變電設備智能檢修系統設計與實現

徐寶軍，李新海，凌 霞，肖 星，劉德志，尹雁和，羅其鋒，邱天怡

(廣東電網有限責任公司中山供電局，廣東 中山 528400)

0 引言

變電站在電力系統中具有變換電壓等級、匯集和分配電能、控制電能流向等作用。作為電網輸送電能的重要環節，變電站的安全穩定運行直接影響整個電力系統的安全穩定性和供電可靠性[1-3]。變電站內存在大量變壓器、斷路器、刀閘、電容器、電抗器和消弧線圈等電氣設備，其安全可靠運行是變電站安全穩定運行的重要基礎。為確保變電設備的安全可靠運行，按相關設備檢修規程規定，變電部門需定期組織開展變電設備檢修工作來排除設備運行隱患以確保設備運行工況良好。此外，當設備在檢修周期內存在缺陷時，需立即開展設備檢修工作以消除缺陷。檢修工作質量的好壞直接影響電網運行水平[4-5]。隨著人工智能、增強現實技術(augmented reality, AR)以及定位技術的發展，電網系統陸續開展變電設備智能化和可視化運維的研究。文獻[11]提出基于智能巡檢的智能化變電站狀態監測系統設計方案，該系統實時綜合多種類型數據對設備的狀態進行評估，但未提供識別出故障設備后的處理方法。文獻[12]設計基于大數據架構的變電站設備智能化巡檢系統，該系統集成應用視頻監控和巡檢任務管理單元數據，識別出設備風險時會發出警報，然而在現場作業指導及安全管控方面存在不足。文獻[13]研究一種基于物聯網架構的變電站智能檢修報警系統，該系統在現場作業安全管控方面具有一定作用，但在檢修作業現場指導及進度管理方面不能發揮作用。

1 檢修工作存在的問題

目前變電設備檢修工作主要存在如下問題。

(1) 檢修人員技能水平參差不齊。變電設備種類、數量繁多，檢修人員需掌握大量變電設備檢修方法，且由不同廠家生產的同一類型設備檢修工序和工藝標準也存在差異，檢修人員全部掌握相關設備檢修方法存在一定客觀難度，導致檢修人員技能水平存在差異，難以保障檢修質量。

(2) 檢修計劃缺乏自動管理。變電設備檢修類型、周期各不相同，目前生產管理系統檢修計劃編制主要依靠人工完成，工作量大。生產系統與其他系統間的信息共享和數據綜合應用程度不高[6]，存在計劃編制遺漏導致設備超期檢修的隱患。

(3) 檢修方案缺乏智能管理。目前，制定變電設備檢修方案時需依靠人工查詢設備運維狀況、缺陷狀況、歷史檢修狀況等數據，并根據檢修類型、檢修規范確定檢修方案。檢修方案質量對編審人員技術技能水平和責任心依賴程度高，工作質量難以保障且工作效率低，缺乏對生產管理系統大數據的綜合智能應用，缺乏典型檢修方案數據庫管理、自動引用和針對性完善功能。

(4) 檢修作業指導書缺乏可視化指導。為規范現場檢修作業工作，電網企業制定了檢修作業指導書，對檢修人員起到了一定的指導作用。但檢修作業指導書主要依靠文字描述，缺乏視頻、圖像可視化應用，沒有做到檢修工序、工藝可視化指導，不利于員工學習、掌握相關檢修技能。

(5) 作業現場安全管控難度大。檢修工作地點周圍存在大量帶電設備，現場監護人難以做到全面監管，存在檢修人員誤入帶電間隔、誤碰帶電設備等引發人身傷亡的風險[7-10]。

針對目前變電站檢修作業存在的問題，以下綜合應用變電站各智能系統數據，基于AR及激光雷達定位等關鍵技術，提出并研發了變電設備智能檢修系統。

2 系統結構設計

變電設備智能檢修系統設計原則是利用站內多系統數據全面反映設備當前運行狀況，為設備檢修作業提供支持。變電設備智能檢修系統打破了以往各個數據系統間獨立的狀態，采用多種交互方式融合站內多個系統數據，其系統結構如圖1所示。

圖1 變電設備智能檢修系統結構

變電站目前使用的智能系統主要有SCADA系統、在線監測系統、生產管理系統及視頻監控系統等。SCADA系統集中收集變電設備運行核心數據，可實時展示變電設備運行狀況，該系統通過正反向隔離裝置與變電設備智能檢修系統實現數據交互。在線監測系統及生產管理系統通過防火墻接入到變電設備智能檢修系統。在線監測系統主要收集油色譜、主變套管電容量及介損、超高頻局放、環境在線監測數據，而生產管理系統主要包含設備檢修計劃、工作票信息、設備臺賬和缺陷記錄等數據。

為實現檢修預演功能，變電設備智能檢修系統需調用智能運維三維數據平臺中的全站設備三維模型。三維建模指按照設備現場設施位置、設備廠家圖紙相結合的方式對變電站全站設備、設施進行精確建模[14-15]。三維模型的構建包括電力設備內部元件的精確重構和電力設備在變電站中空間坐標信息的精確還原。智能運維三維數據平臺對變電站區域進行三維激光掃描采集三維數據，對三維數據進行處理，完成單個設備重構工作。在確定現場參考點建立位置坐標系后，通過電力設備與參考點間位置關系，確定各個電力設備的坐標，將各個設備按坐標組合在三維模型中即可得到變電站全站模型。

為了獲得現場人員的工作位置，變電設備智能檢修系統在現場分區域布置激光雷達感應樁，這些感應樁發射激光脈沖信號檢測確定檢修人員位置后，將位置數據通過交換機傳輸至變電設備智能檢修系統主站，用于識別檢修人員跨越電子安全圍欄的不安全行為，并聯動視頻監控系統對該不安全行為進行抓拍。

AR移動作業平板通過無線網絡與變電設備智能檢修系統主站相連，檢修人員在現場工作時，可實時通過AR移動作業平板查看設備的三維模型以及設備型號、規格尺寸、內部結構、機械特性等信息。同時AR移動作業平板可從變電設備智能檢修系統主站的AR技術數據庫實時獲取檢修預演視頻。AR技術數據庫集成變電站內常見檢修作業的3D演示視頻。檢修視頻根據作業指導書、檢修試驗規程及廠家相關標準制作而成，能夠動態展現設備的拆解、安裝、調試、試驗、驗收等各環節工藝流程及質量控制要求。此外，檢修視頻可根據現場需求進行擴展、完善。檢修人員可隨時調取相關設備檢修視頻學習檢修作業工序、工藝要求以提高檢修作業水平，高質量地完成檢修工作。

3 系統功能設計

3.1 檢修計劃智能管理

按南方電網《電力設備檢修試驗規程》規定需對變電設備開展周期性規范化檢修。變電設備智能檢修系統與生產管理系統進行數據交互，從生產管理系統中獲取設備運行年限、歷史檢修記錄、歷史缺陷記錄、設備運行狀態等數據進行綜合評價，自動生成年度、月度變電設備檢修計劃，對需要停電檢修的設備則自動生成年度、月度停電計劃。該系統每月自動統計年度、月度變電設備檢修計劃完成情況，滾動編制下月月度變電設備檢修計劃。

變電設備智能檢修系統還與生產管理系統中的缺陷模塊及在線監測系統相關聯，當運行人員或在線監測系統發現變電設備存在重大及以上缺陷時，系統可自動告警提醒檢修人員開展消缺工作以及提前開展需結合年度、月度變電設備檢修的工作。

通過系統上述智能綜合停電計劃管理，可有效防止變電設備檢修超期及避免設備重復停電，確保設備安全可靠運行，提高了系統運行可靠性。

3.2 檢修方案智能編制

變電設備智能檢修系統建有檢修方案庫，囊括了各類型規范化檢修典型方案以及設備消缺檢修典型方案。該檢修方案庫具備修編、擴容功能，方便檢修人員定期開展檢修方案的修編擴容工作。檢修方案主要包含檢修對象、檢修任務、臺賬信息、歷史缺陷記錄、歷史檢修記錄、工序工藝要求、備品備件等內容，防止發生工作疏漏。該系統生成年度、月度變電設備檢修計劃后，針對每項檢修任務智能關聯推送對應的檢修方案，經管理人員確認后即可派工執行。當變電設備發生缺陷，該系統在生成設備消缺檢修任務的同時可智能推送設備消缺檢修方案，指導檢修人員開展消缺工作。

3.3 檢修預演

針對變電站變電設備檢修作業，變電設備智能檢修系統可提供設備零部件級的檢修預演3D視頻。AR移動作業平板根據具體檢修任務可從該系統調取對應的設備檢修流程預演視頻。檢修預演功能具體流程如圖2所示。

圖2 檢修預演流程

檢修預演視頻包含檢修對象、檢修任務、備品備件、零部件展示、拆解工序、安裝工序、調試工序、試驗工序、整組傳動工序等內容，同時展示作業風險點及控制措施、相關作業標準等內容，實現了檢修前的技術培訓及檢修過程的技術指導。

3.4 檢修過程智能管控

在檢修作業時，檢修人員通過AR移動作業平板根據檢修工單任務下載相應的作業指導書，在現場工作中逐項執行作業指導書相應步驟，管控現場作業質量、安全。作業指導書的執行情況通過虛擬專用網絡(virtual private network，VPN)定時(如間隔5 min)傳輸至變電設備智能檢修系統主站，檢修管理人員可在該系統跟蹤查看當前現場作業指導書執行情況。變電設備智能檢修系統可智能判斷發現作業指導書執行步驟存在的漏項并向AR移動作業平板發送告警信息，提醒現場檢修人員。在檢修作業完成后，系統可自動將相應的檢修工單、檢修方案、檢修作業指導書及工作票等材料進行歸檔，實現歷史追溯查詢。

檢修人員的位置信息是檢修過程管控的另一項內容。根據《電力安全工作規程》規定，檢修人員需在指定的檢修工作地點工作且必須與帶電設備保持足夠的安全距離。變電設備智能檢修系統可實時獲取現場檢修人員的位置信息，為檢修人員提供安全監管功能。

作業前變電設備智能檢修系統從生產管理系統獲取檢修工單對應檢修工作票的工作地點。系統自動調取工作地點所在區域的三維模型，然后根據工作票要求在變電站三維模型中劃定電子安全圍欄。工作票許可人結合實際調整電子安全圍欄空間布局，與工作負責人確認電子安全圍欄圈定的作業區域符合要求后，將電子安全圍欄的作業區域空間位置信息與工作票信息進行關聯并保存到安全作業區域數據庫。該系統還可獲取工作票中的工作負責人及工作班成員信息，確認工作人員作業資格后運行人員方可簽發工作票許可作業。作業過程中，激光雷達裝置會定時發送激光脈沖信號采集計算檢修工作人員的位置信息。智能檢修系統根據采集的人員位置信息以及三維模型數據，識別出檢修人員跨越電子安全圍欄的不安全行為時立即聯動視頻監控系統對該不安全行為進行抓拍，并推送告警信息和控制現場聲光告警裝置發出告警信號，提醒運行人員及現場檢修人員采取措施管控上述不安全行為，防止發生人身安全事故。檢修過程智能管控流程如圖3所示。

圖3 檢修過程智能管控流程

4 系統關鍵技術

4.1 AR作業支持技術

AR技術是一種實時計算攝影機影像的位置、角度并加上相應圖像的技術，利用該技術可以實時將真實的環境和虛擬的物體同時疊加到同一個畫面進行呈現[16]。

變電設備AR作業支持技術的實現建立在變電站三維建模的基礎上。作業過程中檢修人員手持AR移動作業平板聚焦檢測到檢修設備后，可將設備以及相關聯的數據以AR技術進行展示，實現靜態數據和運行數據的疊加可視化。檢修人員可在現場通過AR移動作業平板實時查看變電設備的臺賬、運行數據、結構原理以及檢修工作危險點等信息。當檢修人員對變電設備結構原理不熟悉時，可通過AR移動作業平板進行三維零部件級模型AR檢修預演，展示設備的拆解、安裝、調試、試驗、整組傳動等工序、工藝、流程及要求內容，從而加深變電設備結構原理的理解，確保變電設備檢修工作順利開展。

AR移動作業平板掃描識別出設備后，檢修人員可查詢檢修工單關聯的檢修計劃、檢修方案、作業指導書，確認檢修對象、檢修任務，并可進行AR檢修預演，熟悉掌握相關設備工作原理及工序、工藝標準，同時了解作業風險點及控制措施。檢修人員還可通過AR移動作業平板快速查詢檢修對象臺賬信息、歷史缺陷記錄、歷史檢修記錄、歷史試驗記錄，為現場檢修工作提供綜合數據支持。

在現場作業過程中，檢修人員在AR移動作業平板的作業指導書上記錄當前檢修作業執行情況并上傳到變電設備智能檢修系統主站，執行結果主要以已完成、無需進行、未完成三種狀態記錄。變電設備智能檢修系統主站在識別出作業指導書執行漏項時將立即向AR移動作業平板推送告警信息，提醒檢修人員管控檢修工作質量。

4.2 激光雷達定位技術

激光雷達定位技術具有極高的角度、距離及速度分辨率，可實現多目標的跟蹤并獲取目標的清晰圖像；同時激光按直線傳播，方向性強，受電磁波等有源干擾源的影響小，故該技術適用于變電站內的人員跟蹤定位，以實現變電站人員位置的實時管控功能。

變電設備智能檢修系統采用激光雷達定位技術獲取檢修人員的位置信息。布置在變電站內不同位置的激光雷達感應樁每秒鐘發射15次激光脈沖信號。激光脈沖信號射向被測目標物體后反射回激光雷達感應樁，感應樁通過測量光脈沖往返傳播所需時間來計算檢修人員與感應樁的距離。通過多個激光雷達感應樁的配合及聯合多目標跟蹤智能分析算法，可確定檢修人員的當前位置，定位誤差為30 cm以內。系統根據獲取的人員位置信息判斷分析人員位置是否在相應工作安全區域內，識別出檢修人員跨越電子安全圍欄的不安全行為時立即啟動告警功能，從而保障現場作業安全。

5 應用實例

500 kV文山變電站是南方電網首座500 kV戶內GIS變電站，也是南方電網智能技術應用示范點。以上研制的變電設備智能檢修系統已試點安裝應用于500 kV文山變電站2號主變區域。在2號主變區域共配置2個落地式激光雷達感應樁、2個高掛式激光雷達感應樁，并完成全站設備設施三維建模、2號主變零部件級三維建模和2號主變零部件級檢修預演3D視頻制作。

該系統與站內已有的智能運維三維數據平臺、生產管理系統、SCADA系統、在線監測系統、機器人智能巡檢系統及視頻監控系統等系統進行數據交互，實現了檢修計劃智能管理、檢修方案智能編制、檢修預演、檢修過程智能管控功能。

變電設備智能檢修系統在500 kV文山變電站應用效果如下。

(1) 該系統打破了站內各個系統間的信息壁壘，通過系統間數據交互和變電設備生產大數據綜合應用，實現了變電設備周期性檢修和消缺檢修的智能綜合停電計劃管理，降低了生產計劃管理人員的工作量，提高了檢修計劃編制工作質量和工作效率，使變電設備真正做到到期應修必修。

(2) 該系統建立了檢修方案庫。典型規范化檢修方案以及設備消缺檢修方案經專家審定后方可入庫，并按檢修任務內容自動推送合適的檢修方案。該功能既傳承了專家經驗，又規范了檢修管理，為檢修人員策劃環節提供了有力的技術支撐。

(3) 檢修人員在檢修前或檢修過程中可選用檢修預演功能，隨時選擇調閱該系統所提供的設備零部件級檢修預演3D視頻，指導檢修人員開展現場檢修工作，使檢修前的技術培訓及檢修過程的技術指導做到直觀和可視化。

(4) 該系統通過與AR移動作業平板數據交互，可自動監管提醒檢修人員逐項執行作業指導書相應步驟；通過激光雷達定位技術，可智能識別檢修人員跨越電子安全圍欄的不安全行為并告警；實現了檢修作業過程質量和安全的有效管控。

6 結論

通過集成應用AR作業支持技術、激光雷達定位技術，研制了變電設備智能檢修系統。該系統實現了變電設備檢修計劃智能管理功能，可自動跟蹤變電設備檢修周期并制定檢修計劃以避免設備超期未檢修。該系統還實現了檢修方案智能編制、檢修預演、檢修過程智能管控功能，為檢修人員提供了直觀有效的技術支持，提升了變電設備檢修質量及效率，保障了檢修人員的人身安全。該系統對變電設備檢修智能技術發展起到推動作用。