智能巡檢機(jī)器人在變電站中的應(yīng)用分析

中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)任公司超高壓輸電公司柳州局 李海生 覃廣斌 呂立帆 潘劍鋒

隨著電網(wǎng)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，智能電網(wǎng)技術(shù)得到了長(zhǎng)足發(fā)展。同時(shí)，隨著人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，機(jī)器人巡檢技術(shù)在變電站中廣泛應(yīng)用，機(jī)巡為主、人機(jī)結(jié)合未來將成為變電站巡檢的趨勢(shì)。本文對(duì)智能巡檢機(jī)器人技術(shù)及應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了介紹，并對(duì)智能巡檢機(jī)器人在變電站應(yīng)用中存在典型問題進(jìn)行了分析，提出了解決辦法。

隨著經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，我國(guó)電網(wǎng)不斷擴(kuò)大，變電站數(shù)量和設(shè)備數(shù)量急劇增長(zhǎng)。電力體制改革進(jìn)一步進(jìn)入深水區(qū)，隨著集中控制及運(yùn)檢一體化工作的推進(jìn)，變電站進(jìn)入無人值班模式。傳統(tǒng)的人工巡檢方式已經(jīng)不滿足新的形勢(shì)需要，存在著許多難以克服的問題：

（1）衡量尺度問題：運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)是確保電力設(shè)備安全運(yùn)行的一種技能，但運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)的積累過程具有單一性和時(shí)效性。人員一旦變動(dòng)，就可能造成經(jīng)驗(yàn)流失，新的人員要積累經(jīng)驗(yàn)需要一個(gè)長(zhǎng)期的過程。經(jīng)驗(yàn)的缺乏造成了對(duì)運(yùn)行設(shè)備狀態(tài)掌握難度的增加。

（2）原始數(shù)據(jù)積累問題：由于設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)的原始數(shù)據(jù)和信息的積累不足，對(duì)事故的預(yù)防及排除無法提供有用的輔助性資料。

（3）勞動(dòng)強(qiáng)度及人工成本問題：隨著變電站集控及運(yùn)檢一體化工作的推進(jìn)，運(yùn)行值班員人員將減少，設(shè)備巡視的勞動(dòng)強(qiáng)度將增加，巡視周期雖然被優(yōu)化，但也造成設(shè)備出現(xiàn)突發(fā)狀況起初時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取有效措施，等設(shè)備告警或跳閘時(shí)才發(fā)現(xiàn)，已經(jīng)錯(cuò)過了最好的處理時(shí)機(jī)。

采用智能機(jī)器人技術(shù)對(duì)變電站進(jìn)行巡檢，在具備智能性和靈活性的同時(shí)也克服和彌補(bǔ)了人工巡檢的不足之處，既提升了變電巡檢作業(yè)的智能化水平，又避免了因巡視人員技能差、經(jīng)驗(yàn)不足、責(zé)任心不強(qiáng)等問題，更適應(yīng)變電站無人化的實(shí)際需求，具有廣闊的發(fā)展空間和應(yīng)用前景。

1 智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)架

變電站智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)架為分層式構(gòu)架，由后臺(tái)管理系統(tǒng)層和前端移動(dòng)站系統(tǒng)層組成，如圖1所示。

1.1 后臺(tái)管理系統(tǒng)

后臺(tái)管理系統(tǒng)層主要由后臺(tái)監(jiān)控終端、交換機(jī)、無線AP及環(huán)境采集單元等組成，無線AP用于與機(jī)器人前端系統(tǒng)進(jìn)行通信。后臺(tái)監(jiān)控終端監(jiān)控系統(tǒng)基于 Windows或linnux 系統(tǒng)，通過面向?qū)ο缶幊陶Z(yǔ)言開發(fā)設(shè)計(jì)，為用戶提供友好的交互操作界面，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人監(jiān)視控制功能，采集機(jī)器人運(yùn)行狀態(tài)、當(dāng)前位置及環(huán)境信息，向機(jī)器人下達(dá)工作任務(wù)及路徑規(guī)劃，實(shí)時(shí)顯示機(jī)器人當(dāng)前采集的可見光圖像和紅外圖像及分析處理結(jié)果。對(duì)機(jī)器人采集數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)，并可方便查詢歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行多維度分析。

圖1 智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)架

1.2 前端移動(dòng)站系統(tǒng)層

前端移動(dòng)站系統(tǒng)層包括機(jī)器人本體模塊和相關(guān)檢測(cè)控制模塊，主要由導(dǎo)航避障系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)六部分組成。前端移動(dòng)站系統(tǒng)是智能巡檢機(jī)器人的移動(dòng)載體和信息采集載體，主要負(fù)責(zé)導(dǎo)航定位信息的采集和處理，按照預(yù)先設(shè)好的工作任務(wù)自動(dòng)規(guī)劃巡視路徑，并自主完成巡檢任務(wù)，移動(dòng)至預(yù)設(shè)點(diǎn)位后完成定位校準(zhǔn)、采集可見光圖像和紅外圖像采集，讀書識(shí)別等工作，并將采集的數(shù)據(jù)上傳至后臺(tái)管理系統(tǒng)。巡視任務(wù)完成后機(jī)器人自動(dòng)返回充電房充電，在巡視過程中遇到障礙物時(shí)自動(dòng)停車并報(bào)警，障礙消除后自行前進(jìn)。機(jī)器人前方一般安裝有2-4個(gè)超聲波傳感器，超聲波傳感器采集機(jī)器人行走路線上的障礙信息，以IO的形式上傳到運(yùn)動(dòng)控制模塊，并根據(jù)控制模式判斷是否停車，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)避障功能。

2 機(jī)器人巡檢常用場(chǎng)景

智能巡檢機(jī)器人主要用于對(duì)變電站室外高壓設(shè)備開展紅外熱成像監(jiān)測(cè)、可見光視頻拍攝、儀表圖像識(shí)別、聲音識(shí)別等巡檢任務(wù)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷，并提醒變電站運(yùn)行人員，具有智能性、客觀性、靈活性、安全性、集成度高等特點(diǎn)。

2.1 日常巡檢

變電站智能機(jī)器人按照設(shè)定的任務(wù)自主對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行巡檢，主要進(jìn)行表計(jì)識(shí)別讀取、設(shè)備狀態(tài)檢查、噪聲監(jiān)測(cè)、紅外測(cè)溫等工作，工作智能化、檢測(cè)方式多樣化、巡檢工作標(biāo)準(zhǔn)化。智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)能夠?qū)ρ矙z全過程進(jìn)行管理，實(shí)現(xiàn)巡視路線、時(shí)間、巡視設(shè)備、報(bào)表管理于一體，并能夠?yàn)檫\(yùn)行人員提供數(shù)據(jù)分析與決策支持。有效的克服了傳統(tǒng)的人工巡檢勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、檢測(cè)質(zhì)量分散、手段單一等缺點(diǎn)。

2.2 特殊巡檢

機(jī)器人能夠替代運(yùn)維人員實(shí)現(xiàn)在惡劣天氣下對(duì)設(shè)備自主巡檢，如高溫、大風(fēng)、大霧、冰雪、冰雹、雷雨等特殊工況下的巡檢，有效降低工作人員在惡劣天氣戶外作業(yè)的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.3 實(shí)現(xiàn)一鍵順控等特殊功能功能

智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)與站內(nèi)監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)，過機(jī)器人與監(jiān)控系統(tǒng)聯(lián)動(dòng)配合，機(jī)器人可以對(duì)設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行自動(dòng)檢查，實(shí)現(xiàn)一鍵順控功能。也自動(dòng)可對(duì)設(shè)備遙信告警進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)確認(rèn)，比如當(dāng)變電站監(jiān)控系統(tǒng)出現(xiàn)設(shè)備壓力低、溫度越限等告警時(shí)，機(jī)器人可根據(jù)告警內(nèi)容自動(dòng)導(dǎo)航至現(xiàn)場(chǎng)核實(shí)并發(fā)送檢查結(jié)果給運(yùn)維人員。

2.4 遠(yuǎn)程指導(dǎo)與應(yīng)急指揮

遠(yuǎn)程工程師可以操控機(jī)器人到達(dá)作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)，同步觀看當(dāng)前施工作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況，并通過語(yǔ)音對(duì)講功能對(duì)作業(yè)過程進(jìn)行指導(dǎo)，確保作業(yè)流程的規(guī)范性、安全性。同時(shí)機(jī)器人也可應(yīng)用于應(yīng)急指揮、安全督察等應(yīng)用場(chǎng)景。

2.5 機(jī)器人集中控制管理

電網(wǎng)公司可在公司總部設(shè)置智能機(jī)器人集控中心對(duì)公司管轄的多個(gè)變電站機(jī)器人進(jìn)行集中控制和統(tǒng)一管理，統(tǒng)一巡檢模式及巡檢標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人巡檢作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化管理，同時(shí)將機(jī)器人巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，及時(shí)掌握設(shè)備運(yùn)行狀況。

2.6 降低運(yùn)維人員勞動(dòng)強(qiáng)度

綜合統(tǒng)計(jì)表明在傳統(tǒng)人工巡檢模式下，運(yùn)維人員每天通過人工巡檢對(duì)設(shè)備巡視檢查、紅外測(cè)溫用時(shí)約3h，每年則需要1080h，采用機(jī)器人巡視后，值班員每月開展一次核對(duì)性巡視即可，每年用于巡視時(shí)間為36h，減少了1044h，大大降低了運(yùn)維人員勞動(dòng)強(qiáng)度。

3 變電站巡檢器人應(yīng)用中存在問題及解決對(duì)策

3.1 對(duì)站內(nèi)電纜溝蓋板及巡視小道的破壞

受變電站內(nèi)設(shè)備及環(huán)境限制，機(jī)器人巡檢時(shí)需要在變電站電纜溝蓋板上行走，目前常用的變電站巡檢機(jī)器人重量在80kg以上，長(zhǎng)期在電纜溝蓋板行走會(huì)造成電纜溝蓋板損壞甚至機(jī)器人掉入電纜溝壓壞電纜造成設(shè)備故障。

解決辦法：合理規(guī)劃?rùn)C(jī)器人巡檢路線，盡量避免走電纜溝蓋板，如因條件所限必須從電纜溝蓋板穿越時(shí)，在穿越處電纜溝蓋板上覆蓋鋼板保護(hù)。在新變電站規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，將機(jī)器人巡檢道路納入設(shè)計(jì)中綜合考慮。

3.2 無線通信保密性不高

目前變電站巡檢機(jī)器人與監(jiān)控主站常用的通信方式為WIFI 無線網(wǎng)橋傳輸，不滿足變電站網(wǎng)絡(luò)安全要求，在保供電時(shí)因停用無線網(wǎng)絡(luò)導(dǎo)致機(jī)器人無法運(yùn)行。

解決辦法：加裝加密通信模塊，采用支持WAPI無線標(biāo)準(zhǔn)或230MHz電力無線專網(wǎng)通信模組通信。

3.3 機(jī)器人輪胎磨損過快

目前的變電站巡檢機(jī)器人多用四驅(qū)方式，機(jī)器人原地轉(zhuǎn)向時(shí)輪胎磨損嚴(yán)重，會(huì)造成定位偏移及巡檢脫軌，某省公司42臺(tái)機(jī)器人一年由于輪胎導(dǎo)致的故障占總故障數(shù)的18.6%。

解決辦法：將機(jī)器人由四輪驅(qū)動(dòng)改為兩輪驅(qū)動(dòng)，轉(zhuǎn)向方式由四輪原地轉(zhuǎn)向改為兩輪原地轉(zhuǎn)向；將真空胎更換為添加耐磨材料鏤空實(shí)心胎，合理規(guī)劃巡檢路徑，減少原地轉(zhuǎn)向次數(shù)，定期對(duì)機(jī)器人輪胎磨損情況進(jìn)行評(píng)估，及時(shí)更換。

3.4 機(jī)器人續(xù)航能力不足

機(jī)器人充電時(shí)間需6-8h，滿電續(xù)航時(shí)間8h，由于500kV及以上變電站設(shè)備多，占地面積大，一臺(tái)巡檢機(jī)器人完成一次全站巡檢需要3天時(shí)間。

解決辦法：進(jìn)行電池材料及快速充電技術(shù)研究，提升電池容量及充電速度；開展機(jī)器人自動(dòng)換電池技術(shù)研究，通過機(jī)器人自動(dòng)快速更換電池來提升續(xù)航能力。

3.5 機(jī)器人巡視存在盲區(qū)

由于受設(shè)備布置、安全距離及機(jī)器人自身體積限制，機(jī)器人巡視存在盲區(qū)，部分巡視點(diǎn)無法覆蓋，500kV變電站機(jī)器人巡視盲點(diǎn)在5%左右。

解決辦法：通過調(diào)整表計(jì)朝向、增加反光鏡，盲區(qū)增加專用攝像頭等手段可有效解決巡視盲區(qū)問題。

結(jié)束語(yǔ)：電站智能巡檢機(jī)器人能在一定程度上代替人工巡檢，有效降低運(yùn)維人員設(shè)備巡視強(qiáng)度和安全風(fēng)險(xiǎn)，不但提高了變電巡檢作業(yè)的自動(dòng)化和智能化水平，還改善了因巡視人員業(yè)務(wù)水平差、經(jīng)驗(yàn)不足、責(zé)任心不強(qiáng)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境等原因不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備缺陷的問題，為智能變電站和無人值守變電站提供了新型的技術(shù)檢測(cè)手段和安全保障，更快的推進(jìn)了500kV變電站無人值班的進(jìn)程。隨著人工智能技術(shù)的不斷進(jìn)步，智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)在電網(wǎng)中有著越來越廣闊的應(yīng)用前景。