智能變電站巡檢機(jī)器人研制及應(yīng)用概要

智能變電站巡檢機(jī)器人研制及應(yīng)用周立輝1,張永生1,孫勇2,3,梁濤2,3,魯守銀2,3(1.浙江省電力公司金華電業(yè)局,浙江省金華市321000;2.國家電網(wǎng)公司電力機(jī)器人技術(shù)實驗室,山東省濟(jì)南市250002;3.山東電力研究院,山東省濟(jì)南市250002摘要:介紹了一種基于移動機(jī)器人的設(shè)備巡檢系統(tǒng)在智能變電站的應(yīng)用情況。該系統(tǒng)攜帶可見光攝像機(jī)、紅外熱像儀、拾音器等傳感器,基于磁軌跡實現(xiàn)最優(yōu)路徑規(guī)劃和雙向行走,以自主或遙控方式對站內(nèi)一次設(shè)備進(jìn)行巡檢,及時發(fā)現(xiàn)設(shè)備熱缺陷和外觀異常;通過圖像處理和模式識別,判別出開關(guān)和刀閘的分合狀態(tài),并在遙控或順序控制操作時,與智能變電站順控系統(tǒng)配合,代替人工實現(xiàn)被控設(shè)備位置的自動校核。現(xiàn)場實際應(yīng)用情況表明,移動式變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人為智能變電站或無人值守變電站的運行管理提供了一種創(chuàng)新型的設(shè)備檢測和監(jiān)控手段。關(guān)鍵詞:智能變電站;巡檢機(jī)器人;順序控制;磁軌跡;最優(yōu)路徑規(guī)劃收稿日期:2010-12-20;修回日期:2011-05-03。0引言變電站設(shè)備巡檢是有效保證變電站設(shè)備安全運行、提高供電可靠性的一項基礎(chǔ)工作,主要分為例行巡檢和特殊巡檢。例行巡檢每天至少2次;特殊巡檢一般在高溫天氣、大負(fù)荷運行、新投入設(shè)備運行前以及大風(fēng)、霧天、冰雪、冰雹、雷雨后進(jìn)行。此外,檢修人員還通過手持紅外熱像儀,一般每半個月一次對變電站設(shè)備進(jìn)行紅外測溫?，F(xiàn)有巡檢方式主要為人工巡視,手工或手持掌上電腦記錄,每次巡視時間在2h以上。中國地域遼闊,有很多變電站的地理條件十分惡劣,如高海拔、酷熱、極寒、大風(fēng)、沙塵、多雨等,只靠人工在室外進(jìn)行長時間的設(shè)備巡檢工作十分困難。人工巡檢存在勞動強(qiáng)度大、工作效率低、檢測質(zhì)量分散、管理成本高等明顯不足[1-3]。隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展,將機(jī)器人技術(shù)與電力應(yīng)用相結(jié)合,基于室外機(jī)器人移動平臺,攜帶檢測設(shè)備代替人工進(jìn)行設(shè)備巡檢成為可能。早在2002年,電力機(jī)器人技術(shù)實驗室在國家“863計劃”(2002AA420110-3的支持下,研發(fā)出第1代變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人[4-5]。該機(jī)器人攜帶可見光攝像機(jī)和紅外熱像儀等傳感器,沿一條閉合磁軌跡單向巡視,不支持雙向行走;作為一個獨立的巡檢系統(tǒng),也未實現(xiàn)與外部系統(tǒng)的接口;此外,該機(jī)器人在運行性能和可靠性等方面,還無法做到室外長時間的自主運行。經(jīng)過幾年的持續(xù)研究與改進(jìn),2010年實驗室又研發(fā)出第4代巡檢機(jī)器人,系統(tǒng)性能和可靠性顯著提高,采用百萬像素的網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī),重新設(shè)計了室外柔性充電機(jī)構(gòu),新增基于磁軌跡的最優(yōu)路徑規(guī)劃和雙向行走、自動配合遙控或順序控制操作進(jìn)行被控設(shè)備的位置校核、一個變電站雙機(jī)器人協(xié)同、與固定點視頻融合等功能。新一代巡檢機(jī)器人已成功應(yīng)用于浙江某500kV智能變電站改造項目。1變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人系統(tǒng)變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人基于自主導(dǎo)航、精確定位、自動充電的室外全天候移動平臺,集成可見光、紅外、聲音等傳感器;基于磁軌跡和路面特殊布置的無線射頻識別(RFID標(biāo)簽,實現(xiàn)巡檢機(jī)器人的最優(yōu)路徑規(guī)劃和雙向行走,將被檢測設(shè)備的視頻、聲音和紅外測溫數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控室;巡檢后臺系統(tǒng)通過設(shè)備圖像處理和模式識別等技術(shù),結(jié)合設(shè)備圖像紅外專家?guī)?實現(xiàn)對設(shè)備熱缺陷、分合狀態(tài)、外觀異常的判別,以及儀表讀數(shù)、油位計位置的識別;并配合智能變電站順控操作系統(tǒng)實現(xiàn)被控設(shè)備狀態(tài)的自動校核。1.1系統(tǒng)組成設(shè)備巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計為網(wǎng)絡(luò)分布式架構(gòu),如圖1所示。系統(tǒng)分為3層:基站層、通信層和終端層。基站層由監(jiān)控后臺組成,是整個巡檢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收、處理與展示中心,由數(shù)據(jù)庫(模型庫、歷史庫、實時庫、模型配置、設(shè)備接口(機(jī)器人通信接口、紅外熱像儀接口、遠(yuǎn)程控制接口等、數(shù)據(jù)處理(實時數(shù)據(jù)處理、事項報警服務(wù)、日志服務(wù)等、視圖展示(視頻視圖、電子地圖、事項查看等等模塊組成?；緦油ㄟ^圖像處理和模式識別等技術(shù),實現(xiàn)設(shè)備缺陷的自動識別和報警。—58—第35卷第19期2011年10月10日Vol.35No.19Oct.10,2011圖1變電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1Systemstructureofsubstationinspectionrobot通信層由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、無線網(wǎng)橋基站(固定在主控樓樓頂及無線網(wǎng)橋移動站(安裝在移動機(jī)器人上等設(shè)備組成,采用Wifi802.11n無線網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議,為站控層與終端層間的網(wǎng)絡(luò)通信提供透明的傳輸通道。終端層包括移動機(jī)器人、充電室和固定視頻監(jiān)測點。移動機(jī)器人與監(jiān)控后臺之間為無線通信,固定視頻監(jiān)測點與監(jiān)控后臺之間可采用光纖通信。充電室中安裝充電機(jī)構(gòu),機(jī)器人完成一次巡視任務(wù)后或電量不足時,自動返回充電室進(jìn)行充電。1.2主要功能1檢測功能:通過在線式紅外熱像儀檢測一次設(shè)備的熱缺陷,包括電流致熱型、電壓致熱型設(shè)備的本體及接頭的紅外測溫;通過在線式可見光攝像儀進(jìn)行一次設(shè)備的外觀檢查,包括破損、異物、銹蝕、松脫、漏油等;斷路器、刀閘的位置;表計讀數(shù)、油位計位置;通過音頻模式識別,分析一次設(shè)備的異常聲音等。2導(dǎo)航功能:按預(yù)先規(guī)劃的路線行駛,能動態(tài)調(diào)整車體姿態(tài);差速轉(zhuǎn)向,原地轉(zhuǎn)彎,轉(zhuǎn)彎半徑小;磁導(dǎo)航時超聲自動停障;最優(yōu)路徑規(guī)劃和雙向行走,指定觀測目標(biāo)后計算最佳行駛路線。3分析及報警:設(shè)備故障或缺陷的智能分析并自動報警;自動生成紅外測溫、設(shè)備巡視等報表,報表格式可由用戶定制,可通過IEC61850接口上送信息一體化平臺;按設(shè)備類別提供設(shè)備故障原因分析及處理方案的輔助系統(tǒng),提供設(shè)備紅外圖像庫,協(xié)助巡檢人員判別設(shè)備的故障。4控制功能:設(shè)備巡檢人員可在監(jiān)控后臺進(jìn)行巡視;可對車體、云臺、紅外及可見光攝像儀進(jìn)行手動控制;實現(xiàn)變電站設(shè)備巡檢的本地及遠(yuǎn)方控制;與順序控制系統(tǒng)相結(jié)合,代替人工實現(xiàn)開關(guān)、刀閘操作后位置的校核。5特殊巡視:當(dāng)因天氣惡劣或設(shè)備附近存在安全隱患等原因,運行人員不便靠近該設(shè)備時,機(jī)器人可代替運行人員到達(dá)指定設(shè)備的觀測位置,運行人員在后臺通過調(diào)整機(jī)器人云臺位置對準(zhǔn)被觀測設(shè)備進(jìn)行檢測。6固定視頻點接入:設(shè)備巡檢機(jī)器人系統(tǒng)還可接入變電站的固定視頻監(jiān)測點,覆蓋機(jī)器人無法到達(dá)的觀測死角,實現(xiàn)全站的視頻監(jiān)測。7與外部系統(tǒng)接口:與變電站綜合自動化系統(tǒng)接口,獲取設(shè)備實時負(fù)荷電流進(jìn)行設(shè)備溫升分析;作為IEC61850服務(wù)端與綜合自動化或智能變電站信息一體化系統(tǒng)接口,配合遙控或順序控制進(jìn)行被控設(shè)備的位置校核。與生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)(MIS接口,上送紅外測溫和設(shè)備外觀異常信息。2變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)2.1基于磁導(dǎo)航的最優(yōu)路徑規(guī)劃和雙向行走文獻(xiàn)[6]提出一種巡檢機(jī)器人尋跡方案,先利用全球定位系統(tǒng)(GPS粗定位(約3m,再由光電傳感器、電感式接近開關(guān)、光電編碼器探測軌跡中的金屬信號源,實現(xiàn)精確定位。但GPS信號在變電站易受干擾,機(jī)器人在高壓設(shè)備區(qū)接收不到GPS信號。目前,磁導(dǎo)航(路面磁軌跡結(jié)合RFID標(biāo)簽定位是應(yīng)用于變電站室外強(qiáng)電磁環(huán)境、全天候條件下的最為可靠的一種導(dǎo)航定位方式,定位精度在2cm以內(nèi)。與GPS坐標(biāo)式導(dǎo)航方式不同,采用磁導(dǎo)航時無法得到機(jī)器人的位置坐標(biāo),通常機(jī)器人只能沿一條閉合路徑單向行走,可以實現(xiàn)基本的設(shè)備巡檢功能。為通過機(jī)器人實現(xiàn)智能變電站中遙控或順序控制的位置校核,機(jī)器人要從當(dāng)前位置沿最優(yōu)路徑迅速運動到被控設(shè)備的觀測位置,下面設(shè)計了一種基于磁軌跡實現(xiàn)最優(yōu)路徑規(guī)劃和雙向行走的解決方案并成功通過變電站現(xiàn)場的實際驗證。2.1.1磁軌跡與RFID標(biāo)簽的布置變電站內(nèi)磁軌跡和RFID標(biāo)簽的布置方式如圖2所示。磁軌跡敷設(shè)在道路中間,?？繖z測點的—68—2011,35(19RFID標(biāo)簽埋設(shè)在磁軌跡的右側(cè)(相距約20cm。如機(jī)器人只沿一個閉合路徑單向行走,則每個路口只需安置1個RFID標(biāo)簽。為實現(xiàn)機(jī)器人雙向行走,需要根據(jù)路口類型埋設(shè)多個RFID標(biāo)簽。由于機(jī)器人識別到RFID標(biāo)簽后進(jìn)行平穩(wěn)停車時有一定的停車距離(約20cm,所以在所有路口以路口交叉點為基準(zhǔn),在機(jī)器人的每個方向沿磁軌跡駛向路口交叉點的右側(cè),埋設(shè)路口標(biāo)示點RFID標(biāo)簽(橫向距磁軌跡約20cm,縱向距道路中心點約50cm,路口標(biāo)示點RFID標(biāo)簽的埋設(shè)數(shù)量分別為:拐彎處2個,丁字路口3個,十字路口4個。移動機(jī)器人底部的左右兩側(cè)對稱安裝2個RFID讀卡器,這樣機(jī)器人行駛過程中讀到任一RFID標(biāo)簽時,均能識別出自身的位置和行走的方向。圖2磁軌跡與RFID標(biāo)簽布置示意圖Fig.2SchematicdiagramofmagneticpathandRFIDtags2.1.2磁軌跡與RFID標(biāo)簽?zāi)Ｐ团渲煤鸵?guī)劃算法采用全局路徑規(guī)劃中的拓?fù)浞▽ρ惨暤缆愤M(jìn)行建模。根據(jù)RFID標(biāo)簽的連通性建立拓?fù)渚W(wǎng)狀圖,為簡化計算,路口多個RFID標(biāo)簽先合并為圖中的一個節(jié)點,磁軌跡作為圖中的一條邊。通過對節(jié)點和邊的遍歷,計算2個節(jié)點間的最短連通路徑,再轉(zhuǎn)換到以RFID標(biāo)簽序列標(biāo)示的行駛路線,在每個路口RFID標(biāo)簽,根據(jù)路徑連通性,計算出機(jī)器人的轉(zhuǎn)動角度。2.2順序控制的位置校核2.2.1順序控制順序控制是指自動完成相關(guān)運行方式變化要求的一系列設(shè)備操作,是智能變電站在數(shù)字化變電站基礎(chǔ)上擴(kuò)展的一項重要功能。在對開關(guān)或刀閘進(jìn)行操作時,巡檢機(jī)器人可代替人工,按自動規(guī)劃出的最優(yōu)路徑移動到目標(biāo)設(shè)備的監(jiān)測位置,通過所攜帶的可見光攝像機(jī)或紅外熱像儀抓取設(shè)備圖像,并對設(shè)備圖像進(jìn)行圖像處理和模式識別,識別出開關(guān)或刀閘的當(dāng)前位置,從而實現(xiàn)被控設(shè)備控前及控后位置的校核,在站內(nèi)和遠(yuǎn)端實現(xiàn)可視化操作,滿足無人值班及區(qū)域監(jiān)控中心站管理模式的要求。巡檢機(jī)器人與順序控制系統(tǒng)的交互過程如圖3所示。圖3與順序控制系統(tǒng)的交互步驟Fig.3Interactivestepswithsequencecontrolsystem2.2.2支持順序控制的IEC61850接口在機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的IEC61850智能電子設(shè)備(IED模型中,創(chuàng)建變電站內(nèi)所有需要控制的開關(guān)、刀閘設(shè)備的邏輯節(jié)點(即邏輯節(jié)點CSWI,機(jī)器人對開關(guān)進(jìn)行模式識別的結(jié)果通過邏輯節(jié)點GGIO的Ind數(shù)據(jù)點組織成信息報告發(fā)送給信息一體化平臺,Ind采用SPS單點遙信,上送的數(shù)據(jù)為遙控結(jié)果(用布爾量表示:1表示成功(控分且識別的結(jié)果為分,控合且識別的結(jié)果為合,0表示失敗(控分未分到位,控合未合到位;另外,在失敗時以報告的形式發(fā)送告警信號。如圖4所示,巡檢機(jī)器人后臺與信息一體化平臺順序控制系統(tǒng)服務(wù)器配合校驗的過程,與IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中控制信息模型中帶增強(qiáng)安全的操作前選擇模型一致,可以用IEC61850中定義的控制操作和信息報告來完成上述交互過程。當(dāng)順序控制系統(tǒng)遙控站內(nèi)的某個設(shè)備時,在向該開關(guān)發(fā)送正常遙控命令的同時,也給巡檢機(jī)器人IED模型中的設(shè)備節(jié)點發(fā)送遙控命令。3變電站現(xiàn)場應(yīng)用情況浙江某500kV變電站(南北約300m,東西約200m配置2臺巡檢機(jī)器人,500kV區(qū)1臺,220kV和35kV區(qū)1臺,每臺機(jī)器人1個充電室,如圖5所示。2臺機(jī)器人一般分區(qū)巡視,需要時也可跨區(qū)巡視。2個區(qū)域的巡視道路總長約5km,以RFID標(biāo)簽標(biāo)示的路口有50多個;以RFID標(biāo)簽標(biāo)示的機(jī)器人?？奎c近300個;設(shè)備觀測位置約1200個(平均—78—·新技術(shù)新產(chǎn)品·周立輝,等智能變電站巡檢機(jī)器人研制及應(yīng)用圖4順序控制的IEC61850接口Fig.4IEC61850interfaceofsequencecontrol圖5機(jī)器人現(xiàn)場巡檢路線示意圖Fig.5Schematicdiagramofpatrollingpathofmobilerobot在每個?？奎c觀測附近的4個設(shè)備。500kV區(qū)全任務(wù)巡檢約70min,220kV和35kV區(qū)全任務(wù)巡檢約150min。每天上午、下午、晚上定時執(zhí)行3次巡檢任務(wù),巡檢任務(wù)執(zhí)行結(jié)束后,機(jī)器人返回充電室自主充電。如機(jī)器人接收到順序控制系統(tǒng)的遙控操作命令,將停止充電或正進(jìn)行的巡檢任務(wù),根據(jù)被控設(shè)備的觀測位置,計算出最佳行駛路徑并直接運動到被控設(shè)備的預(yù)定觀測位置進(jìn)行檢測。機(jī)器人現(xiàn)場配合測試順序控制操作票200余張,設(shè)備位置識別成功率達(dá)98%以上。現(xiàn)場應(yīng)用情況見附錄A圖A1~圖A3。4結(jié)語本文介紹了設(shè)備巡檢機(jī)器人在智能變電站的典型應(yīng)用模式,該機(jī)器人基于室外全自主移動平臺和磁軌跡導(dǎo)航,實現(xiàn)了最優(yōu)路徑規(guī)劃和雙向行走,可以取代或輔助變電站運行人員進(jìn)行日常的設(shè)備巡檢、紅外測溫等工作;巡檢機(jī)器人還能代替人工配合順序控制系統(tǒng)實現(xiàn)被控設(shè)備位置的自動校核。通過巡檢機(jī)器人可實現(xiàn)變電站設(shè)備巡檢的無紙化和信息化,切實提高設(shè)備巡檢的工作效率和質(zhì)量,降低變電站運行人員的勞動強(qiáng)度和工作風(fēng)險,為智能變電站或無人值守變電站的運行管理提供了一種創(chuàng)新型的設(shè)備檢測和監(jiān)控手段。附錄見本刊網(wǎng)絡(luò)版(/aeps/ch/index.aspx。參考文獻(xiàn)[1]陳啟卷,毛慧和,肖志懷,等.便攜式電力設(shè)備巡檢裝置[J].電力系統(tǒng)自動化,2001,25(2:61-63.CHENQijuan,MAOHuihe,XIAOZhihuai,etal.Portableinspectiontourinstallationofpowerequipment[J].AutomationofElectricPowerSystems,2001,25(2:61-63.[2]沈祥,祝項英,金乃正.無人值班變電站遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動化,2004,28(2:89-90.SHENXiang,ZHUXiangying,JINNaizheng.Designandapplicationforunmannedsubstationremotemonitoringandcontrolsystem[J].AutomationofElectricPowerSystems,2004,28(2:89-90.[3]張喜平.變電站遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗[J].電力系統(tǒng)自動化,2005,29(16:97-99.ZHANGXiping.Constructingexperienceforsubstationremoteimagemonitoringandcontrolsystem[J].AutomationofElectricPowerSystems,2005,29(16:97-99.[4]魯守銀,錢慶林,張斌,等.變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人的研制[J].電力系統(tǒng)自動化,2006,30(13:94-98.LUShouyin,QIANQinglin,ZHANGBin,etal.Developmentofamobilerobotforsubstationequipmentinspection[J].AutomationofElectricPowerSystems,2006,30(13:94-98.[5]李向東,魯守銀,王宏,等.一種智能巡檢機(jī)器人的體系結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計[J].機(jī)器人,2005,27(6:502-506.LIXiangdong,LUShouyin,WANGHong,etal.Designandanalysisonthearchitectureofanintelligentiterativeinspectionrobot[J].Robot,2005,27(6:502-506.[6]王建元,王嫻,陳永輝,等.基于圖論的電力巡檢機(jī)器人智能尋跡方案[J].電力系統(tǒng)自動化,2007,31(9:78-80.WANGJianyuan,WANGXian,CHENYonghui,etal.Anintelligentpatrollingrobotaddressingprogrambasedongraphmethod[J].AutomationofElectricPowerSystems,2007,31(9:78-80.周立輝(1978—,男,高級工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)變電運行維護(hù)與管理。張永生(1967—,男,碩士,高級工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)變電運行維護(hù)與管理。孫勇(1969—,男,通信作者,碩士,高級工程師,主要研究方向:電力系統(tǒng)自動化、電力特種機(jī)器人。E-mail:suny@(下轉(zhuǎn)第96頁continuedonpage96—88—2011,35(19[5]宋述波,袁鵬,吳宏波.貴廣直流系統(tǒng)無功功率控制小結(jié)[J].繼電器,2007,35(11:69-71.SONGShubo,YUANPeng,WUHongbo.SummaryofthereactivepowerscontrolinGui-GuangHVDC[J].Relay,2007,35(11:69-71.[6]張志朝,汪洋,周翔勝.云廣±800kV直流系統(tǒng)濾波器組投切控制策略優(yōu)化[J].南方電網(wǎng)技術(shù),2010,4(4:40-43.ZHANGZhichao,WANGYang,ZHOUXiangsheng.OptimizationofswitchingcontrolforACfiltergroupsinYunnan-Guangdong±800kVDCsystem[J].SouthernPowerSystemTechnology,2010,4(4:40-43.[7]胡銘,田杰,曹冬明.特高壓直流輸電控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)配置分析[J].電力系統(tǒng)自動化,2008,32(24:88-91.HUMing,TIANJie,CAODongming.AnalysisofstructureandconfigurationforUHVDCtransmissioncontrolsystem[J].AutomationofElectricPowerSystems,2008,32(24:88-91.[8]周君文,劉濤,李少華.云廣特高壓工程控制系統(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