陳波

摘? 要：隨著計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和設(shè)備技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代高壓輸變電工程的發(fā)展也越來越復(fù)雜化和規(guī)范。而使用傳統(tǒng)的操作、運(yùn)行和維護(hù)等方式，會(huì)使其面臨著新的挑戰(zhàn)，大量的子系統(tǒng)、設(shè)備部件如何進(jìn)一步適應(yīng)當(dāng)下的高壓電網(wǎng)運(yùn)行，如何減輕變電站值班人員的運(yùn)行和維護(hù)負(fù)擔(dān)，保證設(shè)備的可靠安全運(yùn)行，都是今后的主要問題。因此，該文對(duì)智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)在變電站中的應(yīng)用進(jìn)行了探討。

關(guān)鍵詞：智能巡檢機(jī)器人;變電站;計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP242? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

越來越多的變電站和電氣設(shè)備，隨著我國(guó)電力系統(tǒng)規(guī)模的擴(kuò)大而不斷擴(kuò)大。而在技術(shù)發(fā)展的同時(shí)，智能電網(wǎng)技術(shù)逐漸興起，變電站也逐步實(shí)現(xiàn)了少人或是無人值守。為了實(shí)現(xiàn)變電站開關(guān)、儀表等信息的遠(yuǎn)程采集，采用智能機(jī)器人取代人工巡檢，可以有效排除人工巡檢中的諸多不利因素，促進(jìn)電網(wǎng)穩(wěn)定、安全運(yùn)行，并為其提供堅(jiān)實(shí)的技術(shù)保障。

1 智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)

1.1 智能檢測(cè)機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

變電站智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)是一個(gè)具有系統(tǒng)和層次的分布式組織架構(gòu)。其中遠(yuǎn)程控制中心平臺(tái)為一級(jí)管理層，系統(tǒng)集成管理平臺(tái)是二級(jí)管理層，而該平臺(tái)的構(gòu)建模式是以智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)為背景，變電站其他第三方系統(tǒng)在電力通信協(xié)議下實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)和對(duì)接，智能巡檢機(jī)器人則在第三層。其可以通過與變電站自動(dòng)化系統(tǒng)和安全管理系統(tǒng)進(jìn)行連接的方式，實(shí)現(xiàn)變電站系統(tǒng)的綜合管理。

1.2 智能巡檢機(jī)器人

智能檢測(cè)機(jī)器人的信息采集終端配有高靈敏度傳感器、局部放電監(jiān)測(cè)儀、紫外攝像機(jī)、紅外熱像儀、高清可見光攝像機(jī)等設(shè)備，變電站的電力設(shè)備和電力環(huán)境的運(yùn)行狀態(tài)，由各種環(huán)境傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)。其主要功能包括3個(gè)。1） 可見光視頻分析功能，可以獨(dú)立讀取和識(shí)別各種開關(guān)、儀表和設(shè)備的狀態(tài)值，通過視頻分析出相關(guān)數(shù)據(jù)，而且在獨(dú)立操作中不受人工干擾，這時(shí)候的變電站可以說是真正意義上的無人值班。2）紅外萬能試驗(yàn)，紅外萬能試驗(yàn)是指基于紅外萬能試驗(yàn)技術(shù)的智能檢測(cè)機(jī)器人，在檢測(cè)過程中，對(duì)視覺范圍內(nèi)的所有設(shè)備的外部溫度場(chǎng)進(jìn)行全面掃描，并進(jìn)行溫度采集，紅外檢測(cè)和熱診斷帶電作業(yè)下的連續(xù)加熱設(shè)備，有效避免區(qū)域設(shè)備損壞。3）噪聲診斷，智能檢測(cè)機(jī)器人攜帶高靈敏度傳感器，采集主變、廠變、電抗器等電氣設(shè)備的音頻信息。此外，還采用國(guó)際先進(jìn)的語(yǔ)音識(shí)別技術(shù)和音頻降噪算法，提高了音頻信息識(shí)別的準(zhǔn)確性和可靠性，減少了環(huán)境噪聲的干擾，音頻數(shù)據(jù)通過軟件壓縮后傳輸?shù)胶笈_(tái)服務(wù)器進(jìn)行存儲(chǔ)、識(shí)別和分析[1]。

1.3 遠(yuǎn)程協(xié)助和監(jiān)測(cè)

智能巡檢機(jī)器人配備緊急廣播揚(yáng)聲器、緊急監(jiān)控麥克風(fēng)和雙向語(yǔ)音系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了后臺(tái)控制中心和開關(guān)柜室工作人員、操作現(xiàn)場(chǎng)的雙向?qū)χv，實(shí)現(xiàn)了對(duì)設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)的遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控。另外，可在電力通信網(wǎng)絡(luò)中依托綜合管理平臺(tái)傳輸音頻數(shù)據(jù)，連接不同層次的監(jiān)控平臺(tái)，形成快速、高效的遠(yuǎn)程專家指揮系統(tǒng)。在設(shè)備的維護(hù)、巡檢和操作期間，監(jiān)理人員可通過后臺(tái)遠(yuǎn)程監(jiān)控，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行指導(dǎo)、監(jiān)督。

2 巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的主要設(shè)計(jì)特點(diǎn)

2.1 人臉識(shí)別

變電站區(qū)域是不允許隨意出入的，屬于特殊環(huán)境。合法的人臉數(shù)據(jù)都在后臺(tái)專家數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)備案，現(xiàn)場(chǎng)對(duì)采集的視頻數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫(kù)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，如果數(shù)據(jù)匹配失敗，則自動(dòng)判定為異常情況，并及時(shí)報(bào)警。外部人員進(jìn)入變電站指定的區(qū)域工作時(shí)，機(jī)器人會(huì)自動(dòng)識(shí)別人員信息，防止非備案人員、不合格人員或人員隨意更換所造成的施工風(fēng)險(xiǎn)。對(duì)于站內(nèi)異常的人員通過人臉識(shí)別進(jìn)行判斷，同時(shí)也可以跟蹤其行為，從而避免非法人員進(jìn)入變電站造成風(fēng)險(xiǎn)威脅。

2.2 危險(xiǎn)區(qū)域識(shí)別

變電站通常根據(jù)危險(xiǎn)系數(shù)，將一些區(qū)域劃分為危險(xiǎn)區(qū)域和禁區(qū)。為避免發(fā)生安全事故，人員和其他異物不得隨意進(jìn)出。在變電站進(jìn)行作業(yè)、試驗(yàn)和施工時(shí)，指定作業(yè)區(qū)域外的作業(yè)人員的行為可以被機(jī)器人監(jiān)控，并做出判斷，依據(jù)情況發(fā)出相應(yīng)的安全警報(bào)，確保作業(yè)人員的人身安全。為防止第三方非法誤入，要實(shí)時(shí)監(jiān)控和識(shí)別禁區(qū)，并對(duì)異常入侵進(jìn)行識(shí)別、實(shí)施巡邏和定位等，機(jī)器人一旦發(fā)現(xiàn)有人闖出或闖入特定的識(shí)別區(qū)域，就會(huì)通過報(bào)警來警示人員，避免危險(xiǎn)發(fā)生。

2.3 操作核對(duì)

近些年，由于變電站的操作存在不當(dāng)或是缺陷的現(xiàn)象，很容易造成各類事故。傳統(tǒng)的操作通常是由2人完成，1人負(fù)責(zé)操作，1人負(fù)責(zé)監(jiān)控。很多變電站的工作都是在深夜進(jìn)行的，員工的操作很容易疏忽大意，因此常有事故發(fā)生。采用機(jī)器人操作監(jiān)控可以提高操作的可靠性和安全性。比較典型的是在操作臺(tái)上增加了“機(jī)器人確認(rèn)”的步驟，相關(guān)的還包括開關(guān)分合狀態(tài)檢查、操作后設(shè)備狀態(tài)檢查、人員確認(rèn)到位等。

2.4 應(yīng)急處理

當(dāng)將監(jiān)控后臺(tái)的指令下達(dá)到巡邏機(jī)器人或是巡邏機(jī)器人發(fā)現(xiàn)緊急情況后，在指定的應(yīng)急區(qū)域內(nèi)通過熱成像和高清視頻，將現(xiàn)場(chǎng)的情況第一時(shí)間反饋給運(yùn)行維護(hù)人員，通知他們來核查現(xiàn)場(chǎng)的異常情況。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)有煙霧時(shí)，檢測(cè)機(jī)器人可以通過紅外熱像儀來對(duì)煙霧位置進(jìn)行確定，并鎖定故障范圍，檢查其他相鄰設(shè)備的情況，實(shí)時(shí)記錄視頻并反饋現(xiàn)場(chǎng)情況。在鎖定事故現(xiàn)場(chǎng)后，通過專網(wǎng)將故障定位、事故信息等信息從本地綜合管理平臺(tái)發(fā)送到上級(jí)管理平臺(tái)，并利用巡邏機(jī)器人進(jìn)行信息交互和遠(yuǎn)程的音視頻傳輸，及時(shí)地將現(xiàn)場(chǎng)信息反饋至運(yùn)輸中心站。在此期間，運(yùn)維人員無需到達(dá)現(xiàn)場(chǎng)，就可以及時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)情況，并根據(jù)專業(yè)且客觀的判斷，及時(shí)制定解決方案，并遠(yuǎn)程組建網(wǎng)絡(luò)專家對(duì)事故進(jìn)行聯(lián)合分析，并結(jié)合事故情況對(duì)設(shè)備現(xiàn)存缺陷等進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，提高事故處理的專業(yè)性、科學(xué)性和高效性，確保運(yùn)行和維護(hù)人員、設(shè)備的安全。

3 變電站智能機(jī)器人巡檢系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.1 基站控制系統(tǒng)層

在機(jī)器人的操作中，機(jī)器人的動(dòng)作可以通過遙控來控制，也可以設(shè)定巡檢任務(wù)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的自動(dòng)巡檢，如果需要實(shí)時(shí)的圖像數(shù)據(jù)以及監(jiān)控功能，在機(jī)器人上安裝紅外熱像儀和可見光攝像機(jī)即可。機(jī)器人的內(nèi)部狀態(tài)信息可以通過后臺(tái)的顯示器看到，這樣可以有效監(jiān)控機(jī)器人的位置并控制其運(yùn)行狀態(tài)。在機(jī)器人的操作中，電子地圖、任務(wù)管理、工作系統(tǒng)等數(shù)據(jù)都存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫(kù)中，以備將來使用。

3.2 移動(dòng)站控制系統(tǒng)層

移動(dòng)站控制系統(tǒng)層主要包括檢測(cè)采集系統(tǒng)、電源系統(tǒng)、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、導(dǎo)航定位系統(tǒng)、主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等，采用Windows CE嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的全方位、多功能操作。定位系統(tǒng)由導(dǎo)航傳感器和定位傳感器組成，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控和控制機(jī)器人的位置。運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)包括電池和電源管理，可以控制機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器等部件，滿足機(jī)器人運(yùn)行的動(dòng)力需求。檢測(cè)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸和采集是通過攝像機(jī)和紅外熱像儀進(jìn)行的[2]。

3.3 其他功能設(shè)計(jì)

其他功能設(shè)計(jì)包括6個(gè)方面的內(nèi)容。1）信息交換和通信網(wǎng)絡(luò)功能。機(jī)器人與監(jiān)控后臺(tái)進(jìn)行雙向的信息交互，而監(jiān)控后臺(tái)與遠(yuǎn)程集中控制后臺(tái)進(jìn)行雙向信息交互，實(shí)現(xiàn)多平臺(tái)的信息交互，信息交互的內(nèi)容主要是機(jī)器人本體狀態(tài)數(shù)據(jù)和檢測(cè)數(shù)據(jù)。2）電池供電模式下自充電。電池電量報(bào)警時(shí)，機(jī)器人可配合室內(nèi)充電設(shè)備完成自充電。3）報(bào)警功能。具備對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析報(bào)警功能，報(bào)警發(fā)生時(shí)，遠(yuǎn)程傳輸信號(hào)和報(bào)警信息，并有明顯的聲光提示，可以手動(dòng)恢復(fù)或退出。4）測(cè)溫功能。能檢測(cè)站內(nèi)設(shè)備的溫度，并能根據(jù)相應(yīng)的規(guī)范要求，自動(dòng)分析判斷電壓加熱型和電流加熱型的故障或缺陷，并進(jìn)行預(yù)警。5）儀表讀數(shù)。對(duì)油位標(biāo)記的表盤數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取，并自動(dòng)判斷、記錄、報(bào)警，讀數(shù)的誤差<5%。6）噪聲識(shí)別。對(duì)設(shè)備運(yùn)行的噪聲進(jìn)行分析、采集、遠(yuǎn)傳。

4 智能機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)在變電站中的實(shí)際應(yīng)用

4.1 變電站智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)

變電站智能巡檢機(jī)器人應(yīng)用系統(tǒng)架構(gòu)主要包括遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、本地控制系統(tǒng)和車輛系統(tǒng)3個(gè)部分。車輛子系統(tǒng)覆蓋了包括高分辨率攝像機(jī)、視頻服務(wù)器、紅外攝像機(jī)、激光雷達(dá)等相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備。在操作臺(tái)上，操作人員對(duì)智能巡檢機(jī)器人的終端進(jìn)行控制和操作，在工作站中也安裝了本地的控制終端，整個(gè)檢測(cè)區(qū)域內(nèi)完整覆蓋無線網(wǎng)絡(luò)，在監(jiān)控終端與控制終端之間實(shí)現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)交互。同時(shí)，本地控制終端通過遠(yuǎn)程控制終端和硬件防火墻，將專用網(wǎng)絡(luò)與運(yùn)維站相連。

4.2 智能巡檢機(jī)器人無線網(wǎng)絡(luò)方案

根據(jù)檢查區(qū)域的大小，變電站的無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)置可以覆蓋一個(gè)或是多個(gè)無線接入點(diǎn)，為保證在正常情況下的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋良好，電壓等級(jí)為110 kV、220 kV、500 kV的變電站可采用一個(gè)無線接入點(diǎn)，等級(jí)為1 000 kV的，為保證變電站相應(yīng)的無線網(wǎng)絡(luò)無死角全覆蓋，可接入2個(gè)無線接入點(diǎn)。同時(shí)，智能控制機(jī)器人可由工業(yè)無線接入點(diǎn)作為客戶端接入，客戶端接入變電站無線接入點(diǎn)，機(jī)器人上的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過客戶端接入現(xiàn)場(chǎng)無線網(wǎng)絡(luò)。此外，無縫漫游功能可將巡邏區(qū)域內(nèi)多個(gè)接入點(diǎn)組合成無線網(wǎng)絡(luò)。此時(shí)，智能機(jī)器人可以在不切換網(wǎng)絡(luò)的情況下在任何地方進(jìn)行移動(dòng)。無線接入點(diǎn)在室外安裝，通過光纖與主控室的客戶端連接。通常情況下，變電站檢查區(qū)域的中心是無線網(wǎng)絡(luò)的接入點(diǎn)，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)明顯堵塞或檢查區(qū)域過大時(shí)，必須設(shè)置2個(gè)接入點(diǎn)。該區(qū)域可以分為2個(gè)平均的區(qū)域，將無線接入點(diǎn)置于每個(gè)區(qū)域的中心，以實(shí)現(xiàn)全面的區(qū)域覆蓋。

4.3 智能巡檢機(jī)器人集群控制網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

本地控制終端通過專用網(wǎng)絡(luò)和硬件防火墻連接到運(yùn)維站的遠(yuǎn)程控制后臺(tái)。變電站運(yùn)行維護(hù)人員可以通過后者提供的瀏覽器查看遠(yuǎn)程監(jiān)控后臺(tái)的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)可以是一個(gè)或多個(gè)站點(diǎn)的數(shù)據(jù)。當(dāng)同一個(gè)運(yùn)維站被多個(gè)平臺(tái)的本地控制終端同時(shí)連接時(shí)，可以采用星型的網(wǎng)絡(luò)連接方式，每個(gè)平臺(tái)的智能巡檢機(jī)器人由運(yùn)維站統(tǒng)一控制。

4.4 智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用

4.4.1 模式識(shí)別

智能機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)在變電站的實(shí)際應(yīng)用中，由于運(yùn)動(dòng)控制精度、導(dǎo)航對(duì)接精度等因素的影響，每次都難以準(zhǔn)確瞄準(zhǔn)目標(biāo)。監(jiān)測(cè)的實(shí)際結(jié)果根據(jù)觀測(cè)距離的差異，也會(huì)發(fā)生一定的變化，導(dǎo)致最終的結(jié)果準(zhǔn)確度很差。在這方面，配合機(jī)器人的監(jiān)控位置，采用模式識(shí)別算法來分離目標(biāo)并精確定位，以此來保證監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和可用性，保證監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的可用性和準(zhǔn)確性，為設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行提供更及時(shí)的數(shù)據(jù)支持和信息依據(jù)。

4.4.2 三維電子地圖

在變電站智能機(jī)器人檢測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，需要應(yīng)用其他相關(guān)技術(shù)來提高系統(tǒng)的性能和功能。例如，可以利用三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建變電站仿真模型。三維電子技術(shù)的應(yīng)用可以解決二維地圖的局限性，通過后臺(tái)可以更加準(zhǔn)確地定位巡邏地點(diǎn)。進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)曲線分析。在設(shè)備的實(shí)際運(yùn)行中，由于設(shè)備自身負(fù)載的不斷變化，可能會(huì)對(duì)設(shè)備的溫度產(chǎn)生影響。然而，設(shè)備的老化、缺陷等問題，難以用簡(jiǎn)單的溫度變化準(zhǔn)確的反映出來。如果設(shè)備實(shí)際運(yùn)行負(fù)荷與溫度變化有聯(lián)系，那么想要得到準(zhǔn)確的結(jié)果，就需要用2條曲線的變化來分析具體問題，并按照要求確定溫度變化是否是由環(huán)境變化引起，或者是否由設(shè)備本身的老化問題或缺陷引起[3]。

4.5 智能巡檢機(jī)器人的網(wǎng)絡(luò)安全防護(hù)

智能電網(wǎng)信息安全的重要性可想而知，而采用無線網(wǎng)絡(luò)連接的機(jī)器人，無法實(shí)現(xiàn)物理隔離，無法切斷網(wǎng)絡(luò)上的傳輸?；诖?，要確保機(jī)器人系統(tǒng)在最壞的情況下仍然能夠保證網(wǎng)絡(luò)的絕對(duì)安全，這就非常有必要設(shè)計(jì)一個(gè)專用的機(jī)器人應(yīng)用安全系統(tǒng)。本地控制終端和無線接入點(diǎn)采用的是WPA2安全模式，增強(qiáng)了無線網(wǎng)絡(luò)的安全性。本地控制端使用的是路由器，可以提供防范如ARP欺騙攻擊等多種攻擊防范技術(shù)，內(nèi)置高性能防火墻，可以防范大部分的網(wǎng)絡(luò)攻擊。與遠(yuǎn)程集中控制終端和本地控制終端通過專用網(wǎng)與硬件防火墻連接。此外，本地管理后臺(tái)嵌入式子系統(tǒng)之間的交互將受到軟件防火墻的保護(hù)，軟件防火墻通過Suro-OS-RT專有協(xié)議，對(duì)不符合通信協(xié)議的相應(yīng)數(shù)據(jù)包進(jìn)行隔離。即使攻擊者可以更改IP地址或MAC地址，也無法通過防火墻進(jìn)行驗(yàn)證。服務(wù)站后臺(tái)與本地控制終端為了進(jìn)一步保證網(wǎng)絡(luò)通信的安全，通過硬件防火墻進(jìn)行連接。當(dāng)智能巡檢機(jī)器人在網(wǎng)絡(luò)交互過程中顯示異常時(shí)，遠(yuǎn)程集中控制終端和本地控制終端會(huì)同時(shí)彈出窗口并報(bào)警。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著人工智能技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，機(jī)器人檢測(cè)已經(jīng)成為變電站智能化發(fā)展的重要方向。將來，機(jī)器人也將會(huì)在變電站的運(yùn)行維護(hù)方面發(fā)揮不可替代的作用。在變電站各種設(shè)備的檢測(cè)中，已經(jīng)逐步應(yīng)用機(jī)器人檢測(cè)技術(shù)，既彌補(bǔ)了人工檢測(cè)的某些盲點(diǎn)，又保證了檢測(cè)的智能性和靈活性，提高了檢測(cè)數(shù)據(jù)的真實(shí)性和可靠性。在變電站無人值守的情況下，變電站未來的發(fā)展方向具有廣闊的發(fā)展前景和應(yīng)用空間。

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