一種高壓開關(guān)室懸掛軌道式智能巡檢機器人的設(shè)計與應(yīng)用

范李平，熊威，吳喜春，林鋒

(湖北省宜昌供電公司,湖北 宜昌 443000)

1 引言

隨著近年電網(wǎng)快速發(fā)展，設(shè)備規(guī)模大幅增長，電網(wǎng)設(shè)備安全運行風(fēng)險和壓力與日俱增。變電站多地處邊遠，長期以來，在傳統(tǒng)運檢業(yè)務(wù)中，變電運維人員對高壓開關(guān)室的日常巡視工作，大多數(shù)依靠人工現(xiàn)場巡視、手工操作、經(jīng)驗判斷等模式，費時、費力、效率低下，而且安全性也得不到保證。原因如下:一是由于高壓開關(guān)柜內(nèi)的開關(guān)觸頭和母線排連接處長時間處于高壓、高溫狀態(tài)，加之受環(huán)境潮濕、通風(fēng)不良、設(shè)備老化、安裝不良等因素的影響，經(jīng)常會出現(xiàn)放電、甚至爆炸，人工巡檢存在安全風(fēng)險；二是傳統(tǒng)視頻攝像頭以安防為主，無法準確、清晰看到設(shè)備狀態(tài)；三是室外機器人因受軌道道路及開關(guān)室門檻高度影響，無法翻越開關(guān)室防小動物的門檻，進入開關(guān)室進行巡檢。目前，市面上的巡檢機器人一般采取的是輪式巡線機器人，軌道部署復(fù)雜、適應(yīng)能力弱、自主巡視避障能力差，且無法適應(yīng)開關(guān)室相對狹小的復(fù)雜空間和溫濕度環(huán)境的要求[1-3]。

本文主要針對變電站高壓開關(guān)室的布局特點和室內(nèi)設(shè)備巡視特要點，研制了一種室內(nèi)懸掛式軌道智能巡視機器人，根據(jù)屏柜的布局部，在頂部署合適的軌道，不占用運維人員的巡視道路，安裝有運動機構(gòu)、運動驅(qū)動機構(gòu)和檢測機構(gòu)；能夠遠方實現(xiàn)一鍵啟動按照預(yù)定的預(yù)置點位自動進行巡檢，實現(xiàn)對開關(guān)室環(huán)境、開關(guān)柜外觀、保護測控裝置面板、分合指示燈、壓板、開關(guān)柜紅外測溫等數(shù)據(jù)進行巡檢，并自動生成巡檢報告，上傳至集控站遠方智能巡視系統(tǒng)進行分析，從而解決了開關(guān)室巡視困難、效率低下等問題。

2 軌道機器人的軟硬件部分設(shè)計

2.1 總體系統(tǒng)架構(gòu)

軌道機器人的系統(tǒng)架構(gòu)包括移動站系統(tǒng)和后臺系統(tǒng)構(gòu)成的，包括懸掛式軌道、機械限位裝置、軌道機器人本體、網(wǎng)絡(luò)通訊部分、智能巡檢系統(tǒng)部分，軌道機器人攝像頭或者探測器的數(shù)量，可以根據(jù)開關(guān)柜的數(shù)量、空間距離、功能需求進行合理設(shè)計。巡檢機器人在變電站內(nèi)自主運行，采集傳感器數(shù)據(jù)，如自然光圖、紅外熱圖、聲音等，對數(shù)據(jù)進行簡單分析處理后，把數(shù)據(jù)提交給后臺系統(tǒng)再次進行處理分析。后臺系統(tǒng)接到移動站發(fā)來的數(shù)據(jù)，根據(jù)智能分析算法，分析得到結(jié)果，并將結(jié)果存儲到數(shù)據(jù)庫中，結(jié)合歷史數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計分析。

圖1 軌道機器人系統(tǒng)架構(gòu)

2.2 懸掛式軌道設(shè)計

變電站高壓開關(guān)柜一般按照單列或者雙列進行布置，因此在設(shè)計開關(guān)柜軌道機器人時，應(yīng)該按照實際電氣空間進行合理的部署軌道。按照工程實際經(jīng)驗，懸掛式軌道機器人一般呈U型、S型或者一字型。

本文以220千伏某中型變電站以例，該變電站的高壓室有24面開關(guān)柜，呈雙列布置，整體柜子總長度為22m，考慮柜子部署整齊，室內(nèi)前后大門兩端各有1.7m裕度，因此設(shè)計該移動巡檢軌道機器人的軌道為一字型即滿足要求，軌道長為24m，吊裝在兩排高壓柜中間部位，離地約為2.7m～2.8m，軌道的其中一端與前門上端墻壁固定，后門處不靠墻，做為檢修通道。移動攝像頭安裝在軌道后，保證機器人攝像頭略高于高壓柜頂端100mm。

圖2 220千伏某中型變電站巡視機器人軌道設(shè)計

2.3 軌道機器人的本體

軌道機器人的本體部分作為智能巡檢部分的核心組成部分，包含有可見光高清視頻攝像頭、紅外測溫攝像頭。每個軌道機器人分別有兩個紅外熱成像鏡頭進行溫度檢測，有效預(yù)防開關(guān)柜設(shè)備發(fā)熱異常。搭載高清視頻設(shè)備、紅外探頭、臭氧監(jiān)測、局放、溫濕度等多種傳感器的移動機器人沿著軌道對室內(nèi)高壓開關(guān)柜進行巡檢，可自動分析各種儀表、開關(guān)、設(shè)備溫度、環(huán)境溫度和濕度等各種重要信息，并傳輸至變電站在線巡視處理平臺，對電力設(shè)備進行在線實時監(jiān)測，當發(fā)現(xiàn)異常，通過監(jiān)控后臺發(fā)送相關(guān)告警信息，及時調(diào)整巡檢策略，大大提升運維效率。

圖3 巡視機器人本體部分設(shè)計

2.4 供電及通訊電源部分的設(shè)計

在軌道式移動機器人上的應(yīng)用研究，實現(xiàn)滑動式的移動供電的系統(tǒng)，電氣部分設(shè)計美觀、移動過程中又能讓供電可靠，不發(fā)生電源中斷故障。對于軌道通訊拖鏈的設(shè)計，采取的是通訊電源一體式，即軌道拖鏈既承擔(dān)通訊部分的作用，又承擔(dān)電源的作用。因此，設(shè)計軌道式滑鏈電力載波通訊，進行高清視頻、可見光和紅外測溫等巡檢信息的傳輸，做到整個通信過程的準確無誤。本文在軌道的兩側(cè)還各設(shè)計一個光電限位器，主要為了防止機器人在軌道運轉(zhuǎn)的過程中出現(xiàn)脫軌。設(shè)計時，需要注意拖鏈部分的輸入和輸出端，輸出端安裝在軌道上面，安裝時將輸出端的拖鏈平面朝下推進軌道內(nèi)，從軌道一端推到另外一端，在軌道電源端將拖鏈固定在軌道上面。

2.5 智能巡檢主機部分的設(shè)計

變電站軌道機器人巡檢主機分為兩部分：一是站端的中控主機，主要用來收集機器人的實時監(jiān)控數(shù)據(jù)，進行存儲、匯總、基礎(chǔ)分析和邊緣計算；二是主站端的在線分析主機，主要用于巡視任務(wù)制定、巡檢信息展示、異常告警策略上傳下達，智能分析研判等功能。站端的中控主機和主站的綜合處理管理系統(tǒng)共同構(gòu)成了智能巡檢機器人的分析、控制、展示部分。具體功能如下：

(1)路線自主規(guī)劃：按照預(yù)先設(shè)定的巡視路線，或根據(jù)巡視任務(wù)，進行規(guī)劃路線巡視。

(2)遠方自動巡視：運維人員遠方啟動巡視后，不需干預(yù)，系統(tǒng)自動按照巡視路線切換畫面。

(3)周期定時巡視：能夠根據(jù)設(shè)置的巡視周期，按照預(yù)定的巡檢點位，采集圖片，自動完成巡視任務(wù)，并生成巡視報告上傳至主站。

(4)燈光智能聯(lián)動：巡檢時自動聯(lián)動燈光控制系統(tǒng)，即使光線較差或在夜間操作及巡視時，也能看到清晰的彩色圖像，可清楚地分辨設(shè)備的外觀情況及壓板的狀態(tài)。

(5)精準自動避障：通過傳感器進行距離測量，快速、準確地識別周圍的物體，實現(xiàn)迅速、精確的避障。

(6)設(shè)備智能識別：在站端部署自動識別軟件，對壓板、儀表自動識別，并上傳至主站。

圖4 電源及通訊部分設(shè)計

(7)數(shù)據(jù)自動分析：采集的巡視數(shù)據(jù)已經(jīng)接入綜合處理分析系統(tǒng)，能夠?qū)t外測溫數(shù)據(jù)進行趨勢分析研判。

3 智能巡檢機器人的核心技術(shù)

3.1 圖像識別技術(shù)

圖像識別子系統(tǒng)利用計算機對圖像進行處理、分析和理解，以識別各種不同模式(儀表讀數(shù)、開關(guān)位置、指示燈)的目標和對象，采用數(shù)字技術(shù)方法，對云臺搭載的高清攝像頭獲取的圖像按照特定目的進行相應(yīng)的處理，最終得到我們所需的數(shù)據(jù)[4-5]。

圖5 開關(guān)柜面板識別

圖像識別子系統(tǒng)智能識別表計讀數(shù)、指示燈狀態(tài)、開關(guān)變位狀態(tài)，自動記錄和判斷。以開關(guān)位置識別為例，平臺采用專用的機器視覺算法使需要被識別的區(qū)域進行配準與提取，而后通過模式識別技術(shù)對開關(guān)進行識別與讀數(shù)判別，并傳到后臺系統(tǒng)，讀數(shù)誤差小于5%。圖6展示了對開關(guān)柜進行識別的流程。

圖6 機器人識別流程圖

3.2 精準避障技術(shù)

文中的軌道機器人設(shè)計了精準避障控制器，主要針對開關(guān)柜未知的物體、人員等進行感知，并采取及時避障，防止對開關(guān)柜、巡視人員造成傷害。其設(shè)計思路是：通過加裝避障傳感器，計算每個傳感器的測距值，根據(jù)多元函數(shù)求極值理論，可以求得保證總方差最小時的最優(yōu)加權(quán)因子。避障控制器的設(shè)計最核心的部分是輸入不同方向的距離值，輸出機器人的轉(zhuǎn)向角度，根據(jù)一定的控制策略，建立對應(yīng)的控制規(guī)則。該系統(tǒng)控制設(shè)置的停止、向前閾值為0.2m，機器人測距感知到閾值范圍立即停止前進，并等待模糊推理，根據(jù)現(xiàn)場設(shè)置開關(guān)柜門開啟、放置梯子等障礙物等試驗表明，控制系統(tǒng)可以達到厘米級精度的避障定位測距要求。

3.3 紅外及帶電檢測技術(shù)

紅外檢測、高清視頻及局放檢測均安裝在球形工作區(qū)域。紅外檢測開關(guān)柜的溫度分布，帶電檢測包括開關(guān)柜發(fā)出的超聲波，暫態(tài)地電壓檢測器以及特高頻振動檢測器[6-7]。紅外測溫攝像頭實時拍攝開關(guān)柜輸出熱呈像圖，測定目標溫度，并根據(jù)開關(guān)柜致熱設(shè)備運行狀況作出診斷分析，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備潛在缺陷并發(fā)出預(yù)警，提前進行開關(guān)柜發(fā)熱預(yù)防，消除隱患，提高設(shè)備運行壽命和效率[8]。本文通過安裝帶電檢測探頭，如超聲波、暫態(tài)地電壓、特高頻三種方式相互結(jié)合的方式對開關(guān)柜內(nèi)部的局放現(xiàn)象進行檢測，通過與設(shè)定的閾值及圖譜進行對比，對異常檢測數(shù)據(jù)進行告警處理。

4 應(yīng)用情況

2021年，公司在遠安、當陽、枝江共26座變電站安裝了懸掛式軌道機器人，軌道機器人能夠?qū)﹂_關(guān)柜保護狀態(tài)燈識別：保護裝置設(shè)備狀態(tài)包含運行燈、異常燈、跳閘燈對保護裝置運行狀態(tài)進行展示。通過對燈的位置顏色等特征的提取，結(jié)合機器學(xué)習(xí)技術(shù)，與正常設(shè)備模板進行對比，準確判斷設(shè)備運行情況。經(jīng)過一年的實踐應(yīng)用表明，能夠節(jié)約人工、車輛、器具使用費用，進一步降低生產(chǎn)成本，提高設(shè)備可用率。據(jù)統(tǒng)計，按照傳統(tǒng)方法巡視每站耗時5人時，而采用遠程智能巡視運維策略只需要1人時，時間上節(jié)約了4小時，巡視效率提升了90%，應(yīng)急速度提升了75%，同時保障了運維人員人身安全。本項目能夠大幅提高運維效率和設(shè)備消缺及時率，提升了設(shè)備可用率，降低了設(shè)備故障帶來的損失，優(yōu)化了人力、物力資源配置，有效的提高設(shè)備運維管理水平。

5 結(jié)論

本文通過設(shè)計一種變電站開關(guān)柜懸掛式軌道機器人，包括機器人本體和集中控制終端。機器人本體包括智能軌道，云臺紅外雙光譜攝像機，通信模塊，控制電機，溫濕度傳感器，SF6探測器。集中控制終端包括巡檢任務(wù)管理模塊，存儲模塊，圖像顯示模塊，圖像處理模塊，報警模塊等，能夠?qū)崿F(xiàn)自動巡視、紅外測溫、帶電檢測，滿足日常的巡檢要求。通過在軌道機器人加裝高清視頻，遠方紅外測溫探頭及帶電檢測模塊，代替現(xiàn)有的人工現(xiàn)場壓板、空開、紅外測溫、局放、臭氧檢測的工作。通過增加遠方視頻巡視的周期，配合補充巡視等方式，在保證變電設(shè)備運維質(zhì)量的同時，逐步降低一線班組工作強度，減少對日常巡視工作人員的投入，切實提升變電運維質(zhì)效，具有一定的推廣價值。