智能變電站二次設備安裝工況在線巡檢系統設計

韓建波

（國電南瑞科技股份有限公司，江蘇 南京211106）

作為監測電氣裝備狀態的基礎手段，實施智能巡檢可以及時發現電氣設備中存在的故障隱患，對于電網設備的持續、可靠、經濟、安全運行有重要意義。在本課題中，主要針對智能變電站二次設備安裝工況的巡檢問題進行研究，以實現二次設備安裝工況的精細化管理，保障二次設備能夠經濟、穩定、安全地運行，因此設計一種智能變電站二次設備安裝工況在線巡檢系統。

對于智能變電站二次設備安裝工況在線巡檢系統方面的研究，國內外均十分重視。美國早在20世紀80年代就完成了二次設備安裝工況巡檢方面的實用化研究，很多電力公司都實現了二次設備安裝工況的智能巡檢。有學者提出一種基于嵌入式技術的智能變電站二次設備安裝工況在線巡檢系統，我國對于該系統的研究也在不斷推進，并取得了很多實用性較強的研究成果。有學者提出一種基于GPS技術的智能變電站二次設備安裝工況在線巡檢系統并獲得了廣泛應用。基于這些已取得的研究成果，設計一種新的智能變電站二次設備安裝工況在線巡檢系統。

1 系統設計

1.1 設計數據傳輸模塊

數據傳輸模塊主要利用TC35單片機實現在線巡檢中的GPRS通信功能[1]。所使用的單片機是一種GSM模塊，支持中文信息，是一種工業級單片機，具體技術參數如下：

最大下載數據速率為85.6 kbit/s；最大上傳數據速率為42.8 kbit/s；

四 頻：PCS 1900、DCS 1800和EGSM 900、GSM 850中能夠自動搜尋的4個頻段。并且這4個頻段符合GPRS Class 10+GSM Phase 2 I 2；

正常工作溫度：-30～+80℃；

SLEEP模式下的電流為0.9 mA；

靈敏度<-107；

工作電壓3.5～4.2 V；開機電壓>3.5 V；

支持串口復用功能，該功能符合GSM 07.10協議；支持2個串口，1個下載串口，1個AT命令口；

支持模擬音頻、數字音頻，支持AMR、FR、EFR、HR語音編碼；

AT命令支持TCP/IP命令接口與標準AT接口；

尺寸為22.8 mm×16.8 mm×2.2 mm。

1.2 設計GPS定位模塊

GPS定位模塊主要通過GPS定位芯片進行系統設備定位[2]。選擇的GPS定位芯片型號為SKG09BL，該芯片同時支持有源、無源天線，通信接口類型為UART，可達1 m的定位精度，靈敏度可達-165/-148 dBm，速度精度為0.1 m/s，支持多種短信息模式，其尺寸為22.8 mm×16.8 mm×2.2 mm，工作溫度為-40～85℃。

該芯片共由7部分電路構成，具體包括外圍電路、設置通信跳線電路、下載口電路、電平轉換電路、顯示電路、單片機電路以及穩壓電路，通過GPS調試軟件能夠對芯片的數據進行直接輸出。

1.3 設計智能巡檢機器人模塊

在智能巡檢機器人模塊中，設計了適用二次設備安裝工況巡檢的智能巡檢機器人。該智能巡檢機器人是系統采集設備安裝信息數據、進行移動巡檢作業的載體[3]。設計的智能巡檢機器人由外殼、充電單元、承載底盤、驅動部分等構成，重量約為80 kg，可達1 m/s的行走速度。該機器人的外殼選擇高強度金屬材質，每臺機器人可以進行10 h左右的連續巡檢，機身設有低電量充電點自動返回程序，實現完全的智能化巡檢。

設計的智能巡檢機器人最遠可以實現2 km的信息傳輸，通過雙視云臺進行監控，機身配置了30倍變焦、1080 P可見光相機以及熱成像儀紅外云臺，所配置的硬件設備可以充分滿足智能變電站二次設備安裝工況的巡檢需求[4]。其驅動部分能夠實現機器人的作業定位和現場作業移動，以及保持機器人移動時的爬坡能力和行駛速度。

該機器人可以實現以下功能：數據分析、識別設備安裝狀態、讀取儀表數值以及紅外測溫。

該充電房內置電池并且設有充電接口，機器人通過與該充電接口進行直接接觸即可進行充電[5]。充電房內還設有機器人停放處，機器人在充電時和停運時可以在充電房中安全停靠，同時充電房還能夠起到避雨、防曬、防風的作用。

1.4 設計數據庫模塊

數據庫模塊可存儲二次設備安裝工況巡檢數據進行存儲，涉及巡檢項、巡檢項分組、巡檢任務、設備、設備安裝情況、用戶等數據表模型[6]。其中二次設備的數據表如表1所示，巡檢任務數據表如表2所示。

表1 二次設備的數據表

表2 巡檢任務的數據表

1.5 設計巡檢軟件模塊

巡檢軟件模塊用于機器人后臺控制、巡檢數據處理以及巡檢任務制訂、分配等，是系統的后臺軟件模塊。巡檢軟件為移動巡檢App，同時支持iOS和Android操作系統，具有在線升級、版本檢測、用戶退出、登錄、注冊等功能。在該App中，用戶可進行拍攝照片壓縮比、采集終端對應IP地址等參數的設置[7]。該App還支持以智能變電站二次設備的類型為依據，查詢設備參數，能夠新建巡檢任務，并向智能巡檢機器人分配任務，以及對照片、日期、布爾量、數字、文本的巡檢數據進行處理，支持歷史記錄、備注信息等多種數據的查詢。

2 系統測試

2.1 實驗現場與設備布設

以某智能變電站二次設備安裝工況為例，對設計的智能變電站二次設備安裝工況在線巡檢系統進行性能測試。

通過采用設計的智能變電站二次設備安裝工況在線巡檢系統，對設備安裝現場進行設備安裝工況巡檢，總共布設20個智能巡檢機器人，并在現場安裝2個機器人充電房供機器人充電，平均每個充電房分配10個機器人。

通過移動巡檢App針對現場設備數量以及安裝工況對巡檢任務進行制訂，并向各個機器人進行巡檢任務的分配，開始進行巡檢實驗。

在智能巡檢機器人運行前，須保持場地平整，并在晴朗天氣下運行機器人，避免在極端天氣下運行機器人。

2.2 實驗測試

實驗主要對變電站二次設備安裝工況在線巡檢系統的巡檢點位偏離情況和設備巡檢的覆蓋率進行測試。

首先測試系統的巡檢點位偏離情況，具體測試結果如表3所示。在測試中將現有的兩種方法作為對比測試方法，分別為基于嵌入式技術、基于GPS技術的智能變電站二次設備安裝工況在線巡檢系統。

根據表3的測試結果可知，基于嵌入式技術、基于GPS技術的智能變電站二次設備安裝工況在線巡檢系統有一定的巡檢點位偏離問題。而設計的智能變電站二次設備安裝工況在線巡檢系統僅有輕微巡檢點位偏離現象，須對智能巡檢機器人進行調試，更精確地對巡檢點位進行巡檢。

表3 巡檢點位偏離情況具體測試結果 m

對系統的二次設備安裝工況巡檢覆蓋率進行測試，測試結果如圖1所示。在測試中同樣將基于嵌入式技術、基于GPS技術的智能變電站二次設備安裝工況在線巡檢系統作為對比測試系統。

圖1中測試結果表明，在巡檢場地面積不斷增加的情況下，設計系統能一直保持較高的設備巡檢覆蓋面積，在巡檢場地面積為250 m2時，系統能夠實現241.1 m2的設備巡檢覆面積，也就是說系統在巡檢場地面積較大時依然可以實現很高的設備巡檢覆蓋率。而基于嵌入式技術、基于GPS技術的智能變電站二次設備安裝工況在線巡檢系統這兩種對比系統在巡檢場地面積增大時設備巡檢覆蓋率都逐漸降低，表現遜色于設計系統。實驗證明，只有設計系統保持了較高、較平穩的設備巡檢覆蓋率。

圖1 設備巡檢覆蓋率測試結果