智能机器人巡检系统在安徽电网的研究与应用

郑晓琼， 占晓友， 戚 矛， 王鹏辉， 熊 剑

(1.国网安徽省电力公司检修公司， 安徽 合肥 230061；2.安徽康源电力集团有限责任公司， 安徽 合肥 230061)

智能机器人巡检系统在安徽电网的研究与应用

郑晓琼1， 占晓友1， 戚 矛1， 王鹏辉2， 熊 剑1

(1.国网安徽省电力公司检修公司， 安徽 合肥 230061；2.安徽康源电力集团有限责任公司， 安徽 合肥 230061)

文章介绍了智能巡检机器人系统在安徽500千伏及以上电网应用的背景、理论依据、主要功能、特点，通过智能机器人巡检系统在安徽电网的应用实践，分析了现阶段智能机器人巡检系统存在的问题并提出了改进意见。

变电站；智能；机器人；巡检；研究应用

0 引言

随着安徽电网的快速发展，变电站数量和设备数量急剧增长，淮南、芜湖两座1000 kV特高压变电站及多座智能化变电站的大量投运，运维人员数量不足[1]，加上用户对供电可靠性的要求也越来越高。另外随着“三集五大”改革的深化，安徽电网全面推行变电站无人值守模式，这些都对变电站设备巡检提出了更高的要求。因此如何利用一些新技术、新方法来代替传统的变电站运维人员巡检并能及时发现电气设备的内部热缺陷、外部如异物、损伤、漏油等问题，是我们面临的重要问题。

智能巡检机器人能在一定程度上代替人工巡检，有效降低运维人员设备巡视强度和安全风险，不但提高了变电巡检作业的自动化和智能化水平，还改善了因巡视人员业务水平差、经验不足、责任心不强、现场环境原因不能及时发现设备缺陷的问题，为智能变电站和无人值守变电站提供了新型的技术检测手段和安全保障，更快的推进了500 kV变电站无人值守的进程。智能巡检机器人系统在1000 kV淮南站、500 kV文都变、众兴变、皋城变的应用取得良好效果。

1 智能巡检机器人系统在安徽电网的技术应用

安徽电网目前在超、特高压系统投入运行的智能巡检机器人基于自主导航，携带红外热像仪、可见光摄像机、声音采集设备等有关的变电站设备检测装置，实现的功能有手动、定时巡检、历史事件查看；图像遥传、双向语音；三波段红外火焰探测、移动超声变频驱鸟，以自主和遥控的方式部分代替运维人员巡检变电站室外一次设备，及时发现电气设备的外观异常和内部热缺陷等隐患，提高设备巡检的自动化程度，保证设备巡检的效果。

1.1 以机器人技术为核心

安徽电网投入使用的智能巡检机器系统以机器人技术为核心，整合红外线热成像检测技术、音频模式识别技术、实时数据库技术、图象模式识别技术、导航定位技术、无线通讯技术、多传感器融合技术[2]。

1.2 引入图像模式识别技术

引入图像模式识别技术，应用视觉图像模式识别技术引导云台精确定位，识别检测图像中的变电站设备，自动定位设备在图像中的精确位置，实现变电站设备的精确巡检。机器人在进行红外测温时，先从红外图像复杂背景中识别出需要进行温度检测的设备，再进行最高温度的检测和读取，有效提高了红外测温的精确度和有效性。

1.3 引入导航定位技术

采用路面预埋的无线射频设备RFID和机器人视觉相结合的自主移动机器人导航定位系统，通过搜索和识别RFID预埋点实现自定位和导航，完成巡检机器人的最优路径规划和双向行走功能。

1.4 应用声音采集分析技术

机器人在巡视过程中通过拾音器对变电站重点设备如电抗器、变压器等发声设备进行声音采集，经过对声音的时域和频域分析并比对设备异常声音库，从而识别设备异常声音。

1.5 利用实时数据库技术

利用实时数据库技术，完成应用软件的开发，实现变电站设备运行温度的实时监测，分析设备历史温度变化趋势，比较同类设备的温度，对比设备负荷和设备温度关系。

1.6 应用数字图像处理技术

应用数字图像处理技术，对相关设备进行历史温度曲线分析，最大限度的完成辅助人工巡检的工作。同时该智能巡检系统还备有与多种生产管理系统的接口，实现与缺陷管理系统、后台监控系统顺利连接，将智能巡检系统融入到整个生产管理系统中，最大程度上发挥智能巡检系统的作用。

2 安徽电网智能巡检机器人的系统构架

智能巡检机器人系统采用分层式控制式系统构架，即分为基站控制系统层和移动站系统层[2]。如图1所示。

2.1 基站控制系统层

基站控制系统层主要由监控计算机系统、网络集线器(HUB)或交换机以及相应的无线通讯设备组成。监控主站系统基于 Windows 系统，采用C#面向对象编程语言开发设计,主要功能是提供友好的操作交互界面，实现人机交互，完成监测功能，为机器人运动规划提供相应的命令及环境信息。动态显示机器人当前采集的可见光图像和红外图像并进行分析和处理。实时显示机器人当前的方位、运动状态、电源状态，并进行分析和异常报警。查询机器人现场采集的历史数据，并进行对比分析。基站系统层主要由以下几个部分组成：巡检任务管理、机器人控制、图像采集、数据存储、机器人状态显示、查询等部分。

2.2 移动站系统层

移动站系统层是智能巡检机器人的移动载体和信息采集载体，包括机器人本体模块和控制检测模块，主要由导航系统、检测系统、电源系统、通信系统、控制系统以及运动系统六部分组成，负责导航定位信息的采集和处理，按照预先设定好的巡视路线自动完成巡视任务，在预设点自动定位、自动采集可见光图像和红外图像并上传至基站控制系统层，完成巡视任务后自动充电，在巡视过程中遇到障碍物时自动停障并进行报警。由于采用有轨导航方式，采用在机器人前方安装4个超声传感器，通过超声传感器采集机器人行走路线上的障碍信息，以IO的形式上传到运动控制模块，并根据控制模式判断是否停车，实现机器人的自动停障功能。

3 智能机器人巡检系统的主要功能及应用

智能巡检机器人主要功能就是代替运维人员进行变电站室外设备的巡视检查，及时发现设备热缺陷及异物、损伤等，给运维人员提供诊断电气设备运行中的事故隐患和故障先兆的有效数据，具有智能性、客观性、灵活性、安全性、集成度高等特点。

3.1 常规巡检

变电站智能机器人巡检系统能够以全自主、本地或远方遥控模式代替或辅助人工进行变电站常规巡检。巡检内容包括设备温度、刀闸开合状态、设备噪声等，具有检测方式多样化，智能化，巡检工作标准化、客观性强等特点。系统集巡视内容、时间、路线、报表管理于一体，实现了巡检全过程管理，并能够提供数据分析与决策支持。有效的克服了传统的人工巡检劳动强度大、工作效率低、检测质量分散、手段单一等缺点，智能机器人先后发现了特高压淮南变电站1000千伏2号主变C相主体变与调补压连接母线处、110千伏低抗汇流母线连接处发热缺陷和6起500千伏变电站设备接头发热的严重以上缺陷并及时得到了处理。

3.2 特殊巡检

在大风、雾天、冰雪、冰雹、雷雨等恶劣天气条件下，能够代替或辅助人工完成变电设备的巡视，有效降低劳动人员安全风险。

3.3 与监控系统联动实现某些特殊功能

智能机器人巡检系统提供与站内监控系统和信息一体化平台接口，能够与监控系统协同联动。在设备操控和事故处理时，通过最优路径规划自动移动到目标位置，实时显示被操作对象的图像信息。

3.4 视频巡视和工作指导

当变电站进行现场作业时，使用机器人灵活移至作业位置，借助该系统的双向语音对讲功能，实现变电站远程视频工作指导，同时可替代工地负责人的职责。另外智能机器人巡检系统可通过视频远传、远程控制功能，实现变电站巡检的远程可视化。

3.5 运用远程集控模块

设置了智能机器人巡检系统远程集控中心，在运维主站实现多个变电站机器人系统的统一协调和集中控制，为变电站无人值守模式的推广打下坚实的基础。

3.6 使用机器人节约运维人员工作时间情况

综合统计表明没有使用机器人的变电站，运维人员每天进行开关、流变压力检查、主变、高抗表计检查、避雷器表计检查、设备红外测温大约花去3.5小时，使用机器人巡检后，运维人员每天全站现场巡视时间大约在1.5小时，大大降低了运维人员劳动强度。

4 智能机器人巡检系统应用中发现问题及解决措施

4.1 智能机器人在变电站现场的应用中出现过以下问题

(1)无电池显示及报警功能。机器人在巡检过程中，电量不足够时，在本身及后台无电池显示及报警功能，当电池电量不足时，机器人就随机停留在磁道上，只能等待运维人员去发现并手动推移到充电房进行充电，不能自动回到充电房进行充电。

(2)智能机器人不能实现对设备指针式仪表读数的自动识别。机器人巡检设备仪表时只能拍摄图片而不能对指示仪表如主变、开关、流变油压、油位、SF6压力表、避雷器泄露电流表等的位置指示进行自动判断并在异常时给出告警，设备开关、隔离开关分合位置虽有清晰图像，但均未能识别分合位置。

(3)双向语音功能不够完善。运维人员向机器人下达语音命令存在一定的局限性。

(4)机器人在行驶过程中只要检测不到磁性号或检测信号装置出现故障，就会偏离磁轨道或停滞不前，从而影响整个巡检任务。

(5)机器人巡检任务设置不合理，巡检任务设置没有结合变电站实际运维需求进行设置，机器人不论白天黑夜都同时进行红外测温和可见光采集。

(6)巡检报告不够完善，机器人完成一次巡检任务生成的巡检报告非常繁杂，且在生成的报告里没有将告警设备单独列出。

(7)测温误告警，无缺陷分类，红外测温异常报告中没有温度缺陷分类，且没有提供初步的意见和建议。

4.2 解决措施

针对智能机器人巡检系统在现场应用中出现的上述问题，我们结合应用站的实际情况积极思考并研究出相关解决措施。

(1)在智能机器人巡检程序中设置电池显示及报警功能，在本地监控站和手柄上增加电池电压显示，电压低于预设值时在本地监控后台和手柄上声和光提示和报警功能，设置实时采集电池电量信息，并根据巡检路线及巡检任务实时计算电池剩余电量，当前运行时间及后续能运行多长时间，保证自身能自动回到充电房进行自动充电所需的电量并留有一定的余度，安装三维电子地图，巡检过程中实时显示机器人在电子地图上的位置。

(2)提升机器人对可见光图片辨识效果，增加模式识别配置功能，配置模式识别的各项参数，包括仪表识别、断路器分合状态识别、开关状态识别和设备识别等。将可见光图像中开关，仪表尽量在图像中间，避免机器人停靠精度不准确而开关和仪表部分不在图像范围内，进行位置判别，让刀闸图像能在视野中，从巡检图像中选择其中一个作为模板，选择“添加到模式识别配置界面”根据仪表类型选择表盘提取方法和指针提取方法。把虚拟指针放在仪表表盘的中心，与表的中心重合，然后，点击表盘区域中示数0处，然后在虚拟指针示数输入0，“生成模板”，把设置好的模板信息存入数据库，让运维人员在后台调出巡检图片完成现场表计巡查，机器人自动统计站内各类表计一年四季的最大值和最小值并标注，为其图片采集工作提供条件。运用三维电子地图模块，刀闸分合状态显示(与站里刀闸设备的实际状态保持同步)。将目标监视添加到用户监视列表中，巡检数据中可以查询一段时间内检测点的可见光与红外图像，并提供同类对比、对比红外库、启动模式识别等相关功能，最终实现了智能机器人对设备指针式仪表读数及设备状态的自动识别功能。

(3)在智能机器人巡检系统中设置双向语音功能，软件工具栏中设置“打开对讲”，并且切换到“听”状态，系统后台可接收到拾音器收集到的声音并播放；切换到“说”状态，系统后台收集到的声音会传到下位机，并通过机器人的扩音器进行播放，运用该功能可以远程监视现场工作人员工作情况及可以远程指挥现场人员工作行为。

(4)对与机器人巡检过程中偏离磁轨道或停滞不前现象，采用多点感应磁信号及雷达及视频辅助检测，在机器人身上加装动态平衡仪，三只轮距上安装自动平衡升降调节自适应装置，使其在巡检运动及停靠点实时自动检测平衡度及自身自动调节功能。

(5)优化巡检任务，将站内实际工作与机器人巡检系统相结合，配置巡检任务具备针对性，提高机器人应用效率。根据日常运维工作需求进行软件开发，设置树形目录巡检任务节点，可根据需要进入巡检任务配置窗口。运行模式分可见光检测，红外检测、全部检测、自动检测四种运行模式。其中，全部检测包括可见光检测和红外检测，自动检测则根据现场需求依据时间自动判断检测模式。运行模式的设置，不仅可以有效地减少电源消耗，增加了机器人的使用时间，而且可以保护强光下的红外热像仪等设备，延长了设备的使用寿命。

(6)优化巡检报告，每次巡检结束自动生成总巡检报告，让告警设备在报告中单独列出，以便让运维人员一目了然地掌握巡检结果，并能导出至PMS系统。同时让机器人根据配置好的巡检任务进行巡检并生成巡检报告，并将需重点检测的设备报告数据提供给设备厂家分析。

(7)完善测温报告，增加巡检报告的内容，提前将缺陷分类标准、设置报警值及缺陷等级配置到数据库中；在红外图像知识库中存储各种设备的红外故障图像和红外正常图像，提供设备图像比对的样本，将巡检过程中红外测温数据比对标准，对一段时间内的巡检数据进行查询分析，并可和红外图像库的设备正常图像、故障图像进行比对，从而判断设备运行的状态。发现问题时，让软件单独生成异常报告，报告中自动对缺陷等级自动分类，并提供初步处理意见和建议，为运维人员提供参考。

通过智能机器人巡检系统在变电站近一年的运行实践，充分证明上述措施对解决机器人使用初期存在的问题具有针对性和实用性，切实解决了智能机器人在现场应用中存在的问题，提高了机器人的应用效果和使用效率。

5 结束语

智能机器人巡检系统在安徽特、超高压变电站的应用有效辅助了变电站的设备巡视，降低了运行人员的巡视安全风险和劳动强度，提高了供电可靠性。同时也降低了变电站运维成本，提高了正常巡检作业和管理的智能化水平，更快地推进了变电站无人值守的进程，为电网公司智能变电站和无人值守变电站的发展和运行提供了安全保障。随着国网公司500kV变电站无人值守和智能化工作的快速推进，智能机器人巡检系统在超高压电网中有着越来越广阔的应用前景。但其真正担任起变电站设备巡视的重任还有很多问题需解决，如何应用好智能机器人巡检系统并使其最大限度的发挥作用也是我们亟待完成的工作。

[1] 国家电网公司.变电站管理规范[M].北京:中国电力出版社,2006.

[2] 张凯.500kV文都变机器人巡检项目设计方案[J].山东鲁能智能技术有限公司,2013(6).

[责任编辑：朱子]

Research and Application of Intelligent Inspection Robot System in Anhui Power Grid

ZHENGXiao-qiong1,ZHANXiao-you1,QIMao1,WANGPeng-hui2,XIONGJian1

(1.MaintenanceCompanyofAnhuiElectricPowerCorporation,Hefei230061,China;2.AnhuiKangyuanPowerGroupCo.,Ltd.,Hefei230061,China)

This paper expounds the background, theoretical foundation, main functions and characteristics of the applications of the intelligent inspection robot system in Anhui 500kV and above grid. The problems about the current intelligent inspection robot system are analyzed and some improvements are proposed through the application and practice of the system in Anhui power grid.

transformer substation; intelligence; robot; inspection; research and application

2015-05-18

郑晓琼(1980-)，女，安徽霍山人，工程师，安徽省电力公司检修公司合肥运维分部桃花运维班班长，从事变电运维工作。 占晓友(1971-)，男，安徽桐城人，高级工程师，安徽省电力公司检修公司合肥运维分部技术专责，从事变电运维管理工作。 戚 矛(1965-)，男，安徽巢湖人，高级工程师，安徽省电力公司检修公司合肥运维分部桃花运维班副班长，从事继电保护及变电运维工作。 王鹏辉(1978-)，男，安徽巢湖人，助理工程师，安徽康源电力集团有限责任公司项目经理，从事水电技术管理工作。 熊 剑(1989-)，男，湖北武汉人，助理工程师，安徽省电力公司检修公司合肥运维分部运维班值长，从事变电运维工作。

TP242.3

A

1672-9706(2015)03- 0116- 05