升压站智能巡检机器人系统的建立

升压站智能巡检机器人系统的建立

闫欣

阳城国际发电有限责任公司 山西省晋城市 048012

摘要：为了落实中国大唐集团公司二十五项反措要求及电力行业相关标准规程要求，加强现场设备运行状态监视水平，参数变化趋势记录分析能力，设备劣化分析深度，进一步提升电气设备安全管控水平，坚决防止发生重大设备损毁、人身伤亡事件，保障电力系统安全稳定运行和电力可靠供应。依据行业的要求及发展趋势，使用自动化机器人，加强电气设备的管控能力，提高现场的安全生产水平。

关键词：自动化巡检；机器人；电力；安全生产

1概述

电气设备因其自身容量大、效率高、电压高等特点，其故障发生多具有突然性，其危害多具有联锁性，仅此两条便可造成主设备的严重损毁，同时又可诱发机组非停、电网振荡等事故，事故现场的不可控性又可造成人员伤亡。虽然电气化已深入到千家万户，但普通人群对电气理论并不了解，电气设备事故现场的浓烟、弧光对此类人群的心理震撼较为强大，造成舆论压力高，社会恐慌传播快等不良影响。目前集团公司及行业制定了较为完善的标准及规程规定，但在执行层面，需要现场的工作人员加强设备的参数检测及记录工作，这些工作如果全部采用人工处理，存在工作量大，误差大等问题，同时人员经常深入高压设备区域，安全风险较大。故采用自动化机器人便可集约解决上述问题。

2设备现状及问题分析

厂内电气设备众多，共8台机组，总装机容量3300MW，附带500kV升压站、220kV变电站各一个，每台机组均有高压变压器及中压配电系统，其电压等级涵盖500kV、20kV、10kV、6kV、3kV。规模较大，设备较多，区域较为分散，其中500kV升压站配置开关16组，电流互感器16组，电压互感器13组，电抗器3组，开关、母线、线路、电抗器附带的刀闸数量众多。站内开关在同期时两端压差可达1000kV，极易发生绝缘击穿导致事故的发生。220kV变电站配置开关8组，电流互感器8组，电压互感器4组，开关、母线、线路、变压器附带的刀闸数量众多。

上述工作区域均不适合人员长期逗留。当前厂区电气设备状态监控均采用人工巡检方式，存在人员工作量大，检测设备数量少，夜间红外检测等重要工作无法大量开展的问题。

3建设目标和内容

3.1建设目标

定制自动化巡检机器人及其数据传输、处理系统，加强电气设备的管控能力，提高现场的安全生产水平。

3.2建设内容及系统功能

依据我厂电气设备特点，梳理集团公司及行业标准要求，先在500kV升压站、220kV变电站定制自动化巡检机器人及其后台处理系统，实现定时、定量检测现场设备参数；设备参数横向、纵向对比；设备劣化趋势评估功能，同时机器人具有自动、手动规划巡检路线、区域功能，机器人采用模块化设计，可自由组态巡检设备，实现视频监控、红外测温、间歇测量、振动测量、声波检测对比、自动避障等功能，自动导航及定位，巡检路线及区域、数据传输充电等均可自动完成。

4技术方案和技术路线

4.1系统架构

在500kV升压站、220kV变电站各安装一套集机器人本体系统、充电系统、通信系统、监控后台系统（两台机器人共用）等为一体的智能化巡检管理系统，建立一套全面的巡检方案，应用于500kV升压站、220kV变电站日常运维巡检。

机器人巡检过程通过客户端经服务器及无线通信网络控制，后台管理系统可生成大数据统计报表，辅助人工决策，也可以通过电厂专用网络接入电厂智能管理系统。

4.2系统配置

硬件配置：机器人采用模块化设计，其行走装置具有自主导航、自动定位、自动充电、自动避障功能；测量模块可自由组态，具有视频监控、红外测温、间隙测量、振动测量、音频检测对比等功能，并做到相关标准、规程升级带来的设备升级的能力。现场数据本地记录及实时上传功能。

软件配置：后台可自动接收并记录现场数据，具有数据对比，数据分析能力，其处理能力满足集团公司及行业标准要求。数据可传输至厂内指定系统，具有远程浏览，实时监控功能。

4.3实现功能

4.3.1机器人本体运行与人机交互功能

（1）双向语音、远程视频

双向语音对讲功能可实现现场辅助巡检人员与后台监控人员进行语音对讲，对现场情况进行沟通，是远程视频功能的有效补充。当机器人巡检现场发现异常并告警，运维人员到达现场进行故障检查或检修时，后台专业人员能通过可见光摄像实现远程视频和语音对讲，进行远程作业指导与监督。

（2）安全避障

在机器人行进的前后方均设置有超声避障传感器，传感器能检测200-4000mm范围内的障碍物，根据现场实际情况可设定检测范围，传感器检测盲区0-200mm，防护等级达到IP67，可在-20℃-70℃的环境中正常工作。主控系统通过对调理后的超声波传感器输出信号进行快速采样，并换算为距离障碍物的距离值。在机器人行驶过程中检测到障碍物距离低于设定值时，即产生紧急停止动作，并通过通讯系统将当前状态上报给监控后台,请求人工复检。

（3）复杂路径行驶

根据升压站实际布局，路径综合有上坡、转弯等情况，为了确保机器人在变电站上可以稳定、自主巡检，巡检机器人采用四轮驱动，确保机器人运行定位精确性的同时具备狭窄区域转弯功能。

（4）精确定位

根据实际巡检需求，巡检管理平台采用编码里程计、激光定位、智能巡线技术实现精确定位，定位精度可达10mm以内，满足实际应用需求。

安装调试期间，调试人员使用机器人搭载的激光发射仓，建立激光扫描地图，然后在后台控制系统中，大致确定机器人巡检路线；确定机器人大致巡检路线后，在升压站地面上添加标识线，智能巡线相机通过识别标示线，进一步增加机器人的定位精度，重复运行精度控制在10mm以内。如图4-3。

4.3.2机器人设备测控系统检测功能

（1）环境智能感知检测方案

智能化巡检管理系统采用模块化设计的微气象系统进行环境检测，传感器组件由温湿度传感器、风速传感器、气体传感器、光照度传感器和总线通讯电路等模块组成，传感器组件作为独立的模块，与主控系统进行通信，上报环境数据。

（2）视频监控

视频监控直观展示机器人当前巡检设备的实时图像，显示当前云台水平位置、垂直位置，可单图全屏放大、双击关闭全屏。

主要包括表计、状态指示、外观及辅助设施外观、升压站运行环境等巡检点、设备的实时温度等。

（3）红外测温

智能巡检机器人搭载红外热像仪，具备自动对焦功能。能够对站内设备进行温度检测，并实时显示影像中温度最高点区域及温度值能按照要求对电流致热型故障进行自动分析判断，并提出预警。

（4）设备外观、状态分析

机器人的视觉图像分析处理算法，除了可以对表计读数进行识别外，还可以根据现场情况进行定制其它几类场景的设备外观和状态的识别。主要是通过机器人的图像识别算法和大量的图片数据库资料进行分析，包括表盘模糊、表盘破损、外壳破损、绝缘子破裂、地面油污、硅胶筒破损、箱门闭合异常、挂空悬浮物、鸟巢、盖板破损、硅胶变色这些情况。

以上系统及其组成部分应在设计初期同步设计网络安防系统，网络安防系统应同步设计、同步施工、同步投入使用。

（5）音频采集与分析

设备运行时，发出的声音是平稳、轻快、均匀的，如果出现异常的声音，如尖叫、沉闷、摩擦、振动等刺耳的杂音，说明出现了故障。本方案主要采用声谱智能分析的方法对设备是否正常运行进行判断，主要通过现场音频信号采集与数据分析，建立样本库，当产生异响，智能识别系统会进行声谱分析与对比，判断音频是否为故障音频，当识别为故障音频时，机器人主动告警，电机运行声音采集。

（6）设备振动分析

设备振动数据对接：

设备运行会伴随着振动产生，其它机械设备一样，在运行中存在能量、热量、磨损、振动等物理和化学参数的变化，这些信息的变化直接或间接反应电动机的运行状况，分析设备的振动值能有效的诊断出设备的故障。

振动数据特征提取：

轴承的振动频率范围较宽，可从500Hz到15kHz，为了满足奈奎斯特采样的要求，需要以高于最高频率的2倍以上进行采样，本方案中采用44.1kHz采样频率，以1024个数据长度进行分帧、加窗并进行STFT（短时傅里叶变换）。

4.3.3后台智能化巡检管理功能

（1）智能自主告警

系统将可见光、红外、噪音等非接触式采集到的数据与对接的振动、油温数据，以及机器人自身状态监测等系统的各类传感器采集到的数据集中，系统以历史数据为基础，结合实时数据，实现智能告警检测算法，使告警更准确可信，降低对人员的依赖。

系统可对告警事件统一设定与管理，包括：告警阀值设定、告警生效设定、告警确认、告警定位、告警日志查询、告警日志导出、告警日志打印等。

系统支持二级告警：机器人本体级告警、监控后台级告警。机器人本体检测到设备异常时，会进行声、光报警，并将报警信息上报到监控后，联动监控后台进行声、光报警。监控后台对所有接入的数据采用智能告警检测算法进行检测，发现异常则进行声、光报警。

（2）大数据存储

机器人巡检时会产生各种格式、大小迥异的数据，比如：视频数据、音频数据、振动数据、抓拍图片等非结构化数据，以及温度、气体浓度等结构化数据。巡检数据需要进行实时展现、数据分析、历史检索/呈现；为满足以上需要，系统采用实时数据库、关系型数据库、文件数据库等多种存储系统进行结合，以达到高效存储、检索的目的。

系统使用文件数据库存放机器人采集到的各种非结构化数据，包括：视频数据、音频数据、振动数据、抓拍图片等；为了保证系统扩展性、开放性，对于视频数据采用标准H.264/H.265进行编码，以MP4等文件格式存放。对于音频数据采用PCM/AAC编码，以WAV等文件格式存放；并提供HTTP方式访问，以方便后续与其它系统集成、互通。

系统自主管理所有存储数据，为每类数据设置存储期限，系统自动删除过期数据，充分的利用系统存储空间。

（3）智能巡检管理

巡检机器人支持全自主和遥控巡检模式，全自主模式包括常规和特殊巡检两种方式。常规下，系统根据预先设定的巡检任务内容、时间、路径等参数信息，自主启动并完成巡视任务。特殊巡检由操作人员设定巡检点，机器人对巡检点自主完成巡检任务。遥控巡检模式由操作人员手动遥控机器人，完成巡检工作。

4.4主要创新点

模块化设计，可依据不同设备需要及相关标准、规程升级，更换测量模块。

巡检项目可参照集团公司及行业相关标准实现标准化、定量化、定时化、定制化。

后台处理目标依据电力行业标准，有针对性开发，其功能涵盖设备状态实时监控、运行参数比对、劣化分析。

网络安全系统同步设计、同步施工、同步投入使用。

5结论

自动化巡检机器人系统建成后，将实现定时、定量检测现场设备参数；设备参数横向、纵向对比；设备劣化趋势评估功能，机器人采用模块化设计，可自由组态巡检设备，实现视频监控、红外测温、间歇测量、震动测量、声波检测对比、自动避障等功能。可加强电气设备的管控能力，减少高危区域人员工作时间，提高现场的安全生产水平。

参考文献：

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