飛

摘 要：目前，機器人巡檢技術的智能化程度很高，能夠解決變電站巡檢任務的艱巨性、重復性和高風險所帶來的大部分問題。但是，由于作業現場的復雜環境及天氣變化、巡檢對象的多樣性等原因，要求變電站巡檢機器人的作業能力和作業范圍覆蓋變電站巡檢任務的所有方面是不現實的。因此，本文主要研究了用于檢測變電站設備狀態以及彌補變電站巡檢機器人作業范圍不足的新型智能傳感器，并將變電站巡檢機器人、現有變電站狀態檢測系統和新型智能傳感器進行協同和信息融合，構建了變電站智能化人工智能巡檢體系。

關鍵詞：變電站巡檢機器人;智能傳感器;智能傳感器自主協同網絡

中圖分類號：TP242 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2019）10-0019-03

Abstract： At present， the robotic inspection technology is highly intelligent， it could solve majorities of problem because of the difficult，repetitive high-risk inspection tasks in substation. However， on account of the complicated environment or weather variations and diversities of patrol object in the working site， it is unpractical that the patrol robot can cover all substation inspection tasks not only working capacity but also the operating area. Therefore， this paper mainly studied the new intelligent sensor used to monitor equipment in substation and made up the insufficient scope of operation， and unitied substation patrol robot with condition monitoring system at present with new-type intelligent sensor to form artificial intelligence inspection system in substation.

Keywords： substation patrol robot; intelligent sensor; intelligent sensor autonomous collaborative network

1 概述

目前，我國大多數220kV及以下電壓等級的變電站已經實現了無人值班，但是，電網公司仍然面臨著變電站巡視檢查工作的巨大壓力。與此同時，傳統變電站人工巡視檢查模式的不足也逐步凸顯，存在勞動強度大、巡視檢查效率低、人工成本高、易受到巡視人員的技術背景和經驗影響等問題。因此，采用各種先進技術和方法實現自動巡檢并進行智能化判斷提升變電站運維的自動化水平是變電站公司的重大需求，也是未來發展方向。拓展變電站巡檢機器人的能力，研制新型智能傳感器，構建多系統協同的變電站人工智能巡檢體系，不僅是電力系統的發展需要，也是新技術發展和應用的必然趨勢[1-4]。

2 智能傳感器技術應用

傳感器是一種檢測裝置，能感受到被測量的信息，并將檢測感受到的信息，按一定規律變換成電信號或其他所需形式的信息輸出，以滿足信息傳輸、處理、存儲、顯示、記錄和控制等要求。

2.1 新型智能傳感器

相關變電站公司針對變電站巡檢機器人存在多種巡檢盲點的實際情況，考慮到現有變電站電氣設備狀態檢測系統的覆蓋范圍，研制出新型壓力智能傳感器、超聲波智能傳感器、指針式表計自動讀值傳感器以及端子箱綜合傳感器等，這是實現變電站巡檢全覆蓋的必然要求。

基于圖像識別的指針式表計自動讀值傳感器是對于指針儀表圖像，根據機器視覺技術和圖像處理相關技術，采用深度學習的方式，對所拍攝的儀表圖片進行分類，采用帶色彩恢復的多尺度Retinex算法提高處理程序的光照魯棒性;根據小孔成像原理，采用正視變換算法提高處理程序的拍攝角度魯棒性能;采用Hough變換算法配合圖像處理中的自適應二值化和細化等算法獲取儀表指針示數[5]。通過在主變上安裝指針式表計自動讀數傳感器，可從變壓器指針表計上讀取數據，傳輸數據，實現對指針式表計的自動讀取功能。如圖1所示。

2.2 構建智能傳感器自主協同網絡

由現有電氣設備狀態檢測系統、壓力智能傳感器、超聲波智能傳感器、指針式表計自動讀值傳感器和端子箱綜合檢測智能傳感器構建智能傳感器自主協同網絡。智能傳感器網絡架構研究，根據智能傳感器網絡覆蓋面及通信接入點選擇網絡物理結構，結合協同作業需求制定信息交換模式、通信協議和通信接口形式。智能傳感器網絡將采用多個傳感器有線通信鏈路匯集、無線通信接口多點接入的方式。

3 變電站模塊式布點巡檢覆蓋面

針對220kV變電站，采用如圖2所示的平面布局圖進行覆蓋面校驗，具體步驟如下。①根據變電站平面布置的模塊式分區情況，明確設備巡檢內容。第一，220kV配電區位于站區南側，采用戶外雙I型HGIS設備，主要檢測對象為HGIS設備溫度、氣體密度等指標。第二，110kV配電區位于站區北側，采用戶外改進型單母線分段HGIS雙列布置，主要檢測對象為HGIS設備的溫度、氣體密度等指標。第三，站區中部區域布置主變壓器、10kV配電裝置室、二次設備室等，電容器組豎列布置于站區西側，主要檢測對象包括主變壓器油位、油面溫度、繞組溫度、散熱片情況及其他設備溫度和濕度。②將包含上述檢測對象的電氣設備指針式表計裝置、具有無線通信接口的智能傳感器以及設備狀態檢測系統的接入裝置作為巡檢定位分析點，以圓點代表。③利用配電區之間的環形道路作為變電站巡檢機器人的巡檢通道。通過巡檢路徑規劃，達到變電站設備巡檢全覆蓋[6-10]。

4 智能巡檢機器人

4.1 機器人技術應用

變電站巡檢機器人未來發展趨勢是機器人與人工智能的深度融合以及與變電站電氣設備技術的協同。隨著人工智能的迅猛發展，智能化方法能模擬人的經驗，逼近非線性，具有自組織、自學習功能，并具有一定的容錯能力。這些方法應用于路徑規劃會使變電站巡檢機器人在動態環境中更靈活、更智能。同時，變電站電氣設備狀態檢測技術與變電站巡檢機器人數據協同將為智能變電站和無人值守變電站提供創新性的技術檢測手段和全方位的安全保障，更快地推進變電站無人值守的進程。

4.2 機器人自主巡檢路徑規劃技術

4.2.1 技術原理。自主導航控制是移動機器人技術的基本環節，也是巡檢機器人執行任務的首要必備條件。機器人路徑自主規劃技術中GPS定位尋跡技術，主要原理是利用圍繞地球運轉的衛星與用戶設備之間的距離隨導航時間坐標的變化值，從GPS導航信息中求解出衛星的位置信息，從而在接收機中求解出載體的位置信息。

4.2.2 基于220kV變電站設計方案的機器人巡檢路徑優化。①優化充電室位置。充電室是機器人的能源補充場所。本次設計方案中綜合考慮巡檢機器人的充電室位置，具體優化如下：第一，合理選取充電室位置，結合變電站設計方案，將機器人充電室布置于220kV配電區東北角，位于變電站中部區域且緊鄰主干道路，確保機器人每次從充電室出發完成單個巡檢任務的巡檢路程盡量接近，便于各區域最短路徑規劃;第二，充電室避免布置于母線正下方，以免對無線通信產生影響。②巡視路徑規劃。第一，分區域設置巡視路線，可均勻分配各配電區充電時間和巡視時間，確保站內一次、二次設備全覆蓋;第二，全局路線規劃，即以路徑長度最短、轉彎次數最少、綜合策略最優為標準，每條軌道的巡檢點應統一放置在軌道一側，并選擇距離設備較近的道路進行巡視，同一條道路盡量不走往返，減少機器人行走路程與轉彎次數;第三，局部路徑規劃，在全局規劃的基礎上，對采集到的周圍環境數據進行綜合分析，給出機器人實時路徑信息，即運動速度和轉向角命令[11]。

5 結語

智能傳感器采用巡檢機器人取代人工巡檢，能夠更有效地保證設備的巡視質量，提高工作效率，降低運行人員的工作強度，并集中解決惡劣天氣下巡檢難度大和安全風險高的問題。作為一種在無人值守變電站推廣應用的新型技術檢測手段，能夠進一步提高國家電網公司巡檢工作的可靠性和安全性。本文的研究將實現變電站巡檢機器人、新型智能傳感器以及現有變電站設備狀態檢測系統的多系統自主協同合作，有效提升各系統的綜合應用效果，大大提高變電站設備狀態檢修的工作效率，降低電力巡檢過程所帶來的安全風險，從而提高電網公司變電站運維的自動化水平和安全水平。同時，也為建立更加完善的變電站智能化運維體系打下良好的技術基礎[12]。

參考文獻：

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