智能巡檢機器人在變電站中的應(yīng)用分析

中國南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司柳州局 李海生 覃廣斌 呂立帆 潘劍鋒

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴大，智能電網(wǎng)技術(shù)得到了長足發(fā)展。同時，隨著人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，機器人巡檢技術(shù)在變電站中廣泛應(yīng)用，機巡為主、人機結(jié)合未來將成為變電站巡檢的趨勢。本文對智能巡檢機器人技術(shù)及應(yīng)用場景進(jìn)行了介紹，并對智能巡檢機器人在變電站應(yīng)用中存在典型問題進(jìn)行了分析，提出了解決辦法。

隨著經(jīng)濟的飛速發(fā)展，我國電網(wǎng)不斷擴大，變電站數(shù)量和設(shè)備數(shù)量急劇增長。電力體制改革進(jìn)一步進(jìn)入深水區(qū)，隨著集中控制及運檢一體化工作的推進(jìn)，變電站進(jìn)入無人值班模式。傳統(tǒng)的人工巡檢方式已經(jīng)不滿足新的形勢需要，存在著許多難以克服的問題：

（1）衡量尺度問題：運行經(jīng)驗是確保電力設(shè)備安全運行的一種技能，但運行經(jīng)驗的積累過程具有單一性和時效性。人員一旦變動，就可能造成經(jīng)驗流失，新的人員要積累經(jīng)驗需要一個長期的過程。經(jīng)驗的缺乏造成了對運行設(shè)備狀態(tài)掌握難度的增加。

（2）原始數(shù)據(jù)積累問題：由于設(shè)備運行狀態(tài)的原始數(shù)據(jù)和信息的積累不足，對事故的預(yù)防及排除無法提供有用的輔助性資料。

（3）勞動強度及人工成本問題：隨著變電站集控及運檢一體化工作的推進(jìn)，運行值班員人員將減少，設(shè)備巡視的勞動強度將增加，巡視周期雖然被優(yōu)化，但也造成設(shè)備出現(xiàn)突發(fā)狀況起初時不能及時發(fā)現(xiàn)并采取有效措施，等設(shè)備告警或跳閘時才發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)錯過了最好的處理時機。

采用智能機器人技術(shù)對變電站進(jìn)行巡檢，在具備智能性和靈活性的同時也克服和彌補了人工巡檢的不足之處，既提升了變電巡檢作業(yè)的智能化水平，又避免了因巡視人員技能差、經(jīng)驗不足、責(zé)任心不強等問題，更適應(yīng)變電站無人化的實際需求，具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

1 智能巡檢機器人系統(tǒng)構(gòu)架

變電站智能巡檢機器人系統(tǒng)構(gòu)架為分層式構(gòu)架，由后臺管理系統(tǒng)層和前端移動站系統(tǒng)層組成，如圖1所示。

1.1 后臺管理系統(tǒng)

后臺管理系統(tǒng)層主要由后臺監(jiān)控終端、交換機、無線AP及環(huán)境采集單元等組成，無線AP用于與機器人前端系統(tǒng)進(jìn)行通信。后臺監(jiān)控終端監(jiān)控系統(tǒng)基于 Windows或linnux 系統(tǒng)，通過面向?qū)ο缶幊陶Z言開發(fā)設(shè)計，為用戶提供友好的交互操作界面，實現(xiàn)人機交互，實現(xiàn)機器人監(jiān)視控制功能，采集機器人運行狀態(tài)、當(dāng)前位置及環(huán)境信息，向機器人下達(dá)工作任務(wù)及路徑規(guī)劃，實時顯示機器人當(dāng)前采集的可見光圖像和紅外圖像及分析處理結(jié)果。對機器人采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，并可方便查詢歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度分析。

圖1 智能巡檢機器人系統(tǒng)構(gòu)架

1.2 前端移動站系統(tǒng)層

前端移動站系統(tǒng)層包括機器人本體模塊和相關(guān)檢測控制模塊，主要由導(dǎo)航避障系統(tǒng)、檢測系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及運動系統(tǒng)六部分組成。前端移動站系統(tǒng)是智能巡檢機器人的移動載體和信息采集載體，主要負(fù)責(zé)導(dǎo)航定位信息的采集和處理，按照預(yù)先設(shè)好的工作任務(wù)自動規(guī)劃巡視路徑，并自主完成巡檢任務(wù)，移動至預(yù)設(shè)點位后完成定位校準(zhǔn)、采集可見光圖像和紅外圖像采集，讀書識別等工作，并將采集的數(shù)據(jù)上傳至后臺管理系統(tǒng)。巡視任務(wù)完成后機器人自動返回充電房充電，在巡視過程中遇到障礙物時自動停車并報警，障礙消除后自行前進(jìn)。機器人前方一般安裝有2-4個超聲波傳感器，超聲波傳感器采集機器人行走路線上的障礙信息，以IO的形式上傳到運動控制模塊，并根據(jù)控制模式判斷是否停車，實現(xiàn)機器人的自動避障功能。

2 機器人巡檢常用場景

智能巡檢機器人主要用于對變電站室外高壓設(shè)備開展紅外熱成像監(jiān)測、可見光視頻拍攝、儀表圖像識別、聲音識別等巡檢任務(wù)，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，并提醒變電站運行人員，具有智能性、客觀性、靈活性、安全性、集成度高等特點。

2.1 日常巡檢

變電站智能機器人按照設(shè)定的任務(wù)自主對變電站設(shè)備進(jìn)行巡檢，主要進(jìn)行表計識別讀取、設(shè)備狀態(tài)檢查、噪聲監(jiān)測、紅外測溫等工作，工作智能化、檢測方式多樣化、巡檢工作標(biāo)準(zhǔn)化。智能機器人巡檢系統(tǒng)能夠?qū)ρ矙z全過程進(jìn)行管理，實現(xiàn)巡視路線、時間、巡視設(shè)備、報表管理于一體，并能夠為運行人員提供數(shù)據(jù)分析與決策支持。有效的克服了傳統(tǒng)的人工巡檢勞動強度大、工作效率低、檢測質(zhì)量分散、手段單一等缺點。

2.2 特殊巡檢

機器人能夠替代運維人員實現(xiàn)在惡劣天氣下對設(shè)備自主巡檢，如高溫、大風(fēng)、大霧、冰雪、冰雹、雷雨等特殊工況下的巡檢，有效降低工作人員在惡劣天氣戶外作業(yè)的安全風(fēng)險。

2.3 實現(xiàn)一鍵順控等特殊功能功能

智能機器人巡檢系統(tǒng)與站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動，過機器人與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動配合，機器人可以對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行自動檢查，實現(xiàn)一鍵順控功能。也自動可對設(shè)備遙信告警進(jìn)行現(xiàn)場確認(rèn)，比如當(dāng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)設(shè)備壓力低、溫度越限等告警時，機器人可根據(jù)告警內(nèi)容自動導(dǎo)航至現(xiàn)場核實并發(fā)送檢查結(jié)果給運維人員。

2.4 遠(yuǎn)程指導(dǎo)與應(yīng)急指揮

遠(yuǎn)程工程師可以操控機器人到達(dá)作業(yè)現(xiàn)場，同步觀看當(dāng)前施工作業(yè)現(xiàn)場實況，并通過語音對講功能對作業(yè)過程進(jìn)行指導(dǎo)，確保作業(yè)流程的規(guī)范性、安全性。同時機器人也可應(yīng)用于應(yīng)急指揮、安全督察等應(yīng)用場景。

2.5 機器人集中控制管理

電網(wǎng)公司可在公司總部設(shè)置智能機器人集控中心對公司管轄的多個變電站機器人進(jìn)行集中控制和統(tǒng)一管理，統(tǒng)一巡檢模式及巡檢標(biāo)準(zhǔn)，實現(xiàn)機器人巡檢作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化管理，同時將機器人巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，及時掌握設(shè)備運行狀況。

2.6 降低運維人員勞動強度

綜合統(tǒng)計表明在傳統(tǒng)人工巡檢模式下，運維人員每天通過人工巡檢對設(shè)備巡視檢查、紅外測溫用時約3h，每年則需要1080h，采用機器人巡視后，值班員每月開展一次核對性巡視即可，每年用于巡視時間為36h，減少了1044h，大大降低了運維人員勞動強度。

3 變電站巡檢器人應(yīng)用中存在問題及解決對策

3.1 對站內(nèi)電纜溝蓋板及巡視小道的破壞

受變電站內(nèi)設(shè)備及環(huán)境限制，機器人巡檢時需要在變電站電纜溝蓋板上行走，目前常用的變電站巡檢機器人重量在80kg以上，長期在電纜溝蓋板行走會造成電纜溝蓋板損壞甚至機器人掉入電纜溝壓壞電纜造成設(shè)備故障。

解決辦法：合理規(guī)劃機器人巡檢路線，盡量避免走電纜溝蓋板，如因條件所限必須從電纜溝蓋板穿越時，在穿越處電纜溝蓋板上覆蓋鋼板保護(hù)。在新變電站規(guī)劃設(shè)計時，將機器人巡檢道路納入設(shè)計中綜合考慮。

3.2 無線通信保密性不高

目前變電站巡檢機器人與監(jiān)控主站常用的通信方式為WIFI 無線網(wǎng)橋傳輸，不滿足變電站網(wǎng)絡(luò)安全要求，在保供電時因停用無線網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致機器人無法運行。

解決辦法：加裝加密通信模塊，采用支持WAPI無線標(biāo)準(zhǔn)或230MHz電力無線專網(wǎng)通信模組通信。

3.3 機器人輪胎磨損過快

目前的變電站巡檢機器人多用四驅(qū)方式，機器人原地轉(zhuǎn)向時輪胎磨損嚴(yán)重，會造成定位偏移及巡檢脫軌，某省公司42臺機器人一年由于輪胎導(dǎo)致的故障占總故障數(shù)的18.6%。

解決辦法：將機器人由四輪驅(qū)動改為兩輪驅(qū)動，轉(zhuǎn)向方式由四輪原地轉(zhuǎn)向改為兩輪原地轉(zhuǎn)向；將真空胎更換為添加耐磨材料鏤空實心胎，合理規(guī)劃巡檢路徑，減少原地轉(zhuǎn)向次數(shù)，定期對機器人輪胎磨損情況進(jìn)行評估，及時更換。

3.4 機器人續(xù)航能力不足

機器人充電時間需6-8h，滿電續(xù)航時間8h，由于500kV及以上變電站設(shè)備多，占地面積大，一臺巡檢機器人完成一次全站巡檢需要3天時間。

解決辦法：進(jìn)行電池材料及快速充電技術(shù)研究，提升電池容量及充電速度；開展機器人自動換電池技術(shù)研究，通過機器人自動快速更換電池來提升續(xù)航能力。

3.5 機器人巡視存在盲區(qū)

由于受設(shè)備布置、安全距離及機器人自身體積限制，機器人巡視存在盲區(qū)，部分巡視點無法覆蓋，500kV變電站機器人巡視盲點在5%左右。

解決辦法：通過調(diào)整表計朝向、增加反光鏡，盲區(qū)增加專用攝像頭等手段可有效解決巡視盲區(qū)問題。

結(jié)束語：電站智能巡檢機器人能在一定程度上代替人工巡檢，有效降低運維人員設(shè)備巡視強度和安全風(fēng)險，不但提高了變電巡檢作業(yè)的自動化和智能化水平，還改善了因巡視人員業(yè)務(wù)水平差、經(jīng)驗不足、責(zé)任心不強、現(xiàn)場環(huán)境等原因不能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷的問題，為智能變電站和無人值守變電站提供了新型的技術(shù)檢測手段和安全保障，更快的推進(jìn)了500kV變電站無人值班的進(jìn)程。隨著人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能機器人巡檢系統(tǒng)在電網(wǎng)中有著越來越廣闊的應(yīng)用前景。