發電廠升壓站智能巡檢機器人安全監測研究

秦 源

（國電投河南工程運維有限公司，河南鄭州 450000）

隨著科技的不斷發展，機器人技術在各個領域得到了廣泛應用。在能源行業中，發電廠升壓站是一個至關重要環節，其負責將發電廠產生的電能升壓并送往輸電網。然而，由于升壓站通常位于偏遠或危險的地區，人工巡檢存在一定的困難和風險。為解決這個問題，研究人員開始探索利用智能巡檢機器人進行安全監測的可能性，發電廠升壓站智能巡檢機器人的研究應運而生，智能巡檢機器人可通過搭載各種傳感器和攝像頭，實時監測升壓站的工作狀態和安全狀況。它們可自主巡檢，并能夠在檢測到異常情況時立即發出警報。智能巡檢機器人的研究不僅可提高升壓站的安全性和穩定性，還可提高巡檢效率和減少人力物力的投入，并且機器人的通信和數據傳輸系統也需具備高度的安全性和可靠性，以保證巡檢數據的準確性和機密性。

1 智能巡檢機器人系統硬件設計

1.1 發電廠升壓站智能巡檢機器人系統構成

利用紅外熱成像技術對火力發電廠的電氣設備進行實時監控，以達到及時診斷和處理故障的目的。該系統的架構分為客戶端和服務端，如圖1所示。客戶端裝置安裝在后臺監視主機上，用于獲取被監視設備的信息和圖像，并在監視屏幕上進行實時顯示。后臺工作人員會根據屏幕上顯示的信息，給機器人發出相應的巡檢命令，由機器人執行巡檢任務。服務端安裝在機器人上，通過控制單元控制機器人的移動、巡檢及對障礙物的清理。

圖1 發電廠升壓站巡檢機器人系統構成

1.2 檢測模塊選擇

在進行電氣設備巡視時，機器人搭載了多種傳感器，如紅外熱像儀、可見光照相機、紅外廣域傳感器和超聲波探測器，以采集電氣設備的多源數據并進行辨識和分析，了解電廠升壓站電氣設備的工作狀況。在檢測模塊選擇中，選擇了FLIRA310型紅外溫度計和DS-2CD1201D-I3型可視化照相機，以實現對變壓器的監測和故障識別。這種方法可避免與電力設備直接接觸，提高巡視工作的安全性，并避免停電帶來的不便。

1.3 控制模塊設計

控制模塊采用了STM32中央處理器作為系統核心，其擁有充足的存儲器和邏輯資源，具備良好的擴展性。在中央控制器的控制下，驅動模塊根據PWM波的寬度來控制車輛的行駛速度。機器人配備的電廠升壓站智能巡視機器人有4個關節，每個關節都配備了微型操縱器，這些操縱器的驅動采用了MWN 波形。舵機的供電電壓范圍在3～7V，其扭矩和角度范圍為0°～90°。因為兩個系統間的通訊接口不同，為實現電廠升壓站巡視機器人和中央控制系統的串行通訊，需要切換通訊接口，該設備通過無線裝置向中央控制器發送控制命令，并通過轉發模塊對云臺進行控制。發電廠升壓站智能巡檢機器人控制單元如圖2所示。

圖2 發電廠升壓站智能巡檢機器人系統控制單元

1.4 通信模塊設計

為確保巡檢機器人與監測中心間的暢通通信，需采用可提供良好信號傳輸的無線通信技術；同時當信號質量不佳時需采取措施保障其不受影響，以保證控制中心能夠接收到正確的探測數據。

同時，電網設計充分考慮了國計民生，對發電廠升壓站的網絡安全進行了考慮，在通信過程中可實時監控通信網絡的穩定性和安全性。針對電廠升壓站特殊環境，文章采用了多網橋模式建立無線通信系統，以防止高壓磁場對通信信號的影響，確保通信網絡的穩定性和安全性。

電廠升壓站巡視機器人通過無線設備來完成數據信號的傳輸工作。由于圖像信息和數據具有連續性和沉雜性，因此須對資料進行壓縮處理才能傳輸到后臺。①巡檢機器人會采集影像資料信息并進行壓縮，將其傳輸到布線裝置；②在布線裝置中解壓這些壓縮影像資料，并將其傳輸到主機端；③由后勤部的員工進行監控。在中央控制器方面，其使用無線網絡與主機連接，并在主機上實現了發送和接收功能，直接對主機進行驅動和控制。通過使用通信轉換模塊，中央控制器與路由間實現了連接，以確保指令的順暢接收，使發電廠升壓站巡檢機器人能夠成功完成相應的巡檢任務。

2 智能巡檢機器人系統軟件設計

2.1 軟件系統結構設計

文章采用TCP/IP 技術構建的電網調控系統，包括警鐘控制器模組、巡視追蹤模塊、工作調度管理系統、控件與通信接口部分等。該系統的具體結構如圖3所示。

圖3 發電廠升壓站智能巡檢機器人系統結構

2.2 巡檢機器人工作流程

文章描述的電廠升壓站智能巡檢機器人具備自主巡檢的能力，可按照預設的軌道進行定期檢查。若軌道上有無法通過的障礙物，機器人將停止運行，并將信息發送給后端，以供相關人員處理。當給定路線上沒有障礙物干擾時，智能巡檢機器人將按照給定路線對發電廠升壓站進行巡檢和監控，并將采集到的圖像傳輸到上位機，由上位機識別設備的運行狀態。若發現設備異常，將自動報警，并使用機械手臂清除異物。若未找到異物，機器人將返回初始位置，結束巡檢。具體工作流程如圖4所示。

圖4 發電廠升壓站巡檢機器人工作流程

2.3 智能巡檢子系統

視頻監控子系統包括視頻處理單元、高清IP 攝像機、標清IP 攝像機、高清模擬攝像機、標清模擬攝像機及各種攝像機的控制、傳輸附件。視頻處理單元是視頻監控子系統的核心，起到承上啟下的關鍵作用。通過網絡與站端智能巡檢輔助平臺進行通信，接收站端智能輔助平臺的控制命令，向站端智能輔助平臺傳輸視頻信息。視頻處理單元和IP 攝像機都接入網絡交換機，通過以太網實現視頻處理單元對攝像機的管理及視頻的傳輸、控制。環境監控子系統包括環境處理單元、安全警衛子系統、燈光控制子系統、門禁子系統、動力環境監測子系統及消防子系統。

2.3.1 巡檢機器人

巡檢機器人的構造較為復雜，主要包括巡檢機器人、主機、操作室、安全接入模塊和交換機等組件。安全接入模塊可有效地將巡檢機器人和主機連接起來，在傳輸協議時可使用DL/T 634.5104。

2.3.2 攝像頭布點

在布設攝像頭時，須滿足變電站周圍的環境、出入口、制高點和設備的監視要求，以提高攝像機的監控范圍，可采用全景攝像頭。

3 智能巡檢機器人的安全監測

3.1 紅外線檢測功能

在升壓站內，每臺裝置都安裝了對應的紅外探測器，以便智能巡視機器人可檢測裝置的溫度。此外，為適應不同裝置的特性，它們都設定了不同的溫度敏感值。當巡視機器人發現設備異常工作時，相應的報警系統會被啟動。若機器人的溫度檢測超過設定的范圍，后臺軟件將立即做出反應，并將異常溫度信息傳輸到監控控制界面，供運維人員分析并處理。

3.2 儀表識別功能

發電廠擁有各種復雜的儀器設備，這些設備分布在廣闊的區域內，這導致了人工巡視的耗時。若能夠精確識別各類儀器，就可大幅減少巡檢的頻率。借助CCD 彩色攝像機具有的噪聲抑制能力，可對圖像進行采集與抑制，有效解決外部因素導致圖像模糊的問題。采集完成后，借助紅外熱成像技術和計算機技術，可對圖像進行分析和處理。此外，由于圖像所處的環境，如風、雪等，極易導致圖像質量下降，因此可使用粒子濾波器對圖像中的噪聲進行過濾，以達到提高圖像清晰度的目的。其算法的具體過程如下。

設圖像噪聲的原始坐標為（x0、y0），噪聲的具體位置可用以下公式進行表示：

通過建立數據模型，設備的工作狀態和噪聲點可用方程形式表達。利用這種方法，可得到裝置的運行狀態運動矩陣和噪聲點移動矩陣的初始狀態。在圖像信息中，圖像易受到高斯噪聲的影響。因此，可將用于獲取圖像的裝置工作狀態變量函數設置為而裝置的工作狀態運動矩陣可表示為：

采集到的設備的噪聲點移動矩陣G可表示為：

式中，T為圖像的采樣間隔。

在圖像信息中，圖像極易受到γ噪聲干擾。因此，在進行噪聲測量時，應考慮設備的工作角度R。若采集設備的工作角度是θ，角速度是α，不同設備的采集周期為1，則可將工況移動矩陣表示為系列矩陣：

設備工況的噪聲點移動矩陣G可表示為：

在使用上述方法對不清晰圖像進行過濾后，可使圖像轉變為清晰圖像。

3.3 局部放電檢測功能

智能化巡查配備了監控設備，包括升降平臺和傳感器等。其使用電波和超聲檢測技術，可檢測設備的放電。同時，利用測量技術對設備進行實時監測，并對設備的運行狀態進行分析，可為維修人員提供重要的數據參考。

3.4 巡檢功能

智能機器人主要由以下兩種巡檢方式：①自動巡檢模式。自動化巡檢是指通過在機器中設定巡檢路線的方式來實現巡檢。這種方式的巡檢又可分為普通巡檢與特別巡檢兩種類型，并能靈活地應用于實際的檢查工作當中。②人工遙控巡檢。通過手動巡檢的方式，維護人員可對智能機器人進行控制，并用手動方式鎖定設備，由機器人實時監測設備運行情況。當機器人設備出現異常工作狀態時，其所攜帶的報警系統會向運維人員報警，運維人員可第一時間手動將機器人送至設備處，利用機器人判斷設備是否正常，從而提高設備故障處理的效率。

3.5 實時監控與環境檢測功能

巡邏車可使用無線網絡終端將采集到的升壓站數據發送到服務器內存中，然后對數據進行處理并將其傳送到客戶機，并在管理界面上顯示所收集的數據。此外，由于該機器人配備了各種偵測設備，其可實時探測升壓站的各種環境信息并將其傳輸到系統后臺。同時，在機器人內部可設定警報器閾值，當提升站內環境條件發生改變時，警報器可立即啟動，從而在一定程度上防止操作人員判斷錯誤并減少危險。

4 應用效果

為進一步評估智能巡檢機器人在發電廠升壓站中的監督效果，將智能巡檢機器人應用于某發電廠升壓站，并為其設置巡檢路線。該升壓站位于某地東南側，毗鄰礦工路鐵路，交通便利。該風電場總裝機容量為450MW，其中包括1～4號主要變壓器和1～9號連接變壓器，以及位于220kV 開關廠內部的開關和刀閘等設備。

通過表1可知，升壓站的氣候條件相當惡劣，極端最高溫度為39℃，極端最低溫度為-37.9℃，雷雨天氣為24.3d。因此，使用機器人進行巡視非常必要。

表1 區域條件

在本項目中，將智能機器人巡檢技術引入現場，以應對傳統的人工巡檢方式存在的安全隱患，如工作量大、效率低、誤差大、無法全面、及時地檢測設備隱患等問題。該系統在提升巡檢質量、縮短巡檢周期、減輕工人勞動強度等方面發揮了積極作用。在此基礎上，增設了巡視機器人，突破了以往巡視方式的局限，對升壓站的異常現象進行了有效的處理。因此，實現了從傳統存儲模式到系統存儲模式的轉換，而系統的存儲模式將直接影響整個裝置的使用壽命。

5 結束語

在發電廠升壓站智能巡檢機器人的安全監測研究中，焦點集中在傳感器和監測設備的開發上，旨在實現對機器人周圍環境條件的全面監測。這些環境條件包括但不限于氣體泄漏、溫度、濕度等，它們是評估工作場所安全性的關鍵因素。同時，研究還著力于智能算法和機器學習模型的開發，以對監測到的數據進行高效分析，實時識別潛在的安全威脅。這種技術的融合使得機器人系統能夠更精確地感知和響應危險，從而提高了升壓站巡檢的效率和安全性。