换流站阀厅智能巡检机器人系统设计及应用

沈 燚，杨寿源，杨春欢，杨家凯，王荣富，侯 诗，晏庆丰

(云南电网有限责任公司楚雄供电局，云南 楚雄 651400)

0 引言

直流输电是目前各国解决高电压、大容量、远距离送电以及电网互联的重要手段之一。特高压直流换流站是完成交流变直流或直流变交流的重要站点。我国从2003年8月开始对±800 kV特高压直流输电技术进行研究，并于2010年首次将复龙及奉贤2个特高压换流站投入使用。

传统的换流站巡检方式有人工巡检和固定点监控，人工巡检存在巡检人员责任心难保证、高电压和强辐射环境威胁人身安全、设备种类多、工作量大、巡检人员专业技能不一、难以保证覆盖率和准确率等缺陷；固定点巡检存在监控死角、依赖人工监管、无法预警缺陷等问题。因此这2种方式都存在天然缺陷，难以满足换流站科学化运维管理要求。

针对以上问题，研发了换流站阀厅智能巡检机器人系统。该系统以环境感知云台为硬件依托，通过自动读取阀厅中的设备温度、仪表读数、开关分合状态等状态信息，结合故障诊断专家系统自主判断异常并报警。另外，后台管理系统能采集、存储、分析、预测阀厅设备及自身设备状态并生成日志，拥有良好的人机交互体验。

1 系统结构

换流站阀厅智能机器人巡检系统，以轨道式巡检机器人为核心，结合移动平台、固定平台及智能分析软件，可代替同一直线区域内的多个固定监控设备。通过智能分析、任务巡查、统计报表等功能的有机结合，将巡检、监控过程智能化、标准化，以简单的方式体现“机器替代人”的价值。换流站阀厅智能机器人巡检系统具备如下几个功能：

(1) 机器人美观、体积小，可在阀厅内有限安全距离空间自由运动；

(2) 机器人垂直升降高度可达20 m，能满足该阀厅内阀塔设备的巡检范围要求；

(3) 阀厅机器人系统由前端机器人设备及后台管理软件组成，实现对阀厅设备的自动巡检；

(4) 系统热缺陷的自动诊断功能，可对电力设备的温度进行精确测量并进行诊断；

(5) 系统实现巡检数据报表生成，各种预警信息推送报警等功能。

换流站阀厅智能巡检机器人系统包括监控系统及管理平台，如图1所示。其中，监控系统与管理平台通过网络进行通信和数据交互。

监控系统由阀厅外置总控制箱和多个阀厅内监控点组成。总控制箱包含供电单元、状态指示单元、通信单元。总控制箱控制各监控点巡检机器人实现自主监测，并接收管理平台的指令，实现远程控制监控点巡检机器人作业。阀厅内各监控点数量、种类由实际环境及需求决定，由总控制箱供电，并通过光缆与总控制箱建立通信。监控点分为固定式和移动式，含有前端控制箱、双视云台以及各类线路，其中移动式监控点含有轨道系统。监控点置有巡检机器人，巡检机器人搭载可见光、红外、音频采集等信息采集终端，支持水平及垂直轨道运行，通过管理后台对采集终端采集的信息进行智能化分析，实现阀厅自动化巡检。

图1 系统结构

管理平台为拥有故障诊断专家系统的软件平台，起着大脑中枢的功能。该管理平台具备远程操控阀厅内监控点巡检机器人运行的功能，同时能够对巡检机器人采集的多类型数据进行显示、处理、分析，拥有缺陷自动分析等多种功能。

2 监控点巡检机器人

2.1 巡检机器人

巡检机器人为多传感器集成的云台系统(如图2所示)，搭载有红外测温仪、摄像头、拾音设备、喇叭、补光设备等，可采集视频信息、红外信息、音频信息。该巡检机器人的巡检范围很大，轨道长度可根据实际现场环境定制，云台垂直运动范围在-45°—90°，水平运动可做到360°连续旋转。

巡检机器人通过红外测温仪对直流配电场配电装置断路器、隔离开关、套管、换流变压器、平波电抗器、交直流滤波器、阀冷却系统、换流阀晶闸管、TVM板等进行红外测温。通过摄像头能可靠识别阀厅内的仪表、刀闸、开关、设备外观等，全面掌握阀厅内电力设备状态。通过拾音设备采集环境设备运行声音，对环境音频进行可视化展示。同时，管理平台可通过机器人向现场进行音频广播，可播放预定的警示音频，可实时喊话，实现远程语音报警及语音指导，令巡检机器人具有双向语音功能。

巡检机器人会将采集到的各类型数据实时通过光缆传输至总控箱，由总控制箱作为中转，采用网络传输的方式，将数据发送至管理平台进行后台处理分析。同时，巡检机器人接受管理平台的多方式控制，实现多模式的巡检功能。

图2 巡检机器人

2.2 巡检机器人多模式巡检

换流站阀厅内设备仪器众多、排布紧密，并且对设备的安全要求较高，因此只有巡检机器人以一种灵活自如、方便可控的巡检模式进行巡检作业，才能满足换流站阀厅的巡检任务要求。故本智能巡检机器人系统采用多模式混合的方式进行巡检作业，在保证持续工作时间长、巡检覆盖面积广的基础上，仍可做到精确检测、遥控检测等灵活度高的检测方式。

换流站智能巡检机器人系统采用多模式巡检方式进行巡检作业。巡检机器人分为固定式和移动式2种。固定式巡检机器人用于对情况复杂、需时刻监控的设备进行针对性的监控；移动式巡检机器人用于大范围的设备监控。2种巡检机器人均具有自动巡检、遥控巡检模式。自动巡检模式为通过预设巡检内容和启动时间，巡检机器人定时、自动执行巡检任务，并自动将巡检结果生成统计报表。巡检机器人同时也具备远程遥控巡检功能，在该模式下，操作人员通过管理平台远程控制任意巡检机器人到达特定的位置，执行巡检任务。为了保障巡检机器人在环境复杂的阀厅中的运行安全和稳定，巡检机器人具备自主避障功能，在行进过程中如遇到障碍物能够及时停止，在全自主模式下障碍物移除后能够恢复行进。

在以上巡检模式的基础上，巡检机器人采用普测与精测相结合的方法进行检测作业。即，先采用普测方法对阀厅内各设施进行检测，当检测到某一位置数据异常时，在该位置进行较长时间的连续检测，实时监控事故位置，并开启报警系统，提醒操作人员进行维修等作业。

3 智能故障诊断专家系统

传统故障诊断专家系统由知识库、数据库、解释器、推理机、综合数据库和人机界面等组成，其结构如图3所示。

图3 传统故障诊断专家系统结构

知识库是专家系统的核心，传统的专家系统通过将大量概念、方法、事实和关系分类整理，建立故障树，将专家知识层次性的表达出来，通过一定的方法，如框架表示法、面向对象知识表示法、谓词逻辑表示法、语义网络表示法、产生式规则表示法等转化为规则，而后再转化为计算机代码存储起来，形成知识库(字典)。系统运行中将实际状况通过正向推理机制与知识库中数据对比，继而判断故障。但是考虑工程实际，阀厅环境为复杂非结构环境，同样外在表现的故障可能其内因不同，并且症状和原因多存在交叉，无法建立清晰的故障树；故传统的专家系统无法满足实时状态检测和诊断的需要，并且存在不确定推理更新和维护不便等问题。

3.1 新型知识库的建立

本系统在传统的专家系统中加入人工神经网络，其系统结构如图4所示。该系统发挥2者的优势，设计了包含传统的显式知识库和基于BP神经网络的隐式知识库的新型知识库。通过BP神经网络将维修工程师和维修技师的大量实际诊断和维修经验以结点和阈值的方式存储在神经网络中，再通过样本训练，组成隐式知识库，能较好地模拟专家凭借经验和直觉完成不确定性诊断推理的过程。另外，通过不断对新故障的迭代学习，不断增强知识库的完整性，克服了传统专家系统中存在的“知识窄台阶问题”。

3.2 智能人机交互

人机交互界面(human-computer interface，HCI)是人—机—环之间交流信息的重要接口。变流站阀厅中机器较为庞杂，所需传递信息较多，这就要求人机界面能短时间内将最重要信息传达给用户，进而做出迅速而准确的反应。因考虑视觉注意机制在人机交互中的重要作用，将约80 %的信息以图像形式显示于人机界面，有利于提高用户信息处理能力，降低疲劳。

人机界面主要分为4部分：

(1) 二维电子地图，实时显示机器人在电子地图上的位置，可实时记录、下传、导出，可在电子地图上根据任务标定机器人巡视路线在任务中实时反映任务进度；

(2) 实时显示热成像图像和高清图像；

(3) 当前任务状态信息，包括当前巡检点、已巡检点、机器人本体当前状态(位置、速度、云台位姿、相机当前倍数)；

(4) 报警信息(报警机器人、报警内容、报警值、报警位置、报警时间以及相应操作)。

本系统对最为重要的报警模块进行如下设计：通过环境感知云台获取阀厅内设备运行状态;通过红外相机获取致热性设备温度数据；通过高清相机获取设备外观、开关分合状态、各种仪器仪表读数等；通过高清拾音器获得周围环境音频数据。将收集到的信息与专家系统中阈值相比对，自动识别异常并报警显示;系统支持通过有线网络将音视频信息存储于服务器并能转发至各客户端。系统支持历史数据统计与趋势分析，生成日志以供查看，能够提前预测阀厅可能出现的设备故障和运行环境缺陷，并及时发出预警信息通知后台管理人员。另外，系统支持双向语音对讲，能满足站内人员与控制台人员对讲。

图4 融合人工神经网络的专家系统结构

4 可靠性设计

考虑到本系统应用于系统庞杂、设备多样、电磁干扰强的换流站阀厅中，因此，对本系统有较高的可靠性要求。本换流站智能巡检机器人系统能够在如表1所示的环境中工作。

表1 工作环境要求

为了实现以上要求，在系统研制、硬件选择上充分考虑了环境的复杂性因素，如表2所示。

表2 性能参数

5 应用效果

在调试检验阶段，分别调试检测：设备热缺陷(人为制造)、开关分合状态、设备外观异常以及仪表读数的识别(开关闭合异常用于测试巡检系统的可见光部分的检测功能)。该巡检系统均能准确检测并在监控后台报警反馈，没有误报错报情况，与设计预期相吻合。系统制定有定期维护制度，工作人员每月和每季度对机器人系统进行不同范围的维护工作，包括检查机器人的传动导轨的污损、设备灰尘清理、螺丝紧固、线路松动处理、数据库维护等。

在线巡检机器人常规设置是每天定时自动巡检4次，也可以在后台操作机器人实现临时定点检查设备状态。虽然有了智能巡检机器人的自动巡检工作，但不能完全替代人工的工作。操作人员在后台监管系统的运行，对机器人巡检过程中发现的不确定问题进行确认，必要的时候需要进入阀厅人工巡检通道进行察看。机器人的投入，使工作人员进入高电磁环境的频率和作业时间大幅降低，不必要时无需再进行人工巡检。