大型換流站機器人安全巡檢系統設計

姚日斌，江林堅，吳波

（中國南方電網超高壓輸電公司柳州局，廣西柳州 210000）

我國能源分布的不均衡狀態，嚴重制約了我國各地區經濟的協同發展與各區域人民生活水平的提高，對以電力為代表的能源輸運和持續穩定供應提出了較高的要求[1-2]。電力輸運主要有交流輸電和直流輸電兩種方式[3-4]。相比于交流輸電而言，直流輸電所需的線路在相同供電條件下占用更少的線路走廊且損耗也更低，因此我國通過廣泛鋪設特高壓直流輸電線路來緩解東西部能源和經濟發展的矛盾。目前已鋪設和正在鋪設的多條特高壓直流輸電線路，有效推進了西電東送以及與能源國家之間互利互惠的戰略規劃，利用電力能源再分配實現共同發展和富裕。然而，大規模的特高壓直流輸電線路帶來了巡檢與維護工作量大的關鍵問題，傳統的人工巡檢方式已無法匹配日益龐大的特高壓電網規模，需要借助目前的先進技術替代傳統的低效方案，從而有效保障國家與人民的正常生產和生活[5-7]。

基于上述問題，該文基于紅外測溫和機器人技術，設計了一套面向大型換流站的機器人安全巡檢檢測系統。該系統具備監控預覽、錄像回放、地圖查看、報警數據分析、報表生成、聲音報警等功能，能夠利用軌道式與固定式機器人、后臺控制軟件對換流站的電力設備進行實時檢測及分析，從而高效、準確地完成輸電線路換流站的巡檢工作。

1 理論和技術分析

1.1 紅外輻射基本定律和規律

紅外輻射波長（0.76～1 000 μm）介于可見光與微波之間，其波段又按照波長不同可劃分為15～1 000 μm的遠紅外、3～8 μm 的中波紅外、1.4～3 μm 的短波紅外、8～15 μm 長波紅外、0.75～1.4 μm 的近紅外。

與紅外輻射相關的定律主要包括普朗克黑體輻射定律、維恩位移定律、斯蒂芬-玻爾茲曼定律和朗伯余弦定律[8-10]。其中，普朗克黑體輻射定律對黑體向外界輻射電磁波引發的光譜特征進行描述，并表明輻射強度與溫度間呈現出明顯的正比關系，用數學公式描述為：

式中，C1與C2分別代表了兩種輻射常數。根據式（1）可知，電磁輻射能量同黑體的溫度和波長存在較為緊密的關系，通過獲取溫度與波長信息可以計算得到黑體的輻射能量，從而實現對換流站設備的紅外測溫檢測。

維恩位移定律對黑體絕對溫度和光譜輻射峰值波長間的關系進行描述，其數學公式為：

根據式（2）可知，光譜輻射峰值隨著黑體輻射溫度的升高而逐漸朝短波方向偏移。

斯蒂芬-玻爾茲曼定律對物體在絕對零度和對外輻射能量間的關系（波長無限大條件下）進行描述，其數學公式為：

式中，σ代表斯蒂芬-玻爾茲曼常數，Mb(T)代表電磁輻射在全波段積分后的總能量。

朗伯余弦定律則是對不同觀測方向下的黑體輻射強度進行描述，其數學公式為：

式中，I0與Iδ分別代表了法線方向和與法線存在δ角度時的輻射投影強度。根據式（4）可知，紅外測溫時需要注意測量角度對測量結果造成的影響，兩者存在cosδ倍的關系。

1.2 紅外測溫原理

目前，針對電力設備的紅外測溫主要通過紅外熱像儀和紅外點溫儀實現[11]。相比于紅外熱像儀，紅外點溫儀結構簡單且價格低廉，但也存在測量誤差大、扛干擾能力弱、檢測效率低等缺陷，無法對表面不均勻的設備進行整體溫度檢測。因此使用紅外熱像儀更能滿足電力設備的準確、高效檢測要求，其測溫實現原理如圖1 所示。電力設備向外界發出的電磁波被光學系統接收后，由探測器和放大器對其進行轉換和放大處理，最終設備發出的電磁波以彩色圖像的形式輸出在顯示裝置上。根據這一原理，即可對電力設備的整體溫度進行獲取、檢測和分析，從而實現大型換流站的自動安全巡檢工作。

圖1 紅外測溫實現原理

1.3 電力設備熱缺陷及常見診斷方法

根據電力設備熱缺陷發生在設備的不同位置，可以將熱缺陷分為外部熱缺陷和內部熱缺陷，前者的診斷通過紅外測溫直接測量實現；后者則通過與目標相連位置處的紅外測溫反推實現[12-16]。按照電力設備熱缺陷發生的嚴重程度，可將熱缺陷分為危險、嚴重和一般3 個級別。當出現嚴重及以上缺陷時，通常可采用溫度閾值判別法進行診斷，即將異常狀態下的溫度同正常狀態下的最高溫度閾值進行對比和判斷，當超過最高溫度閾值時，即判定為存在缺陷。此外，可以通過使用溫差比判別法、同類設備比較法等方法對熱缺陷進行快速診斷。

2 巡檢檢測系統分析和設計

2.1 需求分析

為了滿足大型換流站安全巡檢檢測的需要，該文設計的系統必須能夠在強電磁場干擾下進行工作。此外，在使用場景上需要能夠在以下外界條件中正常運行：海拔高度≤3 000 m；環境溫度介于-10 ℃～60 ℃；抗震能力：水平與垂直方向上的加速度分別為0.3 g 和0.15 g；相對濕度5%～99%；大氣壓力70～106 kPa。在通信上需要滿足千兆網絡實時傳輸的性能要求，提供數據交換協議（包括機器人管理接口、基礎支持接口和任務管理接口等數據接口）和業務數據接口約定，從而實現遠程控制與數據上傳、用戶權限與密碼登錄等功能。在數據庫上，需要提供數據存儲和查詢功能；在機器人自動巡檢上，需要提供多種巡檢方案的自動化運行；在電源供電上，需要能夠在（220±20）V 的電壓下正常工作，且能夠應對交流電源突然斷電和來電的突發情況。

2.2 系統總體設計

安全巡檢檢測系統的總體設計如圖2所示。基于這一系統架構，文中的巡檢機器人在設置好預置位后，每過一段時間間隔，機器人就能夠沿著設定路徑，對換流站內的電力設備進行圖像抓拍，再傳輸給后臺工作站進行溫度數據分析，然后將分析結果保存在數據庫中并生成曲線，當出現溫度異常時執行報警操作。

圖2 安全巡檢檢測系統的總體設計

2.3 終端檢測層的設計

終端檢測層中的巡檢機器人類似于全景攝像頭，包含了云臺、高清網絡攝像機、紅外熱像儀和揚塵氣象傳感器。

該文巡檢機器人工作的垂直導軌長8 m，為蝸桿傳動方式，重復定位精度為±3 mm，使用壽命大于1萬公里，傳動速度為5 m/min，支持TCP/IP 協議。由客戶端接收層工作站安裝的控制軟件，可對PLC 控制芯片進行操作，進而借助網絡通信模塊（硬件包括網絡線纜、無線中繼和網橋等）對伺服電機進行控制，從而實現巡檢機器人的上下精準移動和停靠。

2.4 網絡傳輸層的設計

換流站為特殊環境，具有高電磁場、高壓、高輻射等特點。網絡傳輸層的無線部分采用多網橋組網方式在換流站搭建多個基站，借助交換機連接到客戶端接收層的網絡收發模塊，最終與工作站軟件相連。各基站安裝有高增益的發射天線，從而實現無線網絡在換流站的無死角覆蓋。

2.5 客戶端接收層的設計

客戶端接收層控制軟件的系統結構如圖3 所示，其模塊分別為預覽監控模塊、回放錄像數據模塊、地圖模塊、報警數據分析模塊等。

圖3 客戶端接收層控制軟件的系統結構

用戶信息配置模塊主要用于對用戶的查找、增刪和編輯等功能。可根據用戶權限設置用戶類型，管理員是具備所有權限的超級用戶；操作員具有預覽監控、回放錄像數據、地圖、聲音報警、報警數據處理、重疊分析及報表操作功能；客戶具有預覽監控、回放錄像數據、聲音報警、報警數據處理、重疊分析及報表操作功能。

預覽監控模塊包括視頻實時預覽、雙路視頻錄像、雙路圖像抓取以及云臺控制功能。視頻實時預覽功能可以切換1路同屏、2路同屏、4路同屏、9路同屏、16 路同屏、25 路同屏、36 路同屏，供各類用戶選擇使用，并可通過抓圖錄像將檢測結果存儲下來；云臺控制功能可以根據用戶需要，通過調節速度、焦距、視場、朝向等參數對每臺巡檢機器人進行手動巡檢控制。

設備信息配置模塊包括新增數據、刪除數據、更新數據、新增預置位、預置位微調功能。該模塊主要由管理員進行操作，能夠對巡檢機器人、導軌、電壓等級、線路名稱、部件名稱、網絡參數、預置位、報告模式、巡檢功率和頻率等信息進行配置。

回放錄像數據模塊包括巡檢數據回放和視頻回放兩個功能。前者用于對巡檢的數據進行圖片回放，后者則用于對已保存視頻進行回放。用戶可根據開始/結束時間、巡檢數據類型、監控點和預置位等信息對需要回放的圖片與視頻進行查詢、回放。

報警數據分析模塊包括報警數據瀏覽、分析和保存功能。通過搜索起始/結束時間、云臺名稱、報警類型、預置位名稱、部件名稱、缺陷類型等信息條件，以圖片和曲線的形式瀏覽并分析所有滿足條件的巡檢數據。用戶也可以在添加和編輯點、線、圓、矩形、多邊形、折線溫度、最高/最低溫度等輔助信息后，將巡檢數據重新保存在數據庫中。

重疊分析及報表模塊包括曲線信息生成和曲線分析報表生成功能。通過選擇云臺預置位信息、數據類型、查詢時間段，用戶可以根據需要生成曲線信息和曲線分析報表，并能夠以日報、周報、月報和年報的形式下載并保存。

地圖模塊主要提供電力設備運行狀態顯示和通過地圖直接跳轉到相關預置位進行實時情況顯示的功能。用戶可以在地圖上看到各位置電力設備當前的運行狀態，通過點擊該位置即可跳轉到該區域的實時鏡頭。

聲音模塊主要包括聲音報警和報警信息處理功能。當某一位置的溫度高于報警溫度閾值時，聲音模塊開始報警，直到處理完成；當溫度再次上升時才會繼續報警。當存在報警信息時，系統會根據報警數據來源在電子地圖上調用相關的鏡頭，查看該報警源的實時情況；若未發現異常情況，則記錄該巡檢機器人的編號，結合回放功能對當時報警的具體原因進行查看。

除了上述模塊外，客戶端接收層控制軟件的設計還包括了換流站電力設備的紅外熱圖像和可見光圖像的處理。由于巡檢機器人采集的圖像信息中摻雜了較多復雜噪聲等干擾信息，需要做出針對性的增強、分割和配準操作，從而減少環境干擾并提高電力設備與缺陷定位的準確性和有效性。文中采用空間域及頻域變換對圖像進行增強，采用閾值與邊緣檢測對圖像進行分割，并借助共同特征的提取和匹配對紅外、可見光圖像進行配準。紅外熱圖像和可見光圖像的處理效果圖如圖4 所示。

圖4 圖像處理效果圖

3 系統實現與測試

該文設計的機器人安全巡檢檢測系統在大型換流站中進行了安裝和測試。其中，系統控制軟件安裝的工作站配置為：Core i7，內存32 GB，固態硬盤256 GB，機械硬盤2 TB。巡檢機器人搭載9 套固定式和2 套軌道式云臺。

登錄系統后可以在用戶信息中添加其他不同權限的用戶，成功登錄系統后默認顯示在視頻界面。導航界面如圖5 所示，其顯示了系統的主要8 個功能導航，用戶可根據需要選擇進入相應的功能操作界面。

圖5 導航界面圖

圖6 為巡檢檢測系統控制軟件預覽監控界面，當前顯示為4 路同屏的狀態。用戶可以根據需要，在1 路同屏、2 路同屏、4 路同屏、9 路同屏、16 路同屏、25 路同屏、36 路同屏之間切換，若當前視頻未顯示完，則可以選擇翻頁顯示；多路同屏時，雙擊任意一路的紅外或可見光視頻，則該線路的視頻最大化，再次雙擊即可回到視頻導航界面。每路紅外和可見光實時視頻顯示下列有當前監控模式（手動巡檢、日常巡檢、詳細巡檢和服務器托管）、當前預置位、部件名稱等信息。管理員用戶可以通過設備信息配置界面選擇新增預置位點對應的巡檢機器人，再調整攝像頭角度和導軌位置，設置好預置位名稱以及新的巡檢機器人與導軌預置位編號。若設置的是新導軌的位置，則編號不能重復，以避免預置位被覆蓋，然后對預置位信息進行配置和更新。用戶可以利用巡檢檢測系統控制軟件報警數據分析功能，根據起始/結束時間、云臺名稱、報警類型、預置位名稱、部件名稱、缺陷類型等信息，查找、瀏覽并分析包括溫度曲線、紅外熱圖像和可見光圖像等在內的報警數據。

圖6 預覽監控界面（4路同屏）

該文設計的機器人安全巡檢檢測系統經過換流站長期的實地運行和調試，能夠穩定運行。在遇到電力設備故障時能夠快速響應，及時報警提醒操作員進行處理。在斷電或來電狀態下均能快速作出響應，抗干擾能力強，能夠準確、高效地完成換流站電 力設備的自動巡檢任務，滿足設計預期要求。

4 結束語

文中面向大型換流站，利用機器人技術和紅外測溫技術，設計了一套智能化的機器人安全巡檢檢測系統。該系統具備電力設備的監控預覽、圖像信息處理、設備信息配置、地圖定位與查看、報警數據分析、聲光告警等功能，能夠利用巡檢機器人以及后臺控制軟件對換流站電力設備進行實時檢測、分析和報警，滿足了換流站的自動巡檢要求。