變電站無人值守智能巡檢機器人的構建與設計

姜 輝，滕 磊，竇雪亮，郭守海

（1.吉林石化公司電儀中心，吉林吉林 132022；2.吉林紫瑞新材料有限公司，吉林吉林 132021）

0 引言

某公司近年退休人員數量呈現遞增趨勢，尤其變電站崗位用工總量，已經不能滿足正常的生產需要。多數變電站存在用工總量與崗位人員短缺的矛盾問題，由于員工年齡結構老化，存在日常巡檢力量不足的安全隱患問題。公司某廠變電站始建于1996 年，裝置設備同期投入運行，由于設備數字化程度較低，崗位員工大多數還是依靠傳統經驗進行人工操作和巡檢，易出現效率低、反饋慢、安全風險大等問題。

1 項目建設必要性

工廠66 kV 變電站2 所、6 kV 變電站13 所、380 V 變電站29 所，采用人工方式進行定時巡檢，各個變電站分散布置在廠區的不同位置，位置相距比較遠。現電氣巡檢制度要求：每班次巡檢2 次，巡檢時長2.5 h，而夜班早晚巡檢時間不夠，長期占用員工休息時間，操作人員對設備巡查時效性不明顯，存在巡查間隙發生危險的管理漏洞。需對電氣系統進行改造升級，通過數字化建設提高工廠電氣變電站智能化、信息化的管理水平。無人值守變電站及智能機器人巡檢與網絡的結合，使變電站得以優化，可提高管理質量和工作效率。

2 智能巡檢機器人系統設計

室內掛軌式智能巡檢機器人系統以巡檢機器人為核心，集移動視頻巡檢、紅外測溫、環境監控、數據智能分析等功能于一體，實現對巡檢區域設備的實時監控、數據分析管理。巡檢機器人系統是由后臺軟件系統、供電系統、軌道系統、機器人系統、通信系統及其他設備組成，具體架構如圖1 所示。

圖1 巡檢機器人架構

2.1 后臺管理系統

2.1.1 本地監控后臺

本地監控后臺作為巡檢機器人系統的中心，主要由實時監控模塊、報表系統、地圖編輯模塊、數據統計模塊、任務管理模塊、系統設置模塊及系統集成模塊等組成。本地監控后臺除控制機器人執行相關巡邏任務外，還應具有數據采集、統計、檢索、儲存、報表、智能分析等多種功能。

2.1.2 遠程集控后臺

遠程集控平臺除了具備本地監控后臺的具體功能之外，還可以監管數個本地的監控后臺。平臺能夠對所有智能巡檢機器人，進行遠程控制和采取的數據進行分析，同時能夠對變電站進行層次更高的綜合控制及綜合管理。遠程集中控制后臺能夠實現集中監控模式下的所有功能，可以控制其他巡檢機器人做相應的動作和功能。

2.2 通信系統

巡檢機器人采用PLC 通信系統（兼容WIFI/4G）與整套控制系統通信。通信系統為機器人提供不小于50 Mbps 有效網絡帶寬，可以保證巡檢機器人系統所有的控制信號、視頻數據、音頻數據及報警信息等各類數據實時可靠傳輸（圖2）。

圖2 智能巡檢機器人通信原理

2.3 供電系統

巡檢機器人采用滑觸線的方式進行取電或鋰電池的方式進行供電。滑觸線安裝在鋁型材軌道上，供電系統取電電壓220 V/50 Hz，輸出電壓DC 24 V。巡檢機器人的供電模塊使用濾波技術，以濾除外界電網高頻脈沖對系統電源的干擾，使機器人獲得穩定供電。

2.4 性能參數

智能巡檢機器人在行走程中采用通過伺服電機里程碼盤（脈沖）及RFID 相結合方式，來實現定位及路徑的校核，確保巡檢機器人的控制器及遠程中心管理平臺能夠實時確認機器人的詳細位置信息。

3 智能巡檢機器人主要功能

3.1 視頻識別

智能巡檢機器人系統的核心功能是室內掛軌式巡檢機器人的視頻識別功能，機器人通過自身配置的可見光攝像機來實現視頻、圖像等數據的采集，采用自主開發的相關高精度圖像識別算法，來對相關視頻數據進行智能分析和處理，識別視頻內容。視頻識別功能能夠準確識別室內的儀表、壓板、開關、指示燈、設備外觀等多種表計，進行自動表計讀數，以此全面掌控變電站電力設備和環境的全部狀態信息（表1）。

表1 巡檢機器人主要功能模塊

3.2 紅外測溫

巡檢機器人利用自身攜帶的紅外熱成像儀對室內電力設備溫度數據進行采集，對采集的數據進行分析，進而診斷出致熱型設備故障及熱缺陷，觸發相應報警。紅外測溫功能包括紅外普測、精確測溫、遙控測溫和測溫預警等。巡檢任務執行完成后會自動生成任務報表，實現對變電站設備及環境溫度的高密度、高顆粒度檢測與多維度分析管理。

3.3 環境檢測

巡檢機器人自身攜帶的環境監測模塊可以監測環境中的有害氣體、溫度、濕度、煙霧等環境信息（圖3）。機器人實時采集的環境信息即時傳輸到控制中心，為操控人員提供現場環境信息。當監測到有害氣體超標時，系統將進行報警，提示運維人員及時處理。機器人系統可聯合多種環境監測設備對現場環境狀態信息進行全方位的檢測匯總和統一分析，并可據環境和設備異常出現的頻率智能劃定需重點關注的區域，有效輔助配網運維決策。

圖3 環境監測示意

3.4 音頻采集

巡檢機器人本體搭載高靈敏度的拾音器，隨云臺一同轉動，定向采集電力設備的音頻信息。機器人采用國際領先的音頻降噪算法和聲音識別技術，降低環境噪聲干擾，增強音頻信息識別的準確性和可靠性。音頻數據經過軟件壓縮后傳回服務器進行存儲。

3.5 局放檢測

巡檢機器人內部搭載局放檢測傳感器用于地電波（TEV）和超聲波（AE）的檢測（圖4）。當檢測到開關柜等設備內局部放電處于異常狀態時，能立即觸發報警，提示管理人員到達現場處置。利用局放檢測設備，能實時對開關柜等設備進行檢測。局放監測設備數據模塊及控制后臺具備局放數據自動繪圖、自主識別和診斷的能力，在局放出現異常情況下可以實時報警、應急模式巡檢及系統聯動功能，同時管理后臺能夠對單點檢測數據進行歷史分析，并進行歸檔和診斷等處理。

圖4 局放檢測功能

3.6 雙向語音

巡檢機器人雙向語音功能是指對講和廣播功能。對講功能可實現變電站監控人員通過巡檢機器人的管理后臺和機器人間進行的對講；廣播功能可實現通過管理后臺對現場工作的遠程指揮及緊急狀態下發布快速撤離等。

3.7 任務管理

在監控平臺中，將任務管理分成全面巡檢、例行巡檢、專項巡檢、特殊巡檢、自定義任務、地圖選點以及任務展示等七大模塊，每個大模塊又拆分為不同的小模塊，可以根據實際情況建立不同類型的任務。在任務系統中既可以手動進行任務的執行，也可按照日程進行任務分配執行實現自動巡檢功能。

3.8 巡檢功能

智能巡檢機器人自動巡檢功能模塊，能自主實現變電站室內巡檢工作，具備高度自動化、智能化的特征，進而取代人工巡檢（圖5）。自動巡檢模式有定時巡檢、特殊巡檢、例行巡檢、單次巡檢、人工遙控巡檢等，可根據需要在各類模式間相互切換。巡檢機器人能按預先設定的巡檢模式進行工作，按設置規則進行表計的讀數、電力設備的量溫和環境監測等各項巡檢任務。

圖5 后臺巡檢界面

（1）自動巡檢任務。智能巡檢機器人按預先設定的路徑進行自動巡視的方式就是自動巡檢。自動巡檢模式有2 種方式：例行巡檢、特殊巡檢，模式間可相互轉換。巡檢機器人安裝有高清攝像機、拾音器、高靈敏紅外熱成像儀等檢測設施，機器人能按設定的規則和路線，實現變電站各點設備設施的可見光拍照、紅外測溫、表計讀數以及環境監測等各項巡檢活動任務，同時把各種巡檢數據即時自動傳輸至后臺管理系統進行保存，進而生成詳細檢測分析報告，這些任務包含有局放檢測、電流檢測、溫度檢測、電壓檢測、開關狀態監測等。針對特定巡檢點，可由巡檢人根據電力柜巡測需要檢測點，實現特定電力柜的巡檢需要。

（2）人工遙控巡檢。巡檢機器人可通過人工遙控巡檢方式，進行實時遙控機器人。人工遙控模式適合運維人員需對變電站某臺設備及設施狀態進行鎖定和監測，特別是在機器人自主巡檢任務中，檢測出現的設備及環境異常向運維人員報警時的狀態，運維人員能立即采用管理后臺人工遙控功能，操控機器人第一時間到達異常設備設施的位置，能夠及時將異常設備設施查看同時核實報警信息，以便下步快速制定響應和應急操作。

3.9 數據統計及報表

監控平臺具備對監控數據進行儲存、分析、統計、檢索的功能。監控平臺對數據進行標準化的整理與排序，支持報表導出保存。運維人員可根據任務或監控點在監控平臺內對數據進行檢索，快速查看監控數據。

巡檢機器人在執行完一個任務之后都會自動生成報表，運維人員可以在監控平臺根據時間、巡檢類型、任務名稱等進行檢索并查看報表。運維人員可根據需求檢索，查看，導出各類表報，包括巡檢任務報表、數據報表、報警記錄報表、環境信息報表等。

3.10 預警與聯動

巡檢機器人巡檢過程中，通過數值分析、趨勢分析、閾值對比、數據庫等技術，對異常的數據實現自動預警。預警通過界面告警和聲光告警2 種方式呈現，提醒運維人員。當后臺分析數據顯示為異常時，后臺監控軟件界面會出現告警信息列表，運維人員通過操作滾動顯示告警信息。當系統存在告警信息時，系統通過巡檢機器人告警音頻及燈光閃爍，提醒運維人員注意。

系統預警功能通過大數據分析引擎和專家診斷系統技術，基于設備檔案數據庫，對采集的海量信息、自定義報表，結合專家分析知識，進行多維度數據分析，識別熱斑缺陷，發現潛在的風險和缺陷，預測可能出現的問題，基于運營收益最大化目標，給出合理的維護建議，如零部件清洗保養建議、部件更換和維護建議等，實現預防性維護，減少非計劃停運損失。

設備智能故障診斷系統通過對設備故障、線路故障的特征現象進行分析，利用專家診斷模型和STORM 實時數據分析技術，建立一種新的故障排查和分析機制，指出發現問題的原因，提供問題的解決方案，快速、準確地解決光伏電站運行中設備故障問題。同時把診斷的信息流自動輸出至運維系統，來實現高效的運維診斷和檢修管理。

3.11 機器人自檢

巡檢機器人作為巡檢系統的主體，搭載主要的檢測設備在前端采集各類數據信息。為了保證日常工作，機器人在啟動巡檢前均會進行自檢，自檢內容包括紅外熱成像儀、高清相機、電機、云臺、內部存儲及各種傳感器等，若發現部件異常則給出異常狀態報警，并將系統異常信息上傳至監控后臺，方便運維人員及時發現故障，減少故障處理時間，提高解決故障的效率。

4 結語

實現變電站巡檢工作機器替代人工巡檢，無人值守、智能管控。運維人員通過巡檢機器人全景掌握高危區域設備的狀態，減少巡檢次數，降低日常維護的人員及物資等維護成本，挖掘生產狀態數據中的價值，提高運維管理水平，降低人工巡檢工作量。通過數字化建設提高工廠電氣變電站智能化、信息化管理水平，實現變電站無人值守，提高管理質量和工作效率。