探究變電站無人值守智能巡檢機器人的構建與設計

張偉 淦克亮

國電南瑞科技股份有限公司 江蘇 南京 210000

1 在變電站中推廣智能巡檢機器人的必要性

在變電站中，設備巡檢具有多種形式，例如全面巡檢、例行巡檢與熄燈巡檢等，在巡檢的內容上，包括聲音異響、消防安全與設備滲漏等。根據變電站類型的不同，巡檢頻率也存在差異。由于各變電站的分布在廠區不同位置，之間距離較遠，根據巡檢要求，存在巡檢時間不足、巡檢人員對設備巡檢的時效性不明顯等。現階段我國的變電站依舊以人工巡檢的方式為主，這就導致在巡檢的過程中非常依賴巡檢人員感官與經驗上的判斷，導致巡檢工作的可靠性較差、勞動成本較高、效率低下等問題。上述人工巡檢方式對于設備的異常發現較為遲鈍、缺少可靠性[1]。對變電站進行智能化、信息化的改造，提升其數字化的管理水平。無人值守智能巡檢機器人與現代化的變電站相結合，能夠有效優化變電站的管理質量，提升工作效率。采用智能巡檢機器人不僅能夠提升巡檢效率，還能夠在惡劣環境與偏遠地區開展巡檢工作，通過巡檢機器人數據的傳輸，能夠準確掌握各區域設備的情況。由于智能巡檢機器人的眾多優點，各國對其開展積極研發，在20世紀80年代，日本便研發出了應用在500kV變電站的基于路面軌道，利用相機檢查變電站設備的智能巡檢機器人。我國國土面積較大，故而各類變電場較多，多場景下工作效率較高的無人值守智能巡檢機器人十分有必要在我國變電站中進行推廣應用[2]。

2 巡檢機器人系統相關設計

智能巡檢機器人系統包括后臺軟件系統、供電系統、軌道系統、機器人系統、通信系統等。

2.1 機器人后臺管理系統

在后臺管理系統中，主要由本地監控后臺與遠程集控后臺組成。作為機器人系統的中心，本地監控后臺的組成主要包括實時監控、地圖編輯、數據統計、任務管理模塊、系統設置等模塊組成。除了操控機器人執行智能巡檢工作外，本地監控后臺還應具備數據的采集、儲存與分析等功能。遠程集控后臺不僅具有本地監控后臺的功能，還能夠多個本地監控后臺。通過遠程集控后臺，可以對多個巡檢機器人進行數據的采取分析與控制，還可以管理更高層次的管理，例如變電站的總和控制管理。遠程集控后臺在監控模式下，可以操控所有機器人，下發巡檢任務與其他任務，并進行相應的功能與動作操控。

2.2 機器人通信系統

在變電站的智能巡檢機器人中，采用PLC通信系統與整套控制系統通信，PLC通信系統兼容WIFI與5G。通信系統為智能巡檢機器人提供不小于100Mbps的網絡帶寬，100mb的寬帶網絡能夠有效保證變電站內巡檢機器人的信號需求，實現信息數據實時傳輸，例如視頻數據、音頻數據等。

2.3 機器人供電系統

在變電站的巡檢機器人供電系統中，以鋰電池或者使用滑觸線方式對智能巡檢機器人供電。將滑觸線安裝在相應的軌道上，供電系統取電電壓與輸出電壓分別為220V/50Hz、DC24V。巡檢機器人中的供電模塊采用濾波技術，能夠在一定程度上避免外界電網高頻脈沖對機器人的供電系統電源產生干擾，最終使機器人獲得穩定供電。

3 變電站巡檢機器人功能構建

3.1 視頻識別

變電站巡檢機器人的核心功能便是視頻識別功能。在巡檢工作中，巡檢機器人通過自身的紅外熱像儀與可見光攝像機對現場情況進行視頻與圖像采集，之后運用自主開發的圖像識別算法，對采集到的信息數據開展分析，進行內容處理。如圖1所示。

圖1 巡檢機器人視頻識別

巡檢機器人的視頻識別功能能夠對變電站內各設備指示燈、開關、設備外觀與儀表進行識別，開展自動表計讀數，視頻識別各部分具有如下功能：LED補光燈主要作用為在暗環環境下進行視頻補光；防撞雷達負責幫助巡檢機器人進行障礙物檢測；熱成像儀進行熱成像圖像的采集；環境檢測模塊是一種環境檢測裝置，能夠檢測巡檢區域有害氣體；行走機構是主要控制巡檢機器人行走的機構；升降機構為巡檢機器人云臺機械結構；狀態燈進行巡檢機器人不同狀態進行燈管指示。各項功能共同作用形成機器人的視頻識別作用，對變電站內設備與環境的狀態信息進行全面掌握[3]。

3.2 環境檢測

變電站巡檢機器人環境檢測模塊能夠對機器人周邊環境進行檢測，如溫度、有害氣體、濕度等信息，如圖2所示。巡檢機器人將所采集的環境信息實時傳送到后臺控制中心，為操作人員提供現場環境的信息。在檢測環境時，機器人檢測到有害氣體或者其他因素指標超標時，將觸發報警模塊，第一時間提醒操作人員。同時巡檢機器人能夠與多種環境檢測設備對現場相關環境信息開展多方位的監測，之后進行信息的匯總與分析，根據現場環境各設備的異常頻率，進行重點區域規劃，從而輔助配網運維決策。

圖2 環境檢測示意圖

3.3 局放監測

為了進行地電波與超聲波監測，智能巡檢機器人在內部搭載局放監測傳感器。在進行環境檢測，檢測到開關柜等變電站設備內出現局部放電異常時，第一時間進行報警。局放檢測設備能夠有效監測開關柜等設備，其控制后臺與數據模塊能夠進行自動繪圖與自主識別，局方異常時，能夠進行應急模式巡檢與各系統聯動，在后臺管理系統中能夠對數據進行歷史情況分析，之后進行整合與診斷。

3.4 預警聯動

巡檢機器人在變電站進行巡檢工作的過程中，通過各類數據信息的分析，針對異常數據進行第一時間的預警。預警表達主要為界面警告與聲光警告兩種方式，來達到提醒工作人員的目的。后臺數據異常時，在監控軟件的界面上將會出現警告信息，工作人員通過操作來顯示警告信息。同時預警系統通過大數據分析與專家診斷技術，以變電站設備檔案的數據庫為基礎，將巡檢機器人所采集的信息數據，結合專家分析，從多個角度進行整合分析，針對設備缺陷與風險，預測設備可能出現的問題，之后結合顯示情況，提出相關維護建議。例如設備零件的保養清洗與維護更換建議，達到預防性維護。通過對變電站各設備的故障與特征進行分析，巡檢機器人故障診斷系統利用實時數據與專家診斷模型，構建故障排查與分析機制，針對性地提出解決方案。

3.5 巡檢機器人自檢功能

作為巡檢變電站的主體，智能巡檢機器人在前端搭建檢測數據信息。在日常巡檢之前，機器人開展自我檢查，自我檢查的內容包括電機、云臺、相機、熱成像儀等，再自檢過程中，發現異常及時進行警報，同時將異常信息實時上傳至后臺軟件系統，使工作人員能夠快速發現機器人故障，能夠有效地提升故障解決效率，減少機器人故障處理時間。

4 變電站巡檢機器人巡檢模式設計

變電站巡檢機器人具有自動巡檢模式與人工遙控巡檢模式兩種，工作人員根據變電站現實情況進行巡檢機器人巡檢模式設置。巡檢機器人自主進行巡檢工作，其自動化與智能化的程度較高，能夠代替人工巡檢。

4.1 自動巡檢模式

機器人按照設置好的巡檢路徑進行自動巡檢即自動巡檢模式。機器人自動巡檢模式中還分為例行巡檢與特殊巡檢兩種方式，并且這兩種方式能夠實現相互轉換。在巡檢機器人中搭設攝像機、熱成像儀、拾音器等環境檢測設施，巡檢機器人按照預設的路線，對變電站內各設備進行溫度、濕度、拍照等環境因素進行巡檢，將各區域的環境信息實時傳輸到后臺管理系統中，在系統中進行整合分析，生成分析報告。自動巡查具體工作包括設備電流電壓檢測、局放監測等，特殊巡檢需要根據工作人員所制定的特殊地點開展機器人巡檢。

4.2 遙控巡檢模式

遙控巡檢模式是指工作人員通過人工遙控的方式，操作智能巡檢機器人進行站內巡檢。機器人人工遙控的巡檢模式適用于工作人員需要對特定設備進行檢測的情況，例如在巡檢機器人在自動巡檢的過程中，設備與環境出現異常，機器人警報時，工作人員可以立刻通過后臺管理程序，進行巡檢模式的切換，通過機器人的操控第一時間的了解現場情況與異常位置，為應急操作提供有效支撐。

5 巡檢機器人自主充電設計

巡檢機器人進行自助充電，能夠使機器人實用性有效增加，減少出現因為電力不足而導致巡檢工作出現意外。在巡檢機器人中，搭載專用的大容量鋰電池，同時在巡檢軌道起點處暗轉無線充電裝置，在開展巡檢工作中，機器人電量低到一定閾值時，系統自動通過電機使巡檢機器人快速返回到無線充電裝置處。在無線充電裝置處設有RFID射頻標簽，通過掃描識別充電倉門外的RFID射頻標簽，同時將相關信息數據上傳到上位機，上位機根據指示下達“開門”指令，無限充電裝置的防爆門打開，伸縮軌自動伸出，巡檢機器人通過伸縮軌進入充電倉中，開始進行無線充電。自助充電的設計能夠有效地避免智能巡檢機器人在巡檢工作開展的過程中因為電量耗盡，而導致其無效巡檢，實現了長時間、穩定、有效供電。

組合電池（PACK）與動力電池管理系統（BMS）連接在充電板架構中，系統對巡檢機器人電池狀況進行實時監測，同時提供均衡功能；電池的電壓和電量由模數轉換器（ADC）進行收集，之后通過數字接口連接微控制單元（MCU）；單片機對電池恒壓、恒流充電進行控制。

6 結束語

綜上所述，在變電站中，使用智能巡檢機器人代替傳統的人工巡檢、設備管控、無人值守，能夠實現對變電站整個區域的掌控，降低人員與物資成本，實現變電站的減員增效，最終提升管理與運維質量。