基于巡檢機(jī)器人的變電站安全運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

王霞麗

國網(wǎng)上海市浦東供電公司,上海 200122

0 引言

當(dāng)前變電站內(nèi)部設(shè)備運(yùn)維大多需要工作人員到現(xiàn)場進(jìn)行,運(yùn)行維護(hù)人員必須在變電站內(nèi)部才能進(jìn)行相應(yīng)的運(yùn)行維護(hù)工作,導(dǎo)致在突發(fā)故障時,無法及時解決[1]。變電站的運(yùn)維全靠維護(hù)人員入駐各個變電站進(jìn)行,而變電站往往分布在各個位置,運(yùn)維人員需要頻繁地在工作地與變電站之間來回周轉(zhuǎn),造成了較多人力、物力的浪費[2]。基于巡檢機(jī)器人的變電站安全運(yùn)維系統(tǒng)的構(gòu)建,能夠提高運(yùn)維電網(wǎng)的效率,同時可以大幅降低運(yùn)維電網(wǎng)的成本。

姚志強(qiáng) 等[3]從實際出發(fā),從各個方案中選出了一種可遠(yuǎn)程控制運(yùn)維機(jī)器人的遠(yuǎn)程運(yùn)維系統(tǒng),其系統(tǒng)技術(shù)為透明訪問。該方案遵循通信服務(wù)化標(biāo)準(zhǔn),核心思想為服務(wù)化技術(shù)。首先,在變電站構(gòu)建服務(wù)端,服務(wù)端須與巡檢機(jī)器人連接;其次,在主站建立運(yùn)維終端,并將終端與服務(wù)端連接,透明化技術(shù)的運(yùn)用使運(yùn)維終端具有訪問服務(wù)端及查看各類運(yùn)行數(shù)據(jù)的權(quán)限;最后,在運(yùn)維終端構(gòu)建各類專用模塊以滿足各類需求。由此實現(xiàn)了在不改變變電站現(xiàn)有管理模式的情況下,通過巡檢機(jī)器人便可同時對多個變電站可以進(jìn)行遠(yuǎn)程管理和運(yùn)維。

1 變電站安全運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計

變電站內(nèi)配電柜均是集中布置,所以其他空間比較有限,變電站內(nèi)部也需要留出逃生通道,要求環(huán)境整潔,所以地面行走的裝置不利于在變電站內(nèi)部運(yùn)行[4]。因此,在變電站內(nèi)部布置軌道,巡檢機(jī)器人裝置采取軌道行走,解決了空間有限不利于裝置巡檢的弊端。巡檢機(jī)器人搭配各類智能模塊,可以滿足變電站的遠(yuǎn)程運(yùn)維要求。巡檢機(jī)器人由軟件和硬件設(shè)施2部分組成。

1.1 硬件結(jié)構(gòu)

根據(jù)采集各類數(shù)據(jù)的要求,例如變電柜溫度、變電站濕度、現(xiàn)場狀況等,硬件設(shè)施需要有溫濕度傳感器、攝像裝置、煙霧傳感器及聲音傳感器等,具體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

由圖1可知,巡檢機(jī)器人的硬件設(shè)施由電源部分、控制部分、各個傳感器及通信部分組成?？刂撇糠譃檠矙z機(jī)器人的軌道行走、攝像機(jī)及各個傳感器;電源部分為整個巡檢機(jī)器人提供電能[5];傳感器部分負(fù)責(zé)收集現(xiàn)場數(shù)據(jù),例如TH-CO2氣體傳感器收集現(xiàn)場的氣體數(shù)據(jù),超過一定濃度后就會報警;攝像機(jī)可以對現(xiàn)場的情況進(jìn)行記錄;終端通過無線裝置實現(xiàn)實時監(jiān)控。各個傳感器是實現(xiàn)巡檢機(jī)器人監(jiān)控的重要硬件設(shè)施。而通信部分負(fù)責(zé)將收集分析后的數(shù)據(jù)通過無線裝置上傳至服務(wù)端,用于運(yùn)維終端對數(shù)據(jù)進(jìn)行查看并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行各類工作。

1.2 軟件設(shè)計

在變電站安全運(yùn)維系統(tǒng)中,軟件部分的存儲模塊包含2個存儲器,分別是外部的Flash存儲器和用于存儲運(yùn)維視頻及圖像的SDRAM存儲器。其中,外部Flash存儲器內(nèi)部安裝的是K9K8G08U0A-A芯片,其各個端口的功能如表1所示。

表1 外部Flash存儲器的斷口功能

對于SDRAM存儲器而言,其所具備的功能為:一是對DSP和ARM的可執(zhí)行代碼進(jìn)行存儲,當(dāng)變電站安全運(yùn)維系統(tǒng)啟動時,可以加載內(nèi)核;二是存儲運(yùn)維系統(tǒng)內(nèi)部的各種數(shù)據(jù)文件;三是為緩沖視頻的編解碼功能提供中間數(shù)據(jù)。

以上2種存儲器都可以對變電站安全運(yùn)維數(shù)據(jù)進(jìn)行分類管理,有利于系統(tǒng)硬件和軟件取用數(shù)據(jù),提升變電站安全運(yùn)維系統(tǒng)的運(yùn)行效率。

2 變電站安全運(yùn)維系統(tǒng)軟件設(shè)計

通過借鑒變電站的歷史運(yùn)維經(jīng)驗[6],確定變電站運(yùn)行過程中的安全運(yùn)維周期函數(shù),即:

f(x)=AiWiLi

(1)

式中:Ai表示安全運(yùn)維的比例函數(shù);Wi表示曲率函數(shù);Li表示變電站的運(yùn)維線路。

利用式(1)的周期函數(shù),構(gòu)建變電站安全運(yùn)維的目標(biāo)函數(shù),表示為:

(2)

式中:Ekt表示變電站k在t時段的個體維度;Rkt表示引力因子;xkt表示變電站k在t時段的安全運(yùn)維狀態(tài);T表示運(yùn)維周期;N表示周期總數(shù)。

在式(2)的目標(biāo)函數(shù)下,利用式(3)的約束條件對變電站安全運(yùn)維的時間進(jìn)行約束[7],得到:

(3)

式中:ek表示變電站k的初始運(yùn)維階段;lk表示最晚運(yùn)維階段。

此外,還需要對變電站安全運(yùn)維的順序進(jìn)行約束,約束條件表示為:

(4)

式中:Ti表示變電站i安全運(yùn)維的時間;xknt表示變電站kn在t階段的安全運(yùn)維狀態(tài);xit和xjt表示第i、j個變電站在t階段的安全運(yùn)維狀態(tài);k1,k2,…,kn表示同時參與安全運(yùn)維的變電站。

在式(3)和式(4)的約束條件下,構(gòu)建了變電站安全運(yùn)維模型,表示為:

(5)

式中:α表示優(yōu)化系數(shù)。

綜上所述,確定變電站運(yùn)行過程中的安全運(yùn)維周期函數(shù)之后,構(gòu)建了變電站安全運(yùn)維模型[8],實現(xiàn)了變電站安全運(yùn)維系統(tǒng)的設(shè)計。

3 系統(tǒng)測試

3.1 測試對象

為了驗證文中系統(tǒng)在實際應(yīng)用中的性能,選擇如圖2所示的巡檢機(jī)器人,以某變電站為例,完成其安全運(yùn)維任務(wù)。

圖2 巡檢機(jī)器人

圖2中的巡檢機(jī)器人主要依靠四輪差分移動平臺為其提供動力,在工作時可以準(zhǔn)確定位,頂部的云臺雙攝系統(tǒng)可以讓機(jī)器人在復(fù)雜的工作環(huán)境中完成運(yùn)維任務(wù)。

3.2 測試參數(shù)

借助Windows操作平臺和MATLAB軟件,設(shè)置了巡檢機(jī)器人的相關(guān)參數(shù),如表2所示。

表2 巡檢機(jī)器人的參數(shù)

表2中的巡檢機(jī)器人參數(shù)可以應(yīng)用在變電站運(yùn)行的各種狀態(tài)下,滿足變電站安全運(yùn)維系統(tǒng)測試的各項要求。

3.3 運(yùn)維測試

若不考慮變電站安全運(yùn)維過程中產(chǎn)生的間接成本,根據(jù)運(yùn)維成本數(shù)據(jù)計算出運(yùn)行維護(hù)人員的勞務(wù)成本,與采用基于巡檢機(jī)器人的運(yùn)維系統(tǒng)對比,結(jié)果如圖3所示。

圖3 運(yùn)維費用對比結(jié)果

根據(jù)圖3的結(jié)果可知,該變電站采用基于巡檢機(jī)器人的安全運(yùn)維系統(tǒng)后,其運(yùn)維人員的勞務(wù)成本優(yōu)化了34.9%,進(jìn)一步驗證了巡檢機(jī)器人在變電站安全運(yùn)維中的有效性。

4 結(jié)束語

將巡檢機(jī)器人應(yīng)用到變電站安全運(yùn)維系統(tǒng)設(shè)計中,不僅實現(xiàn)了變電站的安全運(yùn)維,還可以降低運(yùn)維費用,大大提高了運(yùn)維的經(jīng)濟(jì)性。在今后的研究中,還可引入機(jī)器視覺技術(shù),進(jìn)一步提高變電站安全運(yùn)維的準(zhǔn)確性。