某220 kV變電站智能巡檢機器人的應(yīng)用實踐研究

程玉凱, 林雅彬

(國網(wǎng)福建電力公司漳州供電公司, 福建 漳州 363000)

0 引言

變電站運檢智能化是變電運維工作發(fā)展的一個重要趨勢，近年來一些常規(guī)AIS變電站逐步配置智能巡檢機器人進行輔助巡檢工作。智能巡檢機器人整合了機器人技術(shù)、多傳感器融合技術(shù)、圖像識別技術(shù)、導(dǎo)航技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，對變電站可實現(xiàn)全方位、全天候、全自主智能巡檢和監(jiān)控，可以大大降低運行人員的勞動強度和變電運維成本，減少工作人員的危險系數(shù)，使整個變電站巡檢工作自動化、電子化、智能化。

某220 kV變電站自2020年下半年配置智能巡檢機器人應(yīng)用至今，巡檢工作體驗良好，及時發(fā)現(xiàn)多次嚴(yán)重缺陷和一次緊急隱患，避免了更大事故的發(fā)生，可進行積極推廣應(yīng)用。

1 某220 kV變電站概況

某220 kV變電站與運維主站直線距離80公里左右，靠近海邊，常年海風(fēng)4～5級，是所在縣城唯一電源點。該站場地占地面積近30 000 m，巡視路線(室內(nèi)路線+室外路線)全長接近2公里，采用人工巡視全站至少需要1個小時，其巡視路線如圖1所示。

圖1 某220 kV變電站人工巡視路線圖

據(jù)統(tǒng)計，近兩年來，因站內(nèi)異物搭接導(dǎo)致的開關(guān)跳閘造成6級及以上電網(wǎng)事故達(dá)到10次以上，因此亟需采取必要措施提高供電可靠性。為應(yīng)對該問題，通過在站內(nèi)構(gòu)架、橫梁上加裝驅(qū)鳥器、防鳥刺和防鳥封板的方法，一定程度上減少了海鳥做巢的數(shù)量，但通過人工巡視，發(fā)現(xiàn)鳥巢等異物搭接在構(gòu)架、設(shè)備上的情況還時有發(fā)生。此外，變電站地處東南沿海，溫濕度和鹽分較高，站內(nèi)金屬部件腐蝕較為嚴(yán)重，直接影響了設(shè)備的導(dǎo)電能力和機械性能，同時也降低了構(gòu)支架的承載能力，對于電網(wǎng)的穩(wěn)定運行是一大威脅。為應(yīng)對此問題，除了對設(shè)備進行更好的防腐措施外，還需運行人員通過巡視、測溫等方法對該站設(shè)備進行時時關(guān)注、監(jiān)控。

針對此情況，該站于2020年下半年配置了LER-3100型智能巡檢機器人，如圖2所示。

(a)巡視主變(b)巡視刀閘

2 LER-3100型機器人簡介

LER-3100型智能巡檢機器人(以下簡稱機器人)以自主或遙控方式，在無人值守環(huán)境中，可完成對室內(nèi)(外)高壓設(shè)備進行紅外溫度檢測和儀表油位的圖像識別等任務(wù)，可以替代人工完成巡檢中遇到的繁瑣、危險和重復(fù)性工作。

2.1 機器人系統(tǒng)的基本構(gòu)架

機器人巡檢系統(tǒng)為網(wǎng)絡(luò)分布式架構(gòu)，整體分為三層：基站層、通訊層和終端層。各層的組成部分如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)構(gòu)架圖

2.2 智能機器人的組成

本款機器人基于無軌化導(dǎo)航技術(shù)和運動四輪地盤，及多種高科技技術(shù)為一體，主要有7個單元模塊組成，如圖4所示。

圖4 智能巡檢機器人的組成單元

由這7個單元模塊共同組成的機器人具有無軌化、可調(diào)配、智能化、集群化、耐高溫和高寒等諸多優(yōu)勢。機器人的近距離外形如圖5所示。

(a)機器人正面(b)機器人側(cè)面

2.3 機器人無線通訊

站內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，需要在站內(nèi)和機器人巡檢車上各配置一個無線AP(220 kV變電站戶外只需配置一個無線AP)，兩者互聯(lián)。機器人巡檢車上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過客戶端接入站內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)，這樣，巡檢車可以在任意地點漫游不需執(zhí)行切換操作，實現(xiàn)了機器人巡檢車在整個巡檢區(qū)域與客戶端無縫連接。

2.4 智能巡檢機器人的功能

機器人可以在自主或遙控模式下，在無人值守的環(huán)境中完成如圖6所示的功能任務(wù)。

圖6 智能巡檢機器人的功能

2.4.1 智能巡檢

任務(wù)巡檢主要有全面巡檢、例行巡檢、專項巡檢、特殊巡檢等。巡檢過程中對于SF壓力、避雷器泄漏電流值和動作次數(shù)，可以實時智能讀取，并可使用歷史數(shù)據(jù)繪制歷史曲線，以便監(jiān)測設(shè)備狀態(tài)的發(fā)展趨勢。對于巡視過程中發(fā)現(xiàn)的異常和缺陷情況，機器人可以進行智能判斷上報，并實時顯示在后臺設(shè)備缺陷一欄。

2.4.2 紅外測溫及告警

利用機器人云臺配備的紅外測溫儀，對設(shè)備進行測溫成像，并根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)分布解決方案中特征和方案，提供經(jīng)濟且精確的的測溫方案，對于設(shè)備的異常溫升圖像，可以實現(xiàn)實時報警，避免變?yōu)閲?yán)重故障，杜絕了對電網(wǎng)和人身安全造成威脅。

2.4.3 噪聲檢測

機器人噪聲檢測主要針對變壓器和電抗器等設(shè)備，通過專業(yè)級拾音器對現(xiàn)場設(shè)備進行采音，將音頻信號無失真的傳輸?shù)胶笈_，以便軟件對其解析和人員人工識別。

2.4.4 可見光智能判別

機器人拍攝的實時可見光照片，通過與現(xiàn)場定點定角度拍攝的可見光預(yù)存照片比較，對圖片中的鳥窩、煙霧、火光等異常信息進行判斷識別，及時發(fā)現(xiàn)影響現(xiàn)場設(shè)備的各種隱患。

3 機器人應(yīng)用

3.1 正常巡視

機器人既可以按照人工設(shè)置的巡檢計劃自主開展巡檢工作(巡檢計劃模式)，也可以切換至遙控模式，由人工控制的方式對單一設(shè)備進行巡視、觀測(遠(yuǎn)程遙控模式)。機器人的位置、巡檢路線等信息均可在后臺觀測到，如圖7所示。

圖7 巡檢機器人電子地圖

圖7中黑點表示巡檢點，實線表示機器人預(yù)制行駛路徑。本站室外共設(shè)置巡檢點2 922個，根據(jù)不同的觀測類型可以分為9個項目，如表1所示。

表1 檢測點項目及數(shù)量

機器人對全站設(shè)備巡檢覆蓋率達(dá)到99%以上，可對重點設(shè)備進行雙面甚至多面拍攝。在本站內(nèi)，按照巡視項目的不同，共規(guī)劃了6條巡視路線：主變區(qū)域紅外巡檢路線、主變區(qū)域可見光巡檢路線、110 kV區(qū)域紅外巡檢路線、110 kV區(qū)域可見光巡檢路線、220 kV區(qū)域紅外巡檢路線、220 kV區(qū)域可見光巡檢路線。經(jīng)實地測試，這6條路線耗時如表2所示。

表2 各巡視路線時長

巡檢完畢，在后臺自動生成巡檢報告，其樣式如圖8所示。

圖8 任務(wù)巡檢報告

如圖8所示，巡檢報告顯示巡檢任務(wù)名稱、任務(wù)時間、巡檢點信息(包括巡檢點總個數(shù)、正常點位個數(shù)、異常點個數(shù)以及漏檢點個數(shù))等。各點位會提供包括采集點可見光和紅外檢測圖片等信息，以便用戶開展進一步人工篩選和判別。

3.2 異常巡檢案例

某220 kV變電站自配置智能巡檢機器人以來，已發(fā)現(xiàn)設(shè)備異物搭接5處，其中危及設(shè)備正常運行的一處；發(fā)現(xiàn)設(shè)備發(fā)熱5處，其中嚴(yán)重發(fā)熱2處；發(fā)現(xiàn)消防安全隱患4處，嚴(yán)重隱患1處。

3.2.1 鳥窩巡檢

2021年3月某日運行人員利用機器人對全站巡檢，當(dāng)機器人行至220 kVⅠ段母線4號門型架附近處，用可見光鏡頭對構(gòu)架巡檢時，發(fā)現(xiàn)在該門型架橫梁處有一處鳥窩，如圖9(a)所示。由于焦距原因，未能清晰觀測垂草長度。于是運行人員立即到現(xiàn)場進行復(fù)拍核實，如圖9(b)所示。經(jīng)用望遠(yuǎn)鏡和專業(yè)相機觀測，發(fā)現(xiàn)該鳥窩垂草較長，在風(fēng)力影響下，飄向220 kVⅠ段母線A相跳線，距離不足2 m。由于該站220 kV母線均未進行絕緣熱縮處理，因此若未及時發(fā)現(xiàn)，放任鳥窩繼續(xù)發(fā)展，必然會造成220 kVⅠ段母線母差保護動作，導(dǎo)致5級以上電網(wǎng)事故。

(a)機器人可見光鏡頭照片(b)專業(yè)相機可見光照片

3.2.2 可見光智能識別

2021年2月某日機器人按照巡檢計劃對該站進行例行巡檢時，后臺接收到異常告警提示。經(jīng)運行人員仔細(xì)篩查核對，發(fā)現(xiàn)告警來自機器人在110 kV#1主變110 kV側(cè)12 A間隔定點拍攝的圖片識別異常。圖10(a)為機器人上次巡視在該定點預(yù)存圖片，圖10(b)為本次巡視在該定點拍攝圖片。對比兩圖，可以發(fā)現(xiàn)圖10(b)中紅框部分有明顯的黑色痕跡。運行人員趕至現(xiàn)場檢查發(fā)現(xiàn)，該處草地有著火痕跡，且仍在繼續(xù)陰燃，如圖10(c)和圖10(d)所示。運行人員立即使用滅火器對陰燃部分進行了滅火處理，避免了著火部位的擴大。由于該站在3天前剛對其進行例行巡視，下次人工巡視時間排在一周后，因此，若非本次及時發(fā)現(xiàn)，將造成全站草坪著火的嚴(yán)重后果。通過查看站內(nèi)各角度攝像頭，發(fā)現(xiàn)該處著火原因為1天前夜晚12A3刀閘A相高溫鐵屑落至地面所致。繼而對12A3刀閘測溫發(fā)現(xiàn)，12A3刀閘A相出線線夾溫度已達(dá)300 ℃以上，通過緊急申請停電處理，避免了一次主變跳閘事故。

(a)機器人預(yù)存照片(b)機器人實時拍攝照片

3.2.3 紅外測溫異常告警

2021年4月某日夜晚運行人員利用機器人對110 kV設(shè)備區(qū)域進行紅外測溫。當(dāng)機器人行至126間隔區(qū)域?qū)?261刀閘測溫發(fā)現(xiàn)1261刀閘刀口A相比另外兩相有明顯溫升，如圖11(a)所示，后臺顯示紅外測溫異常告警。當(dāng)機器人行至127間隔對1273刀閘測溫發(fā)現(xiàn)1273刀閘C相出線線夾部分對比另外兩相有明顯溫升，如圖12(a)所示，后臺顯示紅外測溫異常告警。運行人員趕赴現(xiàn)場用薩特HM-300紅外測溫儀分別對1261刀口和1273刀閘出線線夾進行精確測溫，發(fā)現(xiàn)1261刀閘A相刀口77.9 ℃，B相20.5 ℃，C相44 ℃(如圖11(b)、(c)、(d)所示)以及1273刀閘C相出線線夾溫度72.7 ℃(如圖12(d)所示)，另外兩相溫度分別為20.5 ℃、20.4 ℃(如圖12(b)、(c)所示)。

(a)(b)

(a)(b)

利用相對溫差判別方法，判斷發(fā)熱點發(fā)熱程度。相對溫差計算公式，如式(1)所示

(1)

其中，

τ

、

T

表示發(fā)熱點的溫升和溫度；

τ

、

T

表示正常對應(yīng)點的溫升和溫度；

τ

、

T

表示環(huán)境參照體的溫升和溫度。由式(1)可得，1261刀閘A相刀口相對溫差

δ

=94

.

25

%

，C相刀口相對溫差

δ

=87

.

03

%

，1273刀閘C相出線線夾相對溫差

δ

=93

.

72

%

。根據(jù)《DL/T664-2016帶電設(shè)備紅外診斷應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》中電流致熱性設(shè)備缺陷判斷依據(jù)的規(guī)定：隔離開關(guān)刀口熱點溫度

T

滿足：90 ℃≤

T

<130 ℃或80

%

≤

δ

<95

%

但熱點溫度未達(dá)到90 ℃時為嚴(yán)重缺陷的判斷依據(jù)，1261刀閘A相和C相刀口溫度異常均達(dá)到嚴(yán)重缺陷標(biāo)準(zhǔn)。另根據(jù)上述規(guī)范中規(guī)定：電器設(shè)備與金屬部件的連接(接頭和線夾)熱點溫度

T

滿足：80 ℃≤

T

<110 ℃或80

%

≤

δ

<95

%

但熱點溫度未達(dá)到80 ℃時為嚴(yán)重缺陷的判斷依據(jù)，1273刀閘C相出線線夾溫度異常也達(dá)到嚴(yán)重缺陷標(biāo)準(zhǔn)。依照該判據(jù)，由運行人員上報嚴(yán)重缺陷，并將此兩個間隔列入缺陷跟蹤庫中，加強跟蹤觀察。

4 結(jié)語

智能巡檢機器人在本220 kV變電站投入使用后，有效地降低了運行人員的工作強度，提高了工作效率和巡視質(zhì)量，為本站設(shè)備安全平穩(wěn)運行提供了可靠的保障。但值得注意的是，機器人的使用并非完美無瑕，也存在一些問題：

(1)運行成本大，專業(yè)維修技術(shù)性較強；

(2)機器人體重大，對巡視路線上的電纜溝蓋板有一定破壞性；

(3)機器人行駛速度過慢，對需緊急查看設(shè)備狀態(tài)的情況，路上耗時過長；

(4)續(xù)航不足，按表2中，對全站巡視一次需要7個多小時，再計及充電時間，完整巡視全站大概需要2天才可完成；

(5)避障能力不足，需要人工干預(yù)等等。變電站智能巡檢機器人的應(yīng)用是一大趨勢，只有在使用中不斷發(fā)現(xiàn)問題、解決問題，才能為變電智能巡檢工作提供更好的服務(wù)。