智能巡檢機器人系統(tǒng)在首鋼股份變電站的應用

孫 琨，薛金成，唐圣華，張 磊，張勇濤

（1北京首鋼股份有限公司設備部，2北京首鋼股份有限公司能源部，河北遷安 064404）

引言

變電站作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，是鋼鐵企業(yè)的主要動力樞紐，變電站的運行狀況能夠直接影響鋼鐵企業(yè)的生產運行。目前，首鋼股份公司變電站執(zhí)行人工巡檢方式，值班人員主要通過自身的感官和簡單的儀器對設備運行情況進行初步的判斷。不僅工作效率低、勞動強度高，同時還存在精度不足，難以有效地對設備隱患進行深入分析[1]。近年來，傳統(tǒng)人工巡檢方式已不能滿足現代化變電站的運行需求，隨著大數據技術的發(fā)展和微機監(jiān)控技術在變電站的推廣使用[2]，變電站巡檢機器人系統(tǒng)因其靈活的控制、運行方式,受天氣因素影響較小等優(yōu)點，逐漸在無人或少人值守的變電站中得到應用，執(zhí)行對戶內外高壓設備巡檢任務，為及時發(fā)現和消除設備缺陷，預防事故發(fā)生，保證變電站設備的安全運行和合理巡檢發(fā)揮了顯著的作用。

1 首鋼變電站概況及巡檢需求

1.1 變電站情況簡介

首鋼股份公司為實現打造智能化工廠的目標，提高供用電系統(tǒng)的智能化運維水平，在公司一座變電站中投入智能巡檢機器人系統(tǒng)。該110 kV 變電站主要設備有3 臺80 MVA 變壓器、一間110 kV SF6組合電器設備開關室、一間35 kV 和10 kV 開關設備共用的開關室、4 間消弧變室、一間地下電纜室和一間繼電保護室組成。巡檢環(huán)境主要分為三個巡檢區(qū)域：二層繼保室巡檢區(qū)域,一層開關室、消弧室及戶外變壓器巡檢區(qū)域,負一層地下電纜室巡檢區(qū)域。

1.2 總體設計需求

立足長遠、搭建大數據電力系統(tǒng)智能巡檢平臺，使系統(tǒng)操作人員可以通過瀏覽器輸入IP 地址，訪問網絡上任何一個變電站、機器人巡檢系統(tǒng)和管控系統(tǒng)，查看各變電站的運行情況。智能巡檢機器人系統(tǒng)以集控和展示為一體的Web 系統(tǒng)+APP 移動端系統(tǒng)。控制功能主要體現在對機器人的控制、任務的下發(fā)以及對執(zhí)行設備的實時控制。展示功能則是展示變電站所在位置信息，展示設備運行和巡檢情況，生成歷史數據曲線、綜合報表、巡檢照片等。變電站檢測所得的數據，通過變電站智能巡檢機器人系統(tǒng)相互連接，實現數據共享，所有接口標準化、開放化、通用化。

變電站智能巡檢機器人系統(tǒng)通過對現場電力設備運行環(huán)境、配電柜運行狀態(tài)、GIS 室、變壓器等現場參數進行采集和加工，實現對電力巡檢過程進行智能監(jiān)測和管控，具有實時故障自動報警、設備運行巡檢報告自動生成的功能，最終達到電力設備管理智能化、綜合化、自動化的目標。變電站智能巡檢機器人系統(tǒng)架構見圖1。

圖1 變電站智能巡檢機器人系統(tǒng)架構

2 變電站智能巡檢機器人系統(tǒng)設計要求

2.1 電力設備數據采集

通過智能巡檢機器人對電力設備運行環(huán)境、配電柜運行狀態(tài)、組合電器、變壓器等現場信息進行采集，進行長周期存儲，滿足數據監(jiān)測和分析的要求。

巡檢機器人自檢信息、固定式巡檢設備信息的采集、存儲。

2.2 電力設備實時狀態(tài)監(jiān)控

實現對變電站的運行環(huán)境、配電柜運行狀態(tài)、變壓器運行狀態(tài)等核心要素實施全方位監(jiān)控，數據實時記錄，實時運行狀態(tài)以數據和曲線方式顯示出來。

2.3 電力設備歷史數據查詢

提供實時趨勢曲線記錄和歷史數據回查功能，高速采集，高速記錄，可多曲線進行比較分析，例如：變壓器觸頭溫度、配電柜儀表數值、SF6氣體濃度、局部放電情況等信息。

2.4 電力設備故障報警

報警系統(tǒng)能第一時間將故障或錯誤信息按不同級別的方式提示出來，系統(tǒng)及時、準確地將設備的故障代碼或故障點信息顯示出來，監(jiān)控軟件根據多項參數的趨勢變化提示的故障原因、報警提示，按時間順序排列顯示在其綜合列表中，并進行及時更新、記錄。

2.5 電力設備狀態(tài)診斷

通過故障診斷系統(tǒng)實現設備故障初判功能，可準確定位到故障部位，快速查找故障原因。設備故障大體分為兩部分：一是現場巡檢機器人或者固定式巡檢設備自身發(fā)生故障，所發(fā)出的報警信息；二是檢測到電力設備狀態(tài)異常或發(fā)生故障，發(fā)出的報警信息。通過報警畫面顯示的不同位置和不同顏色，快速判斷出故障部位。并根據不同的故障，分類生成相應的報表，便于數據記錄和查詢。

2.6 遠程控制機器人巡檢

巡檢機器人對變電站內設備標定大量采樣點，實現全天候不間斷高頻率全覆蓋巡檢。智能巡檢機器人結構見圖2。

圖2 智能巡檢機器人結構

（1）機器人攜帶可見光相機，對需要人工目視確認的儀表指示、開關位置和指示燈狀態(tài)做出判斷，在后臺系統(tǒng)顯示，并能及時告警。

（2）機器人攜帶紅外相機，實現對觸頭、設備表面的溫度實時監(jiān)測，出現溫度異常系統(tǒng)及時告警。對三相設備溫差進行分析。

（3）機器人攜帶局放傳感器，對配電柜進行局放檢測，檢測的數據能夠實時監(jiān)視，并結合后臺圖譜庫進行分析。

（4）機器人攜帶有環(huán)境傳感器，能夠對現場異響、氣體、溫濕度進行檢測，錄入后臺數據庫，進行智能化分析。

（5）通過智能巡檢機器人系統(tǒng)，對變電站內中運行設備實現全方位監(jiān)控，可操作機器人，下達巡檢任務，還可調取歷史和實時數據查看，生成分析報表。

（6）機器人應具有障礙物檢測功能，在行走過程中如遇障礙應及時停止，障礙物移開后恢復行走。

（7）機器人應具備自動門通訊功能，以無線方式控制對自動門控制并接收自動門反饋信息。

（8）機器人巡檢通道改造應符合國家消防及安全管理相關規(guī)定。

2.7 現場巡檢實時跟蹤畫面

給巡檢機器人加裝高清攝像頭，對其巡檢過程進行全程跟蹤，隨時掌握機器人巡檢工作進行的情況和現場環(huán)境變化情況，在巡檢過程中不僅能實時傳遞機器人巡檢的內容，操作人員也能通過實時畫面掌握現場環(huán)境變化，確保巡檢過程順利、準確完成。

2.8 巡檢過程歷史畫面回放

巡檢過程中，錄像全程存儲，相關人員只要在智能巡檢平臺上輸入站點信息、時間節(jié)點、攝像頭標號，就能迅速準確地調取所需要的畫面回放，通過歷史畫面回放功能，對設備某段時間的運行狀態(tài)受環(huán)境變化的影響情況進行分析，或者為故障分析提供依據。

2.9 預留接口

系統(tǒng)設計充分考慮到未來發(fā)展，留有足夠的擴充余量。通過預留接口，滿足本系統(tǒng)和其他管理系統(tǒng)的擴展性需求。比如數字顯示屏數據讀取及三方數據接入、現場熱故障預警儀通訊信號接入等。

2.10 用戶管理和權限管理

提供完善的用戶帳號、密碼管理功能和嚴格的控制權限分級制度。根據控制權限分級制度，可以限定某些權限等級用戶可以控制設備，某些用戶僅能瀏覽，而無權控制，或不能看到管理權限以外的其他設備。系統(tǒng)訪問認證：用進入遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)必須事先進行輸入用戶賬號和密碼注冊，系統(tǒng)管理員根據用戶授予相應的權限監(jiān)視和控制權限。

2.11 系統(tǒng)管理

（1）系統(tǒng)日志：對于系統(tǒng)中的操作，如系統(tǒng)報警、用戶登錄和退出、系統(tǒng)運行情況等等，都有系統(tǒng)日志記錄。

（2）控制權協(xié)商：當多個用戶同時監(jiān)視一個前端時，為了避免控制混亂，只能有一個用戶對前端設備進行控制，并根據用戶的優(yōu)先等級預先設定，對同等級用戶可通過網上自動協(xié)商完成。

（3）同一遠程監(jiān)控終端的操作人員可分為不同的管理等級，不同管理等級的操作人員具有不同的權限。遠程操作員具有進入和退出監(jiān)控軟件、修改口令、連接遠端控制遠程設備、接收和處理報警信號、設置圖像自動切換或顯示的方式和時間等權限。

（4）信息查詢：登錄用戶可查詢系統(tǒng)的使用和運行情況，如在線用戶名單、前端運行狀態(tài)、報警信息等。

2.12 大數據分析及數據報告

系統(tǒng)將對過往巡檢數據進行歷史分析，繪制出趨勢圖，從而給出人類感官無法察覺的從微觀到宏觀變化趨勢，以供決策層參考。

3 現場解決方案

經過現場實地考察，此項目分為三層結構，考慮到每層建筑結構的互不相通以及每層巡檢工作的協(xié)調性，采用每層均布置一臺輪式機器人。為了有效利用資金，巡檢機器人采用可增減功能模塊的方式來配置。并根據每層巡檢對象的側重點不同，每臺機器人相應配置的功能模塊則不同。

針對二層繼保室巡檢區(qū)域，主要的工作是二次設備狀態(tài)識別，僅需搭載可見光模塊。

針對一層巡檢區(qū)域，其分布的設備主要為三臺大型變壓器、組合電器及若干開關柜等，需搭載可見光、紅外、開關柜局放檢測、拾音等多種模塊。

針對負一層地下電纜室巡檢區(qū)域，主要工作為測溫及消防管廊滲漏等巡檢工作，需搭載可見光和紅外模塊。

施工過程中的難點集中在一層和負一層的巡檢區(qū)域。一層巡檢區(qū)域巡檢內容較多，包括變壓器巡檢區(qū)域、35 kV及10 kV開關室巡檢區(qū)域、110 kV開關室巡檢區(qū)域、消弧室巡檢區(qū)域，其中對開關室、消弧室進行巡檢機器人巡檢，對變壓器區(qū)域進行定點機器人監(jiān)控巡檢。其中在35 kV及10 kV開關室至消弧室，以及至110 kV 開關室中，需要對防火門及擋鼠板進行自動化改造見圖3，以便實現單臺機器人對室內外設備的巡檢工作。負一層電纜室區(qū)域存在較多電纜、消防水管等物體，機器人要在環(huán)境中進行無障礙巡檢，需要對這些障礙物體進行通道斜坡修建。斜坡修建保證承重不小于200 kg，坡度滿足機器人爬坡能力要求，見圖4。

圖3 自動防火門及檔鼠板

圖4 通道斜坡

4 系統(tǒng)不足

（1）指針表、數字表存在反光問題需要解決，機器人在巡檢過程中，隨著光線的變化對部分儀表的識別存在影響。

（2）變電站巡檢機器人巡檢時，對巡檢控制精度要求很高，但偶爾存在著定位不準、運行路線偏差的現象，還需提高機器人激光定位和最小制動距離控制精度。

（3）由于機器人高度較低，即使采用可升降旋轉云臺設計，但對許多設備缺少較好的觀測角度，巡視效果達不到最佳。

（4）機器人充電時間大約4～5 h，加上最大1m/s的行駛速度和精準定位所需要的時間，不能滿足規(guī)定的巡檢周期要求，應當在保證安全的前提下，提高電池充電速度。

（5）機器人巡檢其功能主要表現在表計、設備的外觀巡視以及紅外測溫；在分析設備噪聲方面的功能還有待提高，容易受外界噪音的干擾做出誤判，需要加強其智能分析能力。

5 結束語

隨著科技的進步發(fā)展，當前變電站的智能巡檢機器人的水平也在不斷提升，通過機器人可實現變電站設備巡檢的智能化和信息化，切實提高電力設備巡檢的工作效率和質量，降低變電站運行人員的勞動強度和工作風險，為智能變電站或無人值守變電站的運行管理提供了一種創(chuàng)新型的設備檢測和監(jiān)控手段。從目前國內變電站智能巡檢機器人使用情況來看，大多應用在室外環(huán)境，對于室內安裝的封閉式電氣設備，還未完全應用。首鋼股份公司變電站巡檢機器人項目也是一次嘗試。從當前運行來看，其功能基本達到使用要求，但存在的問題仍需要在后續(xù)設計中完成優(yōu)化和改進。