智能變電站巡檢機器人研制及應用概要

智能變電站巡檢機器人研制及應用周立輝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.國家電網公司電力機器人技術實驗室,山東省濟南市250002;3.山東電力研究院,山東省濟南市250002摘要:介紹了一種基于移動機器人的設備巡檢系統在智能變電站的應用情況。該系統攜帶可見光攝像機、紅外熱像儀、拾音器等傳感器,基于磁軌跡實現最優(yōu)路徑規(guī)劃和雙向行走,以自主或遙控方式對站內一次設備進行巡檢,及時發(fā)現設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配合,代替人工實現被控設備位置的自動校核?，F場實際應用情況表明,移動式變電站設備巡檢機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)新型的設備檢測和監(jiān)控手段。關鍵詞:智能變電站;巡檢機器人;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引言變電站設備巡檢是有效保證變電站設備安全運行、提高供電可靠性的一項基礎工作,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、大負荷運行、新投入設備運行前以及大風、霧天、冰雪、冰雹、雷雨后進行。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備進行紅外測溫?，F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、沙塵、多雨等,只靠人工在室外進行長時間的設備巡檢工作十分困難。人工巡檢存在勞動強度大、工作效率低、檢測質量分散、管理成本高等明顯不足[1-3]。隨著機器人技術的快速發(fā)展,將機器人技術與電力應用相結合,基于室外機器人移動平臺,攜帶檢測設備代替人工進行設備巡檢成為可能。早在2002年,電力機器人技術實驗室在國家“863計劃”(2002AA420110-3的支持下,研發(fā)出第1代變電站設備巡檢機器人[4-5]。該機器人攜帶可見光攝像機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,也未實現與外部系統的接口;此外,該機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。經過幾年的持續(xù)研究與改進,2010年實驗室又研發(fā)出第4代巡檢機器人,系統性能和可靠性顯著提高,采用百萬像素的網絡高清攝像機,重新設計了室外柔性充電機構,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行被控設備的位置校核、一個變電站雙機器人協同、與固定點視頻融合等功能。新一代巡檢機器人已成功應用于浙江某500kV智能變電站改造項目。1變電站設備巡檢機器人系統變電站設備巡檢機器人基于自主導航、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標簽,實現巡檢機器人的最優(yōu)路徑規(guī)劃和雙向行走,將被檢測設備的視頻、聲音和紅外測溫數據通過無線網絡傳輸到監(jiān)控室;巡檢后臺系統通過設備圖像處理和模式識別等技術,結合設備圖像紅外專家?guī)?實現對設備熱缺陷、分合狀態(tài)、外觀異常的判別,以及儀表讀數、油位計位置的識別;并配合智能變電站順控操作系統實現被控設備狀態(tài)的自動校核。1.1系統組成設備巡檢機器人系統設計為網絡分布式架構,如圖1所示。系統分為3層:基站層、通信層和終端層?；緦佑杀O(jiān)控后臺組成,是整個巡檢系統的數據接收、處理與展示中心,由數據庫(模型庫、歷史庫、實時庫、模型配置、設備接口(機器人通信接口、紅外熱像儀接口、遠程控制接口等、數據處理(實時數據處理、事項報警服務、日志服務等、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,實現設備缺陷的自動識別和報警?！?8—第35卷第19期2011年10月10日Vol.35No.19Oct.10,2011圖1變電站巡檢機器人系統結構圖Fig.1Systemstructureofsubstationinspectionrobot通信層由網絡交換機、無線網橋基站(固定在主控樓樓頂及無線網橋移動站(安裝在移動機器人上等設備組成,采用Wifi802.11n無線網絡傳輸協議,為站控層與終端層間的網絡通信提供透明的傳輸通道。終端層包括移動機器人、充電室和固定視頻監(jiān)測點。移動機器人與監(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構,機器人完成一次巡視任務后或電量不足時,自動返回充電室進行充電。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備的熱缺陷,包括電流致熱型、電壓致熱型設備的本體及接頭的紅外測溫;通過在線式可見光攝像儀進行一次設備的外觀檢查,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、油位計位置;通過音頻模式識別,分析一次設備的異常聲音等。2導航功能:按預先規(guī)劃的路線行駛,能動態(tài)調整車體姿態(tài);差速轉向,原地轉彎,轉彎半徑小;磁導航時超聲自動停障;最優(yōu)路徑規(guī)劃和雙向行走,指定觀測目標后計算最佳行駛路線。3分析及報警:設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;按設備類別提供設備故障原因分析及處理方案的輔助系統,提供設備紅外圖像庫,協助巡檢人員判別設備的故障。4控制功能:設備巡檢人員可在監(jiān)控后臺進行巡視;可對車體、云臺、紅外及可見光攝像儀進行手動控制;實現變電站設備巡檢的本地及遠方控制;與順序控制系統相結合,代替人工實現開關、刀閘操作后位置的校核。5特殊巡視:當因天氣惡劣或設備附近存在安全隱患等原因,運行人員不便靠近該設備時,機器人可代替運行人員到達指定設備的觀測位置,運行人員在后臺通過調整機器人云臺位置對準被觀測設備進行檢測。6固定視頻點接入:設備巡檢機器人系統還可接入變電站的固定視頻監(jiān)測點,覆蓋機器人無法到達的觀測死角,實現全站的視頻監(jiān)測。7與外部系統接口:與變電站綜合自動化系統接口,獲取設備實時負荷電流進行設備溫升分析;作為IEC61850服務端與綜合自動化或智能變電站信息一體化系統接口,配合遙控或順序控制進行被控設備的位置校核。與生產管理信息系統(MIS接口,上送紅外測溫和設備外觀異常信息。2變電站設備巡檢機器人系統的關鍵技術2.1基于磁導航的最優(yōu)路徑規(guī)劃和雙向行走文獻[6]提出一種巡檢機器人尋跡方案,先利用全球定位系統(GPS粗定位(約3m,再由光電傳感器、電感式接近開關、光電編碼器探測軌跡中的金屬信號源,實現精確定位。但GPS信號在變電站易受干擾,機器人在高壓設備區(qū)接收不到GPS信號。目前,磁導航(路面磁軌跡結合RFID標簽定位是應用于變電站室外強電磁環(huán)境、全天候條件下的最為可靠的一種導航定位方式,定位精度在2cm以內。與GPS坐標式導航方式不同,采用磁導航時無法得到機器人的位置坐標,通常機器人只能沿一條閉合路徑單向行走,可以實現基本的設備巡檢功能。為通過機器人實現智能變電站中遙控或順序控制的位置校核,機器人要從當前位置沿最優(yōu)路徑迅速運動到被控設備的觀測位置,下面設計了一種基于磁軌跡實現最優(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場的實際驗證。2.1.1磁軌跡與RFID標簽的布置變電站內磁軌跡和RFID標簽的布置方式如圖2所示。磁軌跡敷設在道路中間,?？繖z測點的—68—2011,35(19RFID標簽埋設在磁軌跡的右側(相距約20cm。如機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標簽。為實現機器人雙向行走,需要根據路口類型埋設多個RFID標簽。由于機器人識別到RFID標簽后進行平穩(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,在機器人的每個方向沿磁軌跡駛向路口交叉點的右側,埋設路口標示點RFID標簽(橫向距磁軌跡約20cm,縱向距道路中心點約50cm,路口標示點RFID標簽的埋設數量分別為:拐彎處2個,丁字路口3個,十字路口4個。移動機器人底部的左右兩側對稱安裝2個RFID讀卡器,這樣機器人行駛過程中讀到任一RFID標簽時,均能識別出自身的位置和行走的方向。圖2磁軌跡與RFID標簽布置示意圖Fig.2SchematicdiagramofmagneticpathandRFIDtags2.1.2磁軌跡與RFID標簽模型配置和規(guī)劃算法采用全局路徑規(guī)劃中的拓撲法對巡視道路進行建模。根據RFID標簽的連通性建立拓撲網狀圖,為簡化計算,路口多個RFID標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,再轉換到以RFID標簽序列標示的行駛路線,在每個路口RFID標簽,根據路徑連通性,計算出機器人的轉動角度。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運行方式變化要求的一系列設備操作,是智能變電站在數字化變電站基礎上擴展的一項重要功能。在對開關或刀閘進行操作時,巡檢機器人可代替人工,按自動規(guī)劃出的最優(yōu)路徑移動到目標設備的監(jiān)測位置,通過所攜帶的可見光攝像機或紅外熱像儀抓取設備圖像,并對設備圖像進行圖像處理和模式識別,識別出開關或刀閘的當前位置,從而實現被控設備控前及控后位置的校核,在站內和遠端實現可視化操作,滿足無人值班及區(qū)域監(jiān)控中心站管理模式的要求。巡檢機器人與順序控制系統的交互過程如圖3所示。圖3與順序控制系統的交互步驟Fig.3Interactivestepswithsequencecontrolsystem2.2.2支持順序控制的IEC61850接口在機器人巡檢系統的IEC61850智能電子設備(IED模型中,創(chuàng)建變電站內所有需要控制的開關、刀閘設備的邏輯節(jié)點(即邏輯節(jié)點CSWI,機器人對開關進行模式識別的結果通過邏輯節(jié)點GGIO的Ind數據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,上送的數據為遙控結果(用布爾量表示:1表示成功(控分且識別的結果為分,控合且識別的結果為合,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,巡檢機器人后臺與信息一體化平臺順序控制系統服務器配合校驗的過程,與IEC61850標準中控制信息模型中帶增強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。當順序控制系統遙控站內的某個設備時,在向該開關發(fā)送正常遙控命令的同時,也給巡檢機器人IED模型中的設備節(jié)點發(fā)送遙控命令。3變電站現場應用情況浙江某500kV變電站(南北約300m,東西約200m配置2臺巡檢機器人,500kV區(qū)1臺,220kV和35kV區(qū)1臺,每臺機器人1個充電室,如圖5所示。2臺機器人一般分區(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標簽標示的路口有50多個;以RFID標簽標示的機器人?？奎c近300個;設備觀測位置約1200個(平均—78—·新技術新產品·周立輝,等智能變電站巡檢機器人研制及應用圖4順序控制的IEC61850接口Fig.4IEC61850interfaceofsequencecontrol圖5機器人現場巡檢路線示意圖Fig.5Schematicdiagramofpatrollingpathofmobilerobot在每個?？奎c觀測附近的4個設備。500kV區(qū)全任務巡檢約70min,220kV和35kV區(qū)全任務巡檢約150min。每天上午、下午、晚上定時執(zhí)行3次巡檢任務,巡檢任務執(zhí)行結束后,機器人返回充電室自主充電。如機器人接收到順序控制系統的遙控操作命令,將停止充電或正進行的巡檢任務,根據被控設備的觀測位置,計算出最佳行駛路徑并直接運動到被控設備的預定觀測位置進行檢測。機器人現場配合測試順序控制操作票200余張,設備位置識別成功率達98%以上。現場應用情況見附錄A圖A1~圖A3。4結語本文介紹了設備巡檢機器人在智能變電站的典型應用模式,該機器人基于室外全自主移動平臺和磁軌跡導航,實現了最優(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行日常的設備巡檢、紅外測溫等工作;巡檢機器人還能代替人工配合順序控制系統實現被控設備位置的自動校核。通過巡檢機器人可實現變電站設備巡檢的無紙化和信息化,切實提高設備巡檢的工作效率和質量,降低變電站運行人員的勞動強度和工作風險,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)新型的設備檢測和監(jiān)控手段。附錄見本刊網絡版(/aeps/ch/index.aspx。參考文獻[1]陳啟卷,毛慧和,肖志懷,等.便攜式電力設備巡檢裝置[J].電力系統自動化,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.無人值班變電站遠方監(jiān)控系統的設計和應用[J].電力系統自動化,2004,28(2:89-90.SHENXiang,ZHUXiangying,JINNaizheng.Designandapplicationforunmannedsubstationremotemonitoringandcontrolsystem[J].AutomationofElectricPowerSystems,2004,28(2:89-90.[3]張喜平.變電站遠程圖像監(jiān)控系統建設經驗[J].電力系統自動化,2005,29(16:97-99.ZHANGXiping.Constructingexperienceforsubstationremoteimagemonitoringandcontrolsystem[J].AutomationofElectricPowerSystems,2005,29(16:97-99.[4]魯守銀,錢慶林,張斌,等.變電站設備巡檢機器人的研制[J].電力系統自動化,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.一種智能巡檢機器人的體系結構分析和設計[J].機器人,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器人智能尋跡方案[J].電力系統自動化,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:電力系統變電運行維護與管理。張永生(1967—,男,碩士,高級工程師,主要研究方向:電力系統變電運行維護與管理。孫勇(1969—,男,通信作者,碩士,高級工程師,主要研究方向:電力系統自動化、電力特種機器人。E-mail:suny@(下轉第96頁continuedonpage96—88—2011,35(19[5]宋述波,袁鵬,吳宏波.貴廣直流系統無功功率控制小結[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直流系統濾波器組投切控制策略優(yōu)化[J].南方電網技術,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結構配置分析[J].電力系統自動化,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功能分布研究[J].電力系統保護與控制,2009,37(10:70-75.ZHOUJunwen,LIUTao,LIShaohua.ResearchoncontrolfunctionsinUHVDCsystem[J].PowerSystemProtectionandControl,2009,37(10:70-75.劉茂濤(1986—,男,通信作者,助理工程師,主要研究方向:特高壓直流輸電系統。E-mail:huanghemaotao@163.com張志朝(1980—,男,碩士研究生,工程師,主要研究方向:特高壓直流輸電系統。宋述波(1977—,男,碩士研究生,高級工程師,主要研究方向:特高壓直流輸電系統。ImprovementofReactivePowerBackupControlinYunnan-Guangdong±800kVUHVDCSystemLIUMaotao,ZHANGZhichao,SONGShubo,WANGYang(GuangzhouBureauofCSGEHVPowerTransmissionCompany,Guangzhou510405,ChinaAbstract:Asanimportantfunctionofthehighvoltagedirectcurrent(HVDCtransmissionsystem,thereactivepowercontrolfunctionisusedinYunnan-Guangdong±800kVultra-highvoltagedirectcurrent(UHVDCtransmissionsystemjustlikeinthetraditionalHVDCsystem.Inaddition,thereactivepowerbackupcontrolfunctionisusedintheUHVDCsystemasasupplement.Thecontrolstrategyandrealizingmethodofreactivepowerbackupcontrolfunctionareanalyzed.Itispointedoutthatwhenthecontrol-buscommunicationofboththepolecontrolandtheDCstationcontrolbecomesfaulty,thereactivepowerbackupcontrolfunctionisfounddefective.AnimprovementproposalismadeandappliedonthespotintheYunnan-Guangdong±800kVUHVDCtransmissionsystem.Keywords:ultra-highvoltagedirectcurrent(UHVDCtransmissionsystem;reactivepowerbackupcontrol;controlstrategy;improvementprop櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧櫧osal(上接第88頁continuedfrompage88DevelopmentandApplicationofEquipmentInspectionRobotforSmartSubstationsZHOULihui1,ZHANGYongsheng1,SUNYong2,3,LIANGTao2,3,LUShouyin2,3(1.JinhuaPowerAdministrationofZhejiang,Jinhua321000,China;2.ElectricPowerRoboticsLaboratoryofStateGridCorporation,Jinan250002,China;3.ShandongElectricPowerResearchInstitute,Jinan250002,ChinaAbstract:Theapplicationoftheequipmentinspectionsystembasedontheoutdoormobilerobotusedinthesmartsubstationorautomaticsubst