變電站智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用分析

陳小龍

摘 要： 變電站人工巡視存在占用人員，效率低，耗時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)站內(nèi)存在多檔工作時(shí)，人員無法及時(shí)調(diào)配等問題。分析了智能巡檢機(jī)器人的應(yīng)用背景及機(jī)器人的功能特點(diǎn)；詳細(xì)分析了變電站巡檢機(jī)器人的硬件結(jié)構(gòu)及網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法；給出了人機(jī)界面實(shí)現(xiàn)的主要功能。針對(duì)目前變電站巡視維護(hù)工作中存在的難點(diǎn)，廣州500kV 某變電站引入了巡視機(jī)器人，通過自主或遙控的方式，在無人值守的環(huán)境中，對(duì)站內(nèi)高壓設(shè)備進(jìn)行紅外測(cè)溫、儀表識(shí)別、噪聲識(shí)別和數(shù)據(jù)采集等功能，具有全自動(dòng)、無軌化、智能化的優(yōu)點(diǎn)。

關(guān)鍵詞： 變電站；智能巡檢機(jī)器人；功能分析

1.應(yīng)用背景

根據(jù)《南方電網(wǎng)公司設(shè)備運(yùn)維策略及管控機(jī)制建設(shè)指導(dǎo)意見》關(guān)于變電站巡視維護(hù)的要求，廣東某變電站按照日常巡視周期，特巡安排對(duì)所下轄變電站進(jìn)行巡視維護(hù)，根據(jù)周期維護(hù)安排對(duì)站內(nèi)相關(guān)設(shè)備定期進(jìn)行紅外測(cè)溫。500kV xx變電站設(shè)備場(chǎng)地大，巡視工作需四個(gè)運(yùn)行人員花費(fèi)一個(gè)小時(shí)才能完成，效率低，耗時(shí)長(zhǎng)，當(dāng)站內(nèi)存在多檔工作時(shí)，人員無法及時(shí)調(diào)配。此外500kV 某變電站主供廣州市區(qū)，設(shè)備運(yùn)維等級(jí)高，時(shí)常需要進(jìn)行各類特巡，紅外測(cè)溫工作，對(duì)運(yùn)行人員的巡視維護(hù)工作提出了較高要求[1]。

針對(duì)目前變電站巡視維護(hù)工作中存在的難點(diǎn)，廣州500kV 某變電站引入了巡視機(jī)器人，通過自主或遙控的方式，在無人值守的環(huán)境中，對(duì)站內(nèi)高壓設(shè)備進(jìn)行紅外測(cè)溫、儀表識(shí)別、噪聲識(shí)別和數(shù)據(jù)采集等功能，具有全自動(dòng)、無軌化、智能化的優(yōu)點(diǎn)。根據(jù)設(shè)定要求，巡視機(jī)器人可在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成對(duì)全站所有設(shè)備的巡視，也可根據(jù)特巡要求，重點(diǎn)對(duì)特定設(shè)備進(jìn)行巡視。采集的數(shù)據(jù)時(shí)時(shí)無線上傳到主控室客戶端，發(fā)現(xiàn)異常時(shí)，客戶端電腦自動(dòng)發(fā)出告警信號(hào)，提醒運(yùn)行人員及時(shí)進(jìn)行處理。最終實(shí)現(xiàn)站內(nèi)所有設(shè)備完全自動(dòng)巡檢，巡視過程中不遺漏任何故障，設(shè)備巡維工作效率大幅提高。

2.智能巡檢機(jī)器人功能

智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)以自主或遙控的方式，在無人值守的環(huán)境中，完成對(duì)室內(nèi)（外）高壓設(shè)備進(jìn)行紅外溫度監(jiān)測(cè)、表記拍攝識(shí)別、有毒有害氣體分析等任務(wù)，替代人工完成巡檢中遇到的繁、難、險(xiǎn)和重復(fù)性的工作。智能巡檢機(jī)器人基于無軌化導(dǎo)航技術(shù)和運(yùn)動(dòng)四驅(qū)底盤，并集多種高科技技術(shù)為一體，包含安全防護(hù)單元、底盤及驅(qū)動(dòng)單元、供電單元、主控單元、通訊單元、導(dǎo)航單元、拾音對(duì)講單元等模塊，具備無軌化、可調(diào)配、智能化、集群化、耐高寒與高溫、運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)。智能機(jī)器人在變電站巡檢中具備表記、紅外自動(dòng)拍攝識(shí)別、越野運(yùn)動(dòng)無死角、報(bào)表自動(dòng)生成并分析全自動(dòng)功能；還具有單車部署快捷，可方便站間調(diào)配，減少施工，節(jié)約成本，縮短工期，巡檢路徑可定制修改等優(yōu)點(diǎn)。

智能巡檢機(jī)器人主要有定點(diǎn)定路徑、指定點(diǎn)巡檢、遙控巡檢、高清可見光與紅外實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控、變壓器和電抗器噪聲監(jiān)測(cè)、SF6泄露檢測(cè)、紅外測(cè)溫與故障報(bào)警、可見光圖像智能判別、巡檢報(bào)表分析與歷史數(shù)據(jù)分析等功能，以自主或遙控的方式，在無人值守的環(huán)境中替代人工執(zhí)行巡檢任務(wù)。另外智能機(jī)器人應(yīng)用廣泛，覆蓋發(fā)電、輸電、變電、用電等各電力相關(guān)環(huán)節(jié)，包括發(fā)電廠升壓站、輸電廊道、電網(wǎng)變電所、企業(yè)變電站、冶金整流室及解壓槽等應(yīng)用領(lǐng)域。

3.巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)分析

3.1 巡檢機(jī)器人主要構(gòu)成

巡檢機(jī)器人主體由激光傳感器、云臺(tái)，高清攝像頭、紅外熱像儀、超聲傳感器、機(jī)器人核心控制機(jī)箱、安全停障模塊、底盤模塊等核心設(shè)備和其他輔助設(shè)備組成，如圖1所示。圖中給出了主要設(shè)備所在位置。 下圖中標(biāo)注如表1所示。

3.2主要硬件功能實(shí)現(xiàn)

機(jī)器人底盤模塊由四個(gè)獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的輪子組成，支持最高1m/s的直行速度和原地轉(zhuǎn)彎，底盤驅(qū)動(dòng)模塊具有自身高壓、低壓、過流、短路、斷路、過溫、通訊實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)功能，發(fā)生異常時(shí)自動(dòng)停車并能上報(bào)錯(cuò)誤狀態(tài)。四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)的底盤，具有強(qiáng)大的路況適應(yīng)能力，結(jié)合激光雷達(dá)導(dǎo)航全站覆蓋的特點(diǎn)，真正的做到在特殊復(fù)雜環(huán)境中檢測(cè)無死角。防撞超聲傳感器使用德國(guó)施克（SICK）UM30系列，該系列產(chǎn)品專屬配置于豪華轎車，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)泊車入位功能。國(guó)自智能巡檢機(jī)器人一共配置6個(gè)超聲傳感器，在設(shè)計(jì)上同時(shí)兼顧了對(duì)高位以及低矮障礙物的識(shí)別。具有高靈敏度，穩(wěn)定可靠，誤觸發(fā)防止機(jī)制等優(yōu)點(diǎn)。激光傳感器用于機(jī)器人掃描周圍環(huán)境，采用180°實(shí)時(shí)掃描的工作方式。請(qǐng)操作人員注意對(duì)激光傳感器的保護(hù)。另外，在機(jī)器人日常巡檢工作時(shí)，請(qǐng)勿有大量人員圍于激光傳感器周圍，以免干擾機(jī)器人的定位。機(jī)器人硬件開關(guān)按鈕有兩個(gè)，分別是電源開關(guān)按鈕，急停開關(guān)按鈕。電源開關(guān)按鈕控制機(jī)器人各個(gè)設(shè)備上電，急停開關(guān)按鈕可以強(qiáng)制停止機(jī)器人底盤運(yùn)動(dòng)。

云臺(tái)用于控制高清攝像頭與紅外熱像儀在巡檢過程中的拍攝角度，該云臺(tái)設(shè)備為全向型云臺(tái)，支持垂直方向90°和水平方向360°旋轉(zhuǎn)，云臺(tái)配有補(bǔ)光燈和雨刷，以支持夜間和雨天的巡檢。注意，每次云臺(tái)上電后都會(huì)有一次全向旋轉(zhuǎn)的自檢過程。另外，請(qǐng)工作人員在巡檢車日常檢修保養(yǎng)過程中，及時(shí)清理云臺(tái)鏡面，以免干擾攝像頭與紅外熱像儀的使用。云臺(tái)自帶的高清攝像頭，具有200萬像素，30倍光學(xué)變焦，聚焦快速，準(zhǔn)確[2]。

紅外熱像具有基于標(biāo)準(zhǔn)以太網(wǎng)硬件和軟件協(xié)議的創(chuàng)建單臺(tái)或多臺(tái)紅外熱像儀分布解決方案所需的所有特征和功能；能提供經(jīng)濟(jì)且精確的測(cè)溫解決方案；能夠提前發(fā)現(xiàn)異常情況，避免演變?yōu)閲?yán)重故障，杜絕財(cái)產(chǎn)損失或?qū)θ松戆踩珮?gòu)成潛在威脅。

機(jī)器人采用PK-060H-A拾音器，該拾音器專為監(jiān)倉、連鎖店、審訊室等行業(yè)用戶同步監(jiān)控錄音而設(shè)計(jì)，原裝進(jìn)口套件組裝；采用堅(jiān)固、耐用美觀的金屬全屏蔽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，表面電鍍處理，遠(yuǎn)離環(huán)境噪音、杜絕電磁的干擾；采用BOURNS專業(yè)高級(jí)鍍銀錄音全向音頭，60平方內(nèi)高保真、高靈敏、高帶寬、無噪音；適合多點(diǎn)式同步語音取樣，可布局陣列式安裝和環(huán)境降噪；數(shù)字降噪信號(hào)處理電路，內(nèi)置語音激勵(lì)功能，大大提高語音清晰度；采用D.A.D.S.（雙層空氣緩沖系統(tǒng)）結(jié)構(gòu)，再現(xiàn)了語音伸縮自如；提高性噪比及能減低因相位移動(dòng)而形成的失真，大大的改善音質(zhì)；獨(dú)特杜比全向邏輯環(huán)繞聲標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，內(nèi)置高速語音DSP處理單元，兩級(jí)動(dòng)態(tài)降噪處理；監(jiān)聽頭內(nèi)置雷擊保護(hù)、電源極性反轉(zhuǎn)保護(hù)和電源保護(hù)模塊；超長(zhǎng)音頻信號(hào)傳輸技術(shù)，采用RVVP2×0.5 mm2屏蔽電纜傳輸3公里不失真；集成專業(yè)SMT音頻處理器，可直接驅(qū)動(dòng)有源音箱、硬盤錄像機(jī)、錄音機(jī)等。

機(jī)器人安全停障模塊共有遠(yuǎn)距離超聲停障和近距離碰撞停障兩級(jí)停障裝置，用于確保機(jī)器人在巡檢過程中，不因撞擊障礙物而受到傷害。超聲停障的警界范圍為50cm～100cm，在該范圍內(nèi)出現(xiàn)障礙物時(shí)機(jī)器人開始減速，當(dāng)障礙物與機(jī)器人距離小于50cm后，進(jìn)入超聲停障區(qū)域，機(jī)器人底盤停止運(yùn)動(dòng)。若機(jī)器人已經(jīng)撞到障礙物，碰撞開關(guān)閉合，底盤立即停止運(yùn)動(dòng)。

工作指示燈主要有警示燈和補(bǔ)光燈。警示燈在機(jī)器人檢測(cè)到異常情況就會(huì)亮起，提示警告；補(bǔ)光燈是夜間巡檢時(shí)，用于增強(qiáng)照明效果。機(jī)器人采用耳神ER151藍(lán)牙音箱，該款音箱是一款專門為戶外使用而設(shè)的藍(lán)牙音響。它擁有著一個(gè)時(shí)尚又不缺乏酷感的外表，外觀造型采用了用了穩(wěn)定的等邊三角形外觀設(shè)計(jì)，兩邊均包裹有厚實(shí)的橡膠材質(zhì)，具有非常給力的抗震能力，就算在戶外帶著它運(yùn)動(dòng)也不會(huì)覺得不放心。另外，耳神ER151藍(lán)牙音響采用A2DP無線傳輸立體聲技術(shù)，可以將立體聲環(huán)繞效果隨時(shí)隨地展現(xiàn)出來。而作為主要特色的藍(lán)牙技術(shù)當(dāng)然也不能小看，有了它你就能駁接大多數(shù)智能手機(jī)以及便攜的平板等數(shù)碼設(shè)備聆聽，使用操作起來也很方便。

自主充電裝置用于機(jī)器人進(jìn)行自主充電，裝置有正負(fù)極觸頭和信號(hào)觸頭，當(dāng)成功充電后，充電指示燈會(huì)變綠，且電流表顯示當(dāng)前充電電流。另外自主充電裝置還能進(jìn)行手動(dòng)模式切換。當(dāng)切換成手動(dòng)充電模式情況下，只要車體充電正負(fù)極觸頭與充電座正負(fù)極接觸就能直接充電。

3.3巡檢機(jī)器人網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)

無線通訊設(shè)備采用Rocket M2，該款設(shè)備是美國(guó)UbiquitiTM Networks公司推出應(yīng)用于IEEE 802.11g/n的無線產(chǎn)品，是目前全球性價(jià)比最好的室外型無線網(wǎng)橋。

Rocket M2通過把專利天線技術(shù)與模塊的完美組合，外部通過網(wǎng)線PoE方式供電，在不外接天線的情況下就，傳輸距離就能達(dá)到30公里。設(shè)備集成柵格天線的所有功能。

在變電站內(nèi)架設(shè)無線網(wǎng)絡(luò)需要根據(jù)巡檢區(qū)域的大小，采用一個(gè)或多個(gè)無線AP對(duì)其進(jìn)行覆蓋： 一般情況下，為保證良好的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果（具體表現(xiàn)為實(shí)時(shí)高清視頻播放流暢），關(guān)于電壓等級(jí)110kV、220kV及500KV變電站采用1個(gè)無線AP，針對(duì)電壓等級(jí)1000kV變電站將會(huì)采用2個(gè)無線AP，做到變電站無線網(wǎng)絡(luò)無視角、全覆蓋為實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人設(shè)備巡視全覆蓋提高良好基礎(chǔ)。同時(shí)，在巡檢車上布置一個(gè)工業(yè)級(jí)無線AP做為客戶端，與站內(nèi)的無線AP相連，車載的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備都通過該客戶端接入到站內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)中。并且，當(dāng)巡檢區(qū)域內(nèi)存在多個(gè)AP時(shí)，“零切換漫游”功能可以使多個(gè)AP構(gòu)成一個(gè)AP網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)，巡檢車可以在任何地點(diǎn)漫游，并不需要執(zhí)行切換操作，實(shí)現(xiàn)巡檢車在整個(gè)巡檢區(qū)域與客戶端無縫保持連接。無線AP架設(shè)在室外的AP箱內(nèi)，與主控室的客戶端通過光纖相連。一般情況下，變電站內(nèi)的無線AP布置在巡檢區(qū)域的中心位置；當(dāng)巡檢區(qū)域過大，或者存在有嚴(yán)重遮擋等需要布置2個(gè)AP的情況時(shí)，可以將巡檢區(qū)域平均分為兩個(gè)區(qū)域，則無線AP分別布置在各區(qū)域的中心位置，以達(dá)到良好的覆蓋效果[3]。

本地監(jiān)控平臺(tái)通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)與微氣象站的數(shù)據(jù)交互，實(shí)時(shí)獲取變電站戶外環(huán)境數(shù)據(jù)。本地監(jiān)控平臺(tái)與微氣象站采用TCP/IP協(xié)議工業(yè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，實(shí)時(shí)氣象數(shù)據(jù)包括溫度、濕度、風(fēng)速及降水等信息，通過系統(tǒng)針對(duì)不同天氣環(huán)境對(duì)巡檢機(jī)器人的外部輔助硬件進(jìn)行配置，能夠有效的提高巡檢機(jī)器人的任務(wù)適應(yīng)性能。

3.4 人機(jī)界面功能實(shí)現(xiàn)

智能巡檢機(jī)器人客戶端軟件的作用是讓用戶能更方便地使用智能巡檢機(jī)器人。該軟件人機(jī)界面友好、操作方便、信息顯示清晰直觀，并且具有一系列任務(wù)功能，包括編輯實(shí)時(shí)或定時(shí)巡檢計(jì)劃、下發(fā)巡檢任務(wù)、監(jiān)控巡檢過程、形成巡檢報(bào)表、查看歷史巡檢數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程遙控巡檢機(jī)器人等。

4.結(jié)論

巡視機(jī)器人的引入將運(yùn)行人員從巡視工作中解放出來，可專注于倒閘操作，現(xiàn)場(chǎng)安全管控、配合外來班組工作等，節(jié)約了時(shí)間，大大提高了工作效率和安全管控水平。另外結(jié)合倒閘操作后檢查設(shè)備位置信號(hào)功能，為變電站最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程順控操作，解決日益增長(zhǎng)的變電站數(shù)量與運(yùn)行人員緊缺的問題，實(shí)現(xiàn)運(yùn)行工作的精益化管理。

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