智能巡检机器人系统在首钢股份变电站的应用

孙 琨，薛金成，唐圣华，张 磊，张勇涛

（1北京首钢股份有限公司设备部，2北京首钢股份有限公司能源部，河北迁安 064404）

引言

变电站作为电力系统的重要组成部分，是钢铁企业的主要动力枢纽，变电站的运行状况能够直接影响钢铁企业的生产运行。目前，首钢股份公司变电站执行人工巡检方式，值班人员主要通过自身的感官和简单的仪器对设备运行情况进行初步的判断。不仅工作效率低、劳动强度高，同时还存在精度不足，难以有效地对设备隐患进行深入分析[1]。近年来，传统人工巡检方式已不能满足现代化变电站的运行需求，随着大数据技术的发展和微机监控技术在变电站的推广使用[2]，变电站巡检机器人系统因其灵活的控制、运行方式,受天气因素影响较小等优点，逐渐在无人或少人值守的变电站中得到应用，执行对户内外高压设备巡检任务，为及时发现和消除设备缺陷，预防事故发生，保证变电站设备的安全运行和合理巡检发挥了显著的作用。

1 首钢变电站概况及巡检需求

1.1 变电站情况简介

首钢股份公司为实现打造智能化工厂的目标，提高供用电系统的智能化运维水平，在公司一座变电站中投入智能巡检机器人系统。该110 kV 变电站主要设备有3 台80 MVA 变压器、一间110 kV SF6组合电器设备开关室、一间35 kV 和10 kV 开关设备共用的开关室、4 间消弧变室、一间地下电缆室和一间继电保护室组成。巡检环境主要分为三个巡检区域：二层继保室巡检区域,一层开关室、消弧室及户外变压器巡检区域,负一层地下电缆室巡检区域。

1.2 总体设计需求

立足长远、搭建大数据电力系统智能巡检平台，使系统操作人员可以通过浏览器输入IP 地址，访问网络上任何一个变电站、机器人巡检系统和管控系统，查看各变电站的运行情况。智能巡检机器人系统以集控和展示为一体的Web 系统+APP 移动端系统。控制功能主要体现在对机器人的控制、任务的下发以及对执行设备的实时控制。展示功能则是展示变电站所在位置信息，展示设备运行和巡检情况，生成历史数据曲线、综合报表、巡检照片等。变电站检测所得的数据，通过变电站智能巡检机器人系统相互连接，实现数据共享，所有接口标准化、开放化、通用化。

变电站智能巡检机器人系统通过对现场电力设备运行环境、配电柜运行状态、GIS 室、变压器等现场参数进行采集和加工，实现对电力巡检过程进行智能监测和管控，具有实时故障自动报警、设备运行巡检报告自动生成的功能，最终达到电力设备管理智能化、综合化、自动化的目标。变电站智能巡检机器人系统架构见图1。

图1 变电站智能巡检机器人系统架构

2 变电站智能巡检机器人系统设计要求

2.1 电力设备数据采集

通过智能巡检机器人对电力设备运行环境、配电柜运行状态、组合电器、变压器等现场信息进行采集，进行长周期存储，满足数据监测和分析的要求。

巡检机器人自检信息、固定式巡检设备信息的采集、存储。

2.2 电力设备实时状态监控

实现对变电站的运行环境、配电柜运行状态、变压器运行状态等核心要素实施全方位监控，数据实时记录，实时运行状态以数据和曲线方式显示出来。

2.3 电力设备历史数据查询

提供实时趋势曲线记录和历史数据回查功能，高速采集，高速记录，可多曲线进行比较分析，例如：变压器触头温度、配电柜仪表数值、SF6气体浓度、局部放电情况等信息。

2.4 电力设备故障报警

报警系统能第一时间将故障或错误信息按不同级别的方式提示出来，系统及时、准确地将设备的故障代码或故障点信息显示出来，监控软件根据多项参数的趋势变化提示的故障原因、报警提示，按时间顺序排列显示在其综合列表中，并进行及时更新、记录。

2.5 电力设备状态诊断

通过故障诊断系统实现设备故障初判功能，可准确定位到故障部位，快速查找故障原因。设备故障大体分为两部分：一是现场巡检机器人或者固定式巡检设备自身发生故障，所发出的报警信息；二是检测到电力设备状态异常或发生故障，发出的报警信息。通过报警画面显示的不同位置和不同颜色，快速判断出故障部位。并根据不同的故障，分类生成相应的报表，便于数据记录和查询。

2.6 远程控制机器人巡检

巡检机器人对变电站内设备标定大量采样点，实现全天候不间断高频率全覆盖巡检。智能巡检机器人结构见图2。

图2 智能巡检机器人结构

（1）机器人携带可见光相机，对需要人工目视确认的仪表指示、开关位置和指示灯状态做出判断，在后台系统显示，并能及时告警。

（2）机器人携带红外相机，实现对触头、设备表面的温度实时监测，出现温度异常系统及时告警。对三相设备温差进行分析。

（3）机器人携带局放传感器，对配电柜进行局放检测，检测的数据能够实时监视，并结合后台图谱库进行分析。

（4）机器人携带有环境传感器，能够对现场异响、气体、温湿度进行检测，录入后台数据库，进行智能化分析。

（5）通过智能巡检机器人系统，对变电站内中运行设备实现全方位监控，可操作机器人，下达巡检任务，还可调取历史和实时数据查看，生成分析报表。

（6）机器人应具有障碍物检测功能，在行走过程中如遇障碍应及时停止，障碍物移开后恢复行走。

（7）机器人应具备自动门通讯功能，以无线方式控制对自动门控制并接收自动门反馈信息。

（8）机器人巡检通道改造应符合国家消防及安全管理相关规定。

2.7 现场巡检实时跟踪画面

给巡检机器人加装高清摄像头，对其巡检过程进行全程跟踪，随时掌握机器人巡检工作进行的情况和现场环境变化情况，在巡检过程中不仅能实时传递机器人巡检的内容，操作人员也能通过实时画面掌握现场环境变化，确保巡检过程顺利、准确完成。

2.8 巡检过程历史画面回放

巡检过程中，录像全程存储，相关人员只要在智能巡检平台上输入站点信息、时间节点、摄像头标号，就能迅速准确地调取所需要的画面回放，通过历史画面回放功能，对设备某段时间的运行状态受环境变化的影响情况进行分析，或者为故障分析提供依据。

2.9 预留接口

系统设计充分考虑到未来发展，留有足够的扩充余量。通过预留接口，满足本系统和其他管理系统的扩展性需求。比如数字显示屏数据读取及三方数据接入、现场热故障预警仪通讯信号接入等。

2.10 用户管理和权限管理

提供完善的用户帐号、密码管理功能和严格的控制权限分级制度。根据控制权限分级制度，可以限定某些权限等级用户可以控制设备，某些用户仅能浏览，而无权控制，或不能看到管理权限以外的其他设备。系统访问认证：用进入远程视频监控系统必须事先进行输入用户账号和密码注册，系统管理员根据用户授予相应的权限监视和控制权限。

2.11 系统管理

（1）系统日志：对于系统中的操作，如系统报警、用户登录和退出、系统运行情况等等，都有系统日志记录。

（2）控制权协商：当多个用户同时监视一个前端时，为了避免控制混乱，只能有一个用户对前端设备进行控制，并根据用户的优先等级预先设定，对同等级用户可通过网上自动协商完成。

（3）同一远程监控终端的操作人员可分为不同的管理等级，不同管理等级的操作人员具有不同的权限。远程操作员具有进入和退出监控软件、修改口令、连接远端控制远程设备、接收和处理报警信号、设置图像自动切换或显示的方式和时间等权限。

（4）信息查询：登录用户可查询系统的使用和运行情况，如在线用户名单、前端运行状态、报警信息等。

2.12 大数据分析及数据报告

系统将对过往巡检数据进行历史分析，绘制出趋势图，从而给出人类感官无法察觉的从微观到宏观变化趋势，以供决策层参考。

3 现场解决方案

经过现场实地考察，此项目分为三层结构，考虑到每层建筑结构的互不相通以及每层巡检工作的协调性，采用每层均布置一台轮式机器人。为了有效利用资金，巡检机器人采用可增减功能模块的方式来配置。并根据每层巡检对象的侧重点不同，每台机器人相应配置的功能模块则不同。

针对二层继保室巡检区域，主要的工作是二次设备状态识别，仅需搭载可见光模块。

针对一层巡检区域，其分布的设备主要为三台大型变压器、组合电器及若干开关柜等，需搭载可见光、红外、开关柜局放检测、拾音等多种模块。

针对负一层地下电缆室巡检区域，主要工作为测温及消防管廊渗漏等巡检工作，需搭载可见光和红外模块。

施工过程中的难点集中在一层和负一层的巡检区域。一层巡检区域巡检内容较多，包括变压器巡检区域、35 kV及10 kV开关室巡检区域、110 kV开关室巡检区域、消弧室巡检区域，其中对开关室、消弧室进行巡检机器人巡检，对变压器区域进行定点机器人监控巡检。其中在35 kV及10 kV开关室至消弧室，以及至110 kV 开关室中，需要对防火门及挡鼠板进行自动化改造见图3，以便实现单台机器人对室内外设备的巡检工作。负一层电缆室区域存在较多电缆、消防水管等物体，机器人要在环境中进行无障碍巡检，需要对这些障碍物体进行通道斜坡修建。斜坡修建保证承重不小于200 kg，坡度满足机器人爬坡能力要求，见图4。

图3 自动防火门及档鼠板

图4 通道斜坡

4 系统不足

（1）指针表、数字表存在反光问题需要解决，机器人在巡检过程中，随着光线的变化对部分仪表的识别存在影响。

（2）变电站巡检机器人巡检时，对巡检控制精度要求很高，但偶尔存在着定位不准、运行路线偏差的现象，还需提高机器人激光定位和最小制动距离控制精度。

（3）由于机器人高度较低，即使采用可升降旋转云台设计，但对许多设备缺少较好的观测角度，巡视效果达不到最佳。

（4）机器人充电时间大约4～5 h，加上最大1m/s的行驶速度和精准定位所需要的时间，不能满足规定的巡检周期要求，应当在保证安全的前提下，提高电池充电速度。

（5）机器人巡检其功能主要表现在表计、设备的外观巡视以及红外测温；在分析设备噪声方面的功能还有待提高，容易受外界噪音的干扰做出误判，需要加强其智能分析能力。

5 结束语

随着科技的进步发展，当前变电站的智能巡检机器人的水平也在不断提升，通过机器人可实现变电站设备巡检的智能化和信息化，切实提高电力设备巡检的工作效率和质量，降低变电站运行人员的劳动强度和工作风险，为智能变电站或无人值守变电站的运行管理提供了一种创新型的设备检测和监控手段。从目前国内变电站智能巡检机器人使用情况来看，大多应用在室外环境，对于室内安装的封闭式电气设备，还未完全应用。首钢股份公司变电站巡检机器人项目也是一次尝试。从当前运行来看，其功能基本达到使用要求，但存在的问题仍需要在后续设计中完成优化和改进。