基于多能物聯的水電站智能巡檢機器人研究

金大剛 毛青海 陳自強 張福興 熊杰

（1.陜西省水電開發有限責任公司二郎壩發電公司2. 深圳市精實機電科技有限公司 3.華自科技股份有限公司）

0 引言

水電站是清潔能源供給的有效形式之一。隨著信息網絡與通信技術、裝備的發展與應用，原有的水電站監測與巡檢裝置越來越不適應現代化水電站的運維要求。尤其在中小型無人值班、少人值守的日常巡檢中，傳統的人工巡檢方式正逐步被淘汰，取而代之的是更加智能、全面、精準可控的固定式或移動式巡檢機器人。相比于人工巡檢，智能機器人在水電站巡檢的過程中具有智能化水平高、便于集約化管理以及經濟高效等優點。目前國內外學者對巡檢機器人進行了大量理論研究與產業探索，總結起來主要包括如下幾個方面：①巡檢機器人的分類，主要面向電站電廠巡檢、輸配電線路巡檢、變電站巡檢、用電終端服務巡檢機器人；②巡檢機器人工作原理與應用功能方面，主要研究內容包括自主導航、表計讀數、紅外測溫、視頻監視、智能分析、異常預警等方面；③巡檢機器人關鍵技術方面，重點包括視覺大數據分析技術、視覺識別與智能交互技術、基于AR/VR的多目標識別技術、圖像及語音識別技術、自主導航與精準控制技術、人工智能與云計算技術、物聯網技術、虛擬現實技術等；④在電力巡檢機器人指標先進性方面，重點圍繞可接入傳感器數量、傳輸速率峰值、平均功耗情況、缺陷圖像的識別率；⑤在巡檢機器人應用發展新方向上，重點圍繞巡檢機器人與傳感器協同、機器人與高清視頻協同、機器人與智能故障診斷系統協同、平臺為核心的智能生態、多元數據融合、智能輔助決策。然而，現有的水電站機器人巡檢的智能化水平，尤其是多臺智能巡檢機器人組網后的平臺化、集約化管理方面還有很多的問題值得研究。為了提高水電站巡檢機器人的巡檢效率與效益，本文研究并提出了基于多能物聯技術的智能巡檢機器人，并結合實際應用情況進行案例分析。

1 基本概念

1.1 巡檢機器人

巡檢機器人是指廣泛應用于工業、電力、工控、環保、智能運維等領域，具有精準定位、路線規劃、智能避障、自主或成組作業等功能，實現終端表計數據識別、信息歸類與上傳、巡檢作業管理以及智能故障診斷的固定式或移動式機器人，能夠部分或全面代替人工實現場站的無人值守。在功能方面，巡檢機器人具有導航定位、無軌運行、數據抄讀、智能測溫、遠程可控、故障識別、異常預警、聯動告警、自動充電等功能。

1.2 多能物聯

多能物聯指面向能源生產與能源消費的能源多元化需求，基于能量轉換、能量存儲、能量調控等設備設施，利用物聯網、大數據、人工智能等信息技術，實現能量與信息流深度融合，多種能源的協同互補、安全高效和智能管控，具備能源設備狀態全面感知、能量流動系統監測、能源效率綜合提升、能源安全有效保障等能力，支持能源產業面向多能、綠能、節能、智能的方向持續發展。其中，多能是指多種類能源、多品質能源、多能源形式；物聯是指基于能源設備的能量互連、基于信息技術的信息互聯、基于信息物理的深度耦合。多能物聯平臺是面向包括水電站智能巡檢等多應用場景的一體化平臺，優勢在于實現終端設備即插即用、需則可用，以及系統層態勢感知、理解與利導。

2 基于多能物聯的水電站管控平臺

2.1 基于多能物聯的水電站平臺架構

基于多能物聯的水電站采用“三層兩網”的結構進行設計。其中，三層就是廠站層、單元層、過程層，兩網即為“廠站層網”和“過程層網”，據此對場站進行分層分區管理。

“過程層網”將水電站的各種設備信息上傳到單元層，然后從單元層接收廠站層下達的控制命令。

“廠站層網”按雙星型網絡架構設計。其中安全I區是最重要的生產控制區，并按“三層二網”的結構設計。安全I區是指直接用于生產的設備區，主要包括水電站的控制設備、發電、供電、調度等設備區。安全II區是非生產控制區，主要提供有關的控制參數，如電度計量、發電計劃、保護定值管理、故障錄波、設備運行狀態監測、洪水預報、中長期水文預報等設備區。安全III區是信息管理區，主要管理大壩監測、視頻圖像顯示、設備狀態檢修、消防系統管理、智能生產管理、行政辦公管理、Web發布等等功能區。為了網絡的安全可靠，要求安全I區與安全II區之間用防火墻隔離，安全II區與安全III區之間用橫向隔離裝置（含正向隔離裝置與反向隔離裝置）隔離。所有安全區的運行軟件，均在一體化管控平臺上運行。

2.2 基于多能物聯的水電站平臺功能

（1）梯級調度的聯合控制

水電站梯級調度系統應達到合理調度用水、防洪、灌溉、發電等目的。為完成最優的梯級調度，需要開展水電站流域的水情水文預報，以便合理安排水電站的發電計劃，提高水量和水頭的利用效率，應根據具體情況制定梯級調度的計劃，并根據情況的變化及時修改調度計劃。

（2）現地與遠程控制的聯合控制

由于整個系統采用開放式、分層、分布式的網絡系統，故而具有多級調控的能力，既能在現地對設備進行控制，也能在分調度或總調度等處進行控制，極大地方便用戶根據具體情況選擇控制模式。

（3）數據的采集與交換

實時采集各控制點的數據，根據采集的數據和規定的策略進行控制、操作、報警等工作，格式化處理后，存入實時數據庫。數據庫的實時數據可供查詢、遠傳、交換等處理。

（4）數字化視頻監控

用最先進的數字化視頻監控技術，實現視頻信號的數字化通訊，為調度系統、水電站各系統提高安全防范措施，增強對突發事件的快速反應能力，因而使得遠程監控系統的管理與維護變得更加容易。

（5）梯級水電站的群控與自動安全監測

對整個梯級的各級水電站實現集中控制，通過各種自動化監控技術及分析技術，達到水的利用率與水電站出力的最佳配合。并且預警水電站設備和水工建筑物的運行狀態，保障梯級水電站的安全運行。

（6）遠程Web瀏覽系統

Web瀏覽系統作為B/S構架的監控信息發布平臺，采用XML技術對信息進行分類分層管理。任何一個水電站只要接上Internet網（需加華自網關），可以實現在任何一臺計算機終端上，通過上網的方式訪問服務器站點，可以實現查詢水電站的主接線圖、實時數據、開停機流程、各種報表、曲線、歷史數據等功能，方便各級人員對整個水電站系統進行及時的、全面的了解。

（7）設備的遠程控制和調節

實現多個分控中心的遠程聯合水量調度、電量調度，實現總水量的平衡調度，保證整個系統安全穩定運行。

3 基于多能物聯的智能機器人巡檢系統

3.1 智能機器人巡檢平臺

基于多能物聯的智能機器人巡檢平臺負責整個水電站的數據全面監視、遠程運行控制、智能巡檢消缺等作用，見圖1。對于已建非智能水電站，利用多能物聯通訊終端提升信息接入率，利用多能物聯協調控制終端提升對關鍵應用流程以及區域應用的本地智能化水平，利用多能物聯儲能系統提升水電站用能的效率與效益，利用多能物聯平臺實現與原有平臺的融合或對原有平臺進行升級改造，據此提升平臺的智能監管與運維能力。

圖1 基于多能物聯的智能機器人巡檢系統應用場景示意圖

智能機器人巡檢平臺運行過程中，智能巡檢機器人作為終端信息采集設備，對水電中的變壓器、開關設備（斷路器、隔離開關）、線路保護信息等進行采集與細分，形成可用于多能物聯平臺支配的可調配資源。利用多能物聯協調控制終端實現對接入信息的就近協調、就地控制，比如基于智能巡檢機器人采集標記數據，對于數據越限的水電站終端設備進行告警、隔離，避免事故擴大。

3.2 智能機器人結構組成

智能巡檢機器人包括機器人外部、機器人內部、機器人組網系統三個部分，見圖2。其中：① 機器人外部包括機器人移動底盤、機械臂、可見光攝像儀、紅外攝像儀、拾音器、充電樁、監控軟件，可根據用戶要求搭載其他傳感器，如：異常氣體檢測、溫/濕度監測、油/水滲漏識別、局放檢測。②機器人內部包括控制裝置、電源、WiFi/5G/4G網絡等。通過機器人內外部的互聯以及與多能物聯平臺的實時通信，能夠提高巡檢質量以及設備巡視數據分析的效率與準確性。數據分析由巡檢系統軟件自動統計分析，并進行故障診斷，與電站綜合自動化系統聯動，為電站安全運行保駕護航。③機器人組網系統，通過巡檢機器人終端與多能物聯平臺協作，實現平臺與終端的組網協同運行，并支持自動巡檢模式與遙控巡檢模式。其中，在自動巡檢模式下，智能巡檢機器人按照預制的巡檢內容、行進路徑對特定設備開展常規巡檢，經巡檢機器人獲得的設備信息（如表計數據、電壓電流、異常告警等）采集后自動上傳到多能物聯平臺，進行數據存儲、分析及可視化展示。在遙控巡檢模式下，巡檢工作人員按照高優先級遠程實現對巡檢機器人巡檢內容的控制，該模式下能夠實現對重點設備、重要信息的查看與核實。

圖2 基于多能物聯的智能巡檢機器人組網結構示意圖

3.3 智能機器人的巡檢范圍

智能巡檢機器人適應無人值班或偏遠地區的水電站，降低對人工的依賴，消除人工安全隱患，提高巡檢效率。智能巡檢機器人的巡檢范圍包括如下幾個方面：

① 戶外升壓站一次設備的外觀、聲音、溫度、油位、SF6氣體密度、避雷器泄漏電流、指示等各類表計讀數，斷路器、隔離開關、接地刀閘的分合狀態、一次設備本體和接頭的紅外測溫等。② 戶內電、油、氣、水等表計指示、斷路器和隔離開關及接地刀閘等機械位置及電氣指示、狀態指示燈狀態、保護壓板位置。③ 發電機滑環和碳刷、變壓器、控制盤柜內電氣元件、電動機等設備紅外測溫。④ 廠房內氣體檢測，判斷巡檢路線中有無火情、積水、漏油、SF6泄漏等情況。

3.4 智能機器人的功能作用

基于多能物聯平臺的智能巡檢機器人將現代服務業理念應用于巡檢行業，結合大數據及物聯網技術，實現智能化運維，提升運維效率。智能巡檢機器人按設定巡檢任務對表計數據識別、紅外測溫、聲音檢測等定時自主巡檢，同時巡檢數據實時傳輸后臺，形成數據報表，對被監測物體出現異常自動進行預警，實現安全、綠色、高效的智能型電廠環境。

（1）巡檢路線規劃

根據現場的實際情況及需求生成直觀的可視化現場電子地圖，用以顯示關鍵點、巡檢點、設備、機器人的巡檢路徑及所在位置等信息。

（2）圖像識別

主要識別儀表讀數、指示燈狀態、開關位置、液位高度等數據。

（3）紅外測溫

彩色圖像形式顯示視野范圍內溫度，可遠程精確測溫，無需接觸。

（4）噪聲識別

機器人搭載的拾音器采集發電機、變壓器等設備運行中發出的聲音，通過對聲音進行時域和頻域的分析，判斷設備工作狀態是否正常。（噪音分析功能還在研發中）

（5）自動充電

機器人檢測到電量不足，自動返回充電站充電，通過兩個金屬觸點自動對位連通電源，無需人工管理，充滿一次電最大續航時間5h，并且安全有保障。

4 結束語

通過水電站智能巡檢機器人在二郎壩發電公司葫蘆頭電站的運用，與人工巡檢相比，在巡檢效率與準確率方面具有明顯優勢，尤其在水電站多點布局、成系統、平臺化的成組運行智能巡檢機器人，優勢更加顯著。基于多能物聯的水電站智能巡檢機器人，在系統架構、結構組成、巡檢范圍、功能作用及在終端信息采集及平臺化運營等多方面也具有明顯優勢。本文的研究不僅有利于深化多能物聯技術在水電站智能運維領域中的創新應用，而且為更多水電站通過巡檢機器人開展智能運維提供了借鑒。