大型換流站機(jī)器人安全巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)

姚日斌，江林堅(jiān)，吳波

（中國(guó)南方電網(wǎng)超高壓輸電公司柳州局，廣西柳州 210000）

我國(guó)能源分布的不均衡狀態(tài)，嚴(yán)重制約了我國(guó)各地區(qū)經(jīng)濟(jì)的協(xié)同發(fā)展與各區(qū)域人民生活水平的提高，對(duì)以電力為代表的能源輸運(yùn)和持續(xù)穩(wěn)定供應(yīng)提出了較高的要求[1-2]。電力輸運(yùn)主要有交流輸電和直流輸電兩種方式[3-4]。相比于交流輸電而言，直流輸電所需的線路在相同供電條件下占用更少的線路走廊且損耗也更低，因此我國(guó)通過(guò)廣泛鋪設(shè)特高壓直流輸電線路來(lái)緩解東西部能源和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的矛盾。目前已鋪設(shè)和正在鋪設(shè)的多條特高壓直流輸電線路，有效推進(jìn)了西電東送以及與能源國(guó)家之間互利互惠的戰(zhàn)略規(guī)劃，利用電力能源再分配實(shí)現(xiàn)共同發(fā)展和富裕。然而，大規(guī)模的特高壓直流輸電線路帶來(lái)了巡檢與維護(hù)工作量大的關(guān)鍵問(wèn)題，傳統(tǒng)的人工巡檢方式已無(wú)法匹配日益龐大的特高壓電網(wǎng)規(guī)模，需要借助目前的先進(jìn)技術(shù)替代傳統(tǒng)的低效方案，從而有效保障國(guó)家與人民的正常生產(chǎn)和生活[5-7]。

基于上述問(wèn)題，該文基于紅外測(cè)溫和機(jī)器人技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套面向大型換流站的機(jī)器人安全巡檢檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備監(jiān)控預(yù)覽、錄像回放、地圖查看、報(bào)警數(shù)據(jù)分析、報(bào)表生成、聲音報(bào)警等功能，能夠利用軌道式與固定式機(jī)器人、后臺(tái)控制軟件對(duì)換流站的電力設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)及分析，從而高效、準(zhǔn)確地完成輸電線路換流站的巡檢工作。

1 理論和技術(shù)分析

1.1 紅外輻射基本定律和規(guī)律

紅外輻射波長(zhǎng)（0.76～1 000 μm）介于可見(jiàn)光與微波之間，其波段又按照波長(zhǎng)不同可劃分為15～1 000 μm的遠(yuǎn)紅外、3～8 μm 的中波紅外、1.4～3 μm 的短波紅外、8～15 μm 長(zhǎng)波紅外、0.75～1.4 μm 的近紅外。

與紅外輻射相關(guān)的定律主要包括普朗克黑體輻射定律、維恩位移定律、斯蒂芬-玻爾茲曼定律和朗伯余弦定律[8-10]。其中，普朗克黑體輻射定律對(duì)黑體向外界輻射電磁波引發(fā)的光譜特征進(jìn)行描述，并表明輻射強(qiáng)度與溫度間呈現(xiàn)出明顯的正比關(guān)系，用數(shù)學(xué)公式描述為：

式中，C1與C2分別代表了兩種輻射常數(shù)。根據(jù)式（1）可知，電磁輻射能量同黑體的溫度和波長(zhǎng)存在較為緊密的關(guān)系，通過(guò)獲取溫度與波長(zhǎng)信息可以計(jì)算得到黑體的輻射能量，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)換流站設(shè)備的紅外測(cè)溫檢測(cè)。

維恩位移定律對(duì)黑體絕對(duì)溫度和光譜輻射峰值波長(zhǎng)間的關(guān)系進(jìn)行描述，其數(shù)學(xué)公式為：

根據(jù)式（2）可知，光譜輻射峰值隨著黑體輻射溫度的升高而逐漸朝短波方向偏移。

斯蒂芬-玻爾茲曼定律對(duì)物體在絕對(duì)零度和對(duì)外輻射能量間的關(guān)系（波長(zhǎng)無(wú)限大條件下）進(jìn)行描述，其數(shù)學(xué)公式為：

式中，σ代表斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)，Mb(T)代表電磁輻射在全波段積分后的總能量。

朗伯余弦定律則是對(duì)不同觀測(cè)方向下的黑體輻射強(qiáng)度進(jìn)行描述，其數(shù)學(xué)公式為：

式中，I0與Iδ分別代表了法線方向和與法線存在δ角度時(shí)的輻射投影強(qiáng)度。根據(jù)式（4）可知，紅外測(cè)溫時(shí)需要注意測(cè)量角度對(duì)測(cè)量結(jié)果造成的影響，兩者存在cosδ倍的關(guān)系。

1.2 紅外測(cè)溫原理

目前，針對(duì)電力設(shè)備的紅外測(cè)溫主要通過(guò)紅外熱像儀和紅外點(diǎn)溫儀實(shí)現(xiàn)[11]。相比于紅外熱像儀，紅外點(diǎn)溫儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且價(jià)格低廉，但也存在測(cè)量誤差大、扛干擾能力弱、檢測(cè)效率低等缺陷，無(wú)法對(duì)表面不均勻的設(shè)備進(jìn)行整體溫度檢測(cè)。因此使用紅外熱像儀更能滿足電力設(shè)備的準(zhǔn)確、高效檢測(cè)要求，其測(cè)溫實(shí)現(xiàn)原理如圖1 所示。電力設(shè)備向外界發(fā)出的電磁波被光學(xué)系統(tǒng)接收后，由探測(cè)器和放大器對(duì)其進(jìn)行轉(zhuǎn)換和放大處理，最終設(shè)備發(fā)出的電磁波以彩色圖像的形式輸出在顯示裝置上。根據(jù)這一原理，即可對(duì)電力設(shè)備的整體溫度進(jìn)行獲取、檢測(cè)和分析，從而實(shí)現(xiàn)大型換流站的自動(dòng)安全巡檢工作。

圖1 紅外測(cè)溫實(shí)現(xiàn)原理

1.3 電力設(shè)備熱缺陷及常見(jiàn)診斷方法

根據(jù)電力設(shè)備熱缺陷發(fā)生在設(shè)備的不同位置，可以將熱缺陷分為外部熱缺陷和內(nèi)部熱缺陷，前者的診斷通過(guò)紅外測(cè)溫直接測(cè)量實(shí)現(xiàn)；后者則通過(guò)與目標(biāo)相連位置處的紅外測(cè)溫反推實(shí)現(xiàn)[12-16]。按照電力設(shè)備熱缺陷發(fā)生的嚴(yán)重程度，可將熱缺陷分為危險(xiǎn)、嚴(yán)重和一般3 個(gè)級(jí)別。當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重及以上缺陷時(shí)，通常可采用溫度閾值判別法進(jìn)行診斷，即將異常狀態(tài)下的溫度同正常狀態(tài)下的最高溫度閾值進(jìn)行對(duì)比和判斷，當(dāng)超過(guò)最高溫度閾值時(shí)，即判定為存在缺陷。此外，可以通過(guò)使用溫差比判別法、同類設(shè)備比較法等方法對(duì)熱缺陷進(jìn)行快速診斷。

2 巡檢檢測(cè)系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)

2.1 需求分析

為了滿足大型換流站安全巡檢檢測(cè)的需要，該文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)必須能夠在強(qiáng)電磁場(chǎng)干擾下進(jìn)行工作。此外，在使用場(chǎng)景上需要能夠在以下外界條件中正常運(yùn)行：海拔高度≤3 000 m；環(huán)境溫度介于-10 ℃～60 ℃；抗震能力：水平與垂直方向上的加速度分別為0.3 g 和0.15 g；相對(duì)濕度5%～99%；大氣壓力70～106 kPa。在通信上需要滿足千兆網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸?shù)男阅芤?，提供?shù)據(jù)交換協(xié)議（包括機(jī)器人管理接口、基礎(chǔ)支持接口和任務(wù)管理接口等數(shù)據(jù)接口）和業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)接口約定，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)上傳、用戶權(quán)限與密碼登錄等功能。在數(shù)據(jù)庫(kù)上，需要提供數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和查詢功能；在機(jī)器人自動(dòng)巡檢上，需要提供多種巡檢方案的自動(dòng)化運(yùn)行；在電源供電上，需要能夠在（220±20）V 的電壓下正常工作，且能夠應(yīng)對(duì)交流電源突然斷電和來(lái)電的突發(fā)情況。

2.2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

安全巡檢檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖2所示。基于這一系統(tǒng)架構(gòu)，文中的巡檢機(jī)器人在設(shè)置好預(yù)置位后，每過(guò)一段時(shí)間間隔，機(jī)器人就能夠沿著設(shè)定路徑，對(duì)換流站內(nèi)的電力設(shè)備進(jìn)行圖像抓拍，再傳輸給后臺(tái)工作站進(jìn)行溫度數(shù)據(jù)分析，然后將分析結(jié)果保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中并生成曲線，當(dāng)出現(xiàn)溫度異常時(shí)執(zhí)行報(bào)警操作。

圖2 安全巡檢檢測(cè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

2.3 終端檢測(cè)層的設(shè)計(jì)

終端檢測(cè)層中的巡檢機(jī)器人類似于全景攝像頭，包含了云臺(tái)、高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)、紅外熱像儀和揚(yáng)塵氣象傳感器。

該文巡檢機(jī)器人工作的垂直導(dǎo)軌長(zhǎng)8 m，為蝸桿傳動(dòng)方式，重復(fù)定位精度為±3 mm，使用壽命大于1萬(wàn)公里，傳動(dòng)速度為5 m/min，支持TCP/IP 協(xié)議。由客戶端接收層工作站安裝的控制軟件，可對(duì)PLC 控制芯片進(jìn)行操作，進(jìn)而借助網(wǎng)絡(luò)通信模塊（硬件包括網(wǎng)絡(luò)線纜、無(wú)線中繼和網(wǎng)橋等）對(duì)伺服電機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的上下精準(zhǔn)移動(dòng)和?？?。

2.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸層的設(shè)計(jì)

換流站為特殊環(huán)境，具有高電磁場(chǎng)、高壓、高輻射等特點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)傳輸層的無(wú)線部分采用多網(wǎng)橋組網(wǎng)方式在換流站搭建多個(gè)基站，借助交換機(jī)連接到客戶端接收層的網(wǎng)絡(luò)收發(fā)模塊，最終與工作站軟件相連。各基站安裝有高增益的發(fā)射天線，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)在換流站的無(wú)死角覆蓋。

2.5 客戶端接收層的設(shè)計(jì)

客戶端接收層控制軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3 所示，其模塊分別為預(yù)覽監(jiān)控模塊、回放錄像數(shù)據(jù)模塊、地圖模塊、報(bào)警數(shù)據(jù)分析模塊等。

圖3 客戶端接收層控制軟件的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

用戶信息配置模塊主要用于對(duì)用戶的查找、增刪和編輯等功能?？筛鶕?jù)用戶權(quán)限設(shè)置用戶類型，管理員是具備所有權(quán)限的超級(jí)用戶；操作員具有預(yù)覽監(jiān)控、回放錄像數(shù)據(jù)、地圖、聲音報(bào)警、報(bào)警數(shù)據(jù)處理、重疊分析及報(bào)表操作功能；客戶具有預(yù)覽監(jiān)控、回放錄像數(shù)據(jù)、聲音報(bào)警、報(bào)警數(shù)據(jù)處理、重疊分析及報(bào)表操作功能。

預(yù)覽監(jiān)控模塊包括視頻實(shí)時(shí)預(yù)覽、雙路視頻錄像、雙路圖像抓取以及云臺(tái)控制功能。視頻實(shí)時(shí)預(yù)覽功能可以切換1路同屏、2路同屏、4路同屏、9路同屏、16 路同屏、25 路同屏、36 路同屏，供各類用戶選擇使用，并可通過(guò)抓圖錄像將檢測(cè)結(jié)果存儲(chǔ)下來(lái)；云臺(tái)控制功能可以根據(jù)用戶需要，通過(guò)調(diào)節(jié)速度、焦距、視場(chǎng)、朝向等參數(shù)對(duì)每臺(tái)巡檢機(jī)器人進(jìn)行手動(dòng)巡檢控制。

設(shè)備信息配置模塊包括新增數(shù)據(jù)、刪除數(shù)據(jù)、更新數(shù)據(jù)、新增預(yù)置位、預(yù)置位微調(diào)功能。該模塊主要由管理員進(jìn)行操作，能夠?qū)ρ矙z機(jī)器人、導(dǎo)軌、電壓等級(jí)、線路名稱、部件名稱、網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、預(yù)置位、報(bào)告模式、巡檢功率和頻率等信息進(jìn)行配置。

回放錄像數(shù)據(jù)模塊包括巡檢數(shù)據(jù)回放和視頻回放兩個(gè)功能。前者用于對(duì)巡檢的數(shù)據(jù)進(jìn)行圖片回放，后者則用于對(duì)已保存視頻進(jìn)行回放。用戶可根據(jù)開始/結(jié)束時(shí)間、巡檢數(shù)據(jù)類型、監(jiān)控點(diǎn)和預(yù)置位等信息對(duì)需要回放的圖片與視頻進(jìn)行查詢、回放。

報(bào)警數(shù)據(jù)分析模塊包括報(bào)警數(shù)據(jù)瀏覽、分析和保存功能。通過(guò)搜索起始/結(jié)束時(shí)間、云臺(tái)名稱、報(bào)警類型、預(yù)置位名稱、部件名稱、缺陷類型等信息條件，以圖片和曲線的形式瀏覽并分析所有滿足條件的巡檢數(shù)據(jù)。用戶也可以在添加和編輯點(diǎn)、線、圓、矩形、多邊形、折線溫度、最高/最低溫度等輔助信息后，將巡檢數(shù)據(jù)重新保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。

重疊分析及報(bào)表模塊包括曲線信息生成和曲線分析報(bào)表生成功能。通過(guò)選擇云臺(tái)預(yù)置位信息、數(shù)據(jù)類型、查詢時(shí)間段，用戶可以根據(jù)需要生成曲線信息和曲線分析報(bào)表，并能夠以日?qǐng)?bào)、周報(bào)、月報(bào)和年報(bào)的形式下載并保存。

地圖模塊主要提供電力設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)顯示和通過(guò)地圖直接跳轉(zhuǎn)到相關(guān)預(yù)置位進(jìn)行實(shí)時(shí)情況顯示的功能。用戶可以在地圖上看到各位置電力設(shè)備當(dāng)前的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)點(diǎn)擊該位置即可跳轉(zhuǎn)到該區(qū)域的實(shí)時(shí)鏡頭。

聲音模塊主要包括聲音報(bào)警和報(bào)警信息處理功能。當(dāng)某一位置的溫度高于報(bào)警溫度閾值時(shí)，聲音模塊開始報(bào)警，直到處理完成；當(dāng)溫度再次上升時(shí)才會(huì)繼續(xù)報(bào)警。當(dāng)存在報(bào)警信息時(shí)，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)報(bào)警數(shù)據(jù)來(lái)源在電子地圖上調(diào)用相關(guān)的鏡頭，查看該報(bào)警源的實(shí)時(shí)情況；若未發(fā)現(xiàn)異常情況，則記錄該巡檢機(jī)器人的編號(hào)，結(jié)合回放功能對(duì)當(dāng)時(shí)報(bào)警的具體原因進(jìn)行查看。

除了上述模塊外，客戶端接收層控制軟件的設(shè)計(jì)還包括了換流站電力設(shè)備的紅外熱圖像和可見(jiàn)光圖像的處理。由于巡檢機(jī)器人采集的圖像信息中摻雜了較多復(fù)雜噪聲等干擾信息，需要做出針對(duì)性的增強(qiáng)、分割和配準(zhǔn)操作，從而減少環(huán)境干擾并提高電力設(shè)備與缺陷定位的準(zhǔn)確性和有效性。文中采用空間域及頻域變換對(duì)圖像進(jìn)行增強(qiáng)，采用閾值與邊緣檢測(cè)對(duì)圖像進(jìn)行分割，并借助共同特征的提取和匹配對(duì)紅外、可見(jiàn)光圖像進(jìn)行配準(zhǔn)。紅外熱圖像和可見(jiàn)光圖像的處理效果圖如圖4 所示。

圖4 圖像處理效果圖

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

該文設(shè)計(jì)的機(jī)器人安全巡檢檢測(cè)系統(tǒng)在大型換流站中進(jìn)行了安裝和測(cè)試。其中，系統(tǒng)控制軟件安裝的工作站配置為：Core i7，內(nèi)存32 GB，固態(tài)硬盤256 GB，機(jī)械硬盤2 TB。巡檢機(jī)器人搭載9 套固定式和2 套軌道式云臺(tái)。

登錄系統(tǒng)后可以在用戶信息中添加其他不同權(quán)限的用戶，成功登錄系統(tǒng)后默認(rèn)顯示在視頻界面。導(dǎo)航界面如圖5 所示，其顯示了系統(tǒng)的主要8 個(gè)功能導(dǎo)航，用戶可根據(jù)需要選擇進(jìn)入相應(yīng)的功能操作界面。

圖5 導(dǎo)航界面圖

圖6 為巡檢檢測(cè)系統(tǒng)控制軟件預(yù)覽監(jiān)控界面，當(dāng)前顯示為4 路同屏的狀態(tài)。用戶可以根據(jù)需要，在1 路同屏、2 路同屏、4 路同屏、9 路同屏、16 路同屏、25 路同屏、36 路同屏之間切換，若當(dāng)前視頻未顯示完，則可以選擇翻頁(yè)顯示；多路同屏?xí)r，雙擊任意一路的紅外或可見(jiàn)光視頻，則該線路的視頻最大化，再次雙擊即可回到視頻導(dǎo)航界面。每路紅外和可見(jiàn)光實(shí)時(shí)視頻顯示下列有當(dāng)前監(jiān)控模式（手動(dòng)巡檢、日常巡檢、詳細(xì)巡檢和服務(wù)器托管）、當(dāng)前預(yù)置位、部件名稱等信息。管理員用戶可以通過(guò)設(shè)備信息配置界面選擇新增預(yù)置位點(diǎn)對(duì)應(yīng)的巡檢機(jī)器人，再調(diào)整攝像頭角度和導(dǎo)軌位置，設(shè)置好預(yù)置位名稱以及新的巡檢機(jī)器人與導(dǎo)軌預(yù)置位編號(hào)。若設(shè)置的是新導(dǎo)軌的位置，則編號(hào)不能重復(fù)，以避免預(yù)置位被覆蓋，然后對(duì)預(yù)置位信息進(jìn)行配置和更新。用戶可以利用巡檢檢測(cè)系統(tǒng)控制軟件報(bào)警數(shù)據(jù)分析功能，根據(jù)起始/結(jié)束時(shí)間、云臺(tái)名稱、報(bào)警類型、預(yù)置位名稱、部件名稱、缺陷類型等信息，查找、瀏覽并分析包括溫度曲線、紅外熱圖像和可見(jiàn)光圖像等在內(nèi)的報(bào)警數(shù)據(jù)。

圖6 預(yù)覽監(jiān)控界面（4路同屏）

該文設(shè)計(jì)的機(jī)器人安全巡檢檢測(cè)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)換流站長(zhǎng)期的實(shí)地運(yùn)行和調(diào)試，能夠穩(wěn)定運(yùn)行。在遇到電力設(shè)備故障時(shí)能夠快速響應(yīng)，及時(shí)報(bào)警提醒操作員進(jìn)行處理。在斷電或來(lái)電狀態(tài)下均能快速作出響應(yīng)，抗干擾能力強(qiáng)，能夠準(zhǔn)確、高效地完成換流站電 力設(shè)備的自動(dòng)巡檢任務(wù)，滿足設(shè)計(jì)預(yù)期要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

文中面向大型換流站，利用機(jī)器人技術(shù)和紅外測(cè)溫技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套智能化的機(jī)器人安全巡檢檢測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)具備電力設(shè)備的監(jiān)控預(yù)覽、圖像信息處理、設(shè)備信息配置、地圖定位與查看、報(bào)警數(shù)據(jù)分析、聲光告警等功能，能夠利用巡檢機(jī)器人以及后臺(tái)控制軟件對(duì)換流站電力設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)、分析和報(bào)警，滿足了換流站的自動(dòng)巡檢要求。