变电站无人值守智能巡检机器人的构建与设计

姜 辉，滕 磊，窦雪亮，郭守海

（1.吉林石化公司电仪中心，吉林吉林 132022；2.吉林紫瑞新材料有限公司，吉林吉林 132021）

0 引言

某公司近年退休人员数量呈现递增趋势，尤其变电站岗位用工总量，已经不能满足正常的生产需要。多数变电站存在用工总量与岗位人员短缺的矛盾问题，由于员工年龄结构老化，存在日常巡检力量不足的安全隐患问题。公司某厂变电站始建于1996 年，装置设备同期投入运行，由于设备数字化程度较低，岗位员工大多数还是依靠传统经验进行人工操作和巡检，易出现效率低、反馈慢、安全风险大等问题。

1 项目建设必要性

工厂66 kV 变电站2 所、6 kV 变电站13 所、380 V 变电站29 所，采用人工方式进行定时巡检，各个变电站分散布置在厂区的不同位置，位置相距比较远。现电气巡检制度要求：每班次巡检2 次，巡检时长2.5 h，而夜班早晚巡检时间不够，长期占用员工休息时间，操作人员对设备巡查时效性不明显，存在巡查间隙发生危险的管理漏洞。需对电气系统进行改造升级，通过数字化建设提高工厂电气变电站智能化、信息化的管理水平。无人值守变电站及智能机器人巡检与网络的结合，使变电站得以优化，可提高管理质量和工作效率。

2 智能巡检机器人系统设计

室内挂轨式智能巡检机器人系统以巡检机器人为核心，集移动视频巡检、红外测温、环境监控、数据智能分析等功能于一体，实现对巡检区域设备的实时监控、数据分析管理。巡检机器人系统是由后台软件系统、供电系统、轨道系统、机器人系统、通信系统及其他设备组成，具体架构如图1 所示。

图1 巡检机器人架构

2.1 后台管理系统

2.1.1 本地监控后台

本地监控后台作为巡检机器人系统的中心，主要由实时监控模块、报表系统、地图编辑模块、数据统计模块、任务管理模块、系统设置模块及系统集成模块等组成。本地监控后台除控制机器人执行相关巡逻任务外，还应具有数据采集、统计、检索、储存、报表、智能分析等多种功能。

2.1.2 远程集控后台

远程集控平台除了具备本地监控后台的具体功能之外，还可以监管数个本地的监控后台。平台能够对所有智能巡检机器人，进行远程控制和采取的数据进行分析，同时能够对变电站进行层次更高的综合控制及综合管理。远程集中控制后台能够实现集中监控模式下的所有功能，可以控制其他巡检机器人做相应的动作和功能。

2.2 通信系统

巡检机器人采用PLC 通信系统（兼容WIFI/4G）与整套控制系统通信。通信系统为机器人提供不小于50 Mbps 有效网络带宽，可以保证巡检机器人系统所有的控制信号、视频数据、音频数据及报警信息等各类数据实时可靠传输（图2）。

图2 智能巡检机器人通信原理

2.3 供电系统

巡检机器人采用滑触线的方式进行取电或锂电池的方式进行供电。滑触线安装在铝型材轨道上，供电系统取电电压220 V/50 Hz，输出电压DC 24 V。巡检机器人的供电模块使用滤波技术，以滤除外界电网高频脉冲对系统电源的干扰，使机器人获得稳定供电。

2.4 性能参数

智能巡检机器人在行走程中采用通过伺服电机里程码盘（脉冲）及RFID 相结合方式，来实现定位及路径的校核，确保巡检机器人的控制器及远程中心管理平台能够实时确认机器人的详细位置信息。

3 智能巡检机器人主要功能

3.1 视频识别

智能巡检机器人系统的核心功能是室内挂轨式巡检机器人的视频识别功能，机器人通过自身配置的可见光摄像机来实现视频、图像等数据的采集，采用自主开发的相关高精度图像识别算法，来对相关视频数据进行智能分析和处理，识别视频内容。视频识别功能能够准确识别室内的仪表、压板、开关、指示灯、设备外观等多种表计，进行自动表计读数，以此全面掌控变电站电力设备和环境的全部状态信息（表1）。

表1 巡检机器人主要功能模块

3.2 红外测温

巡检机器人利用自身携带的红外热成像仪对室内电力设备温度数据进行采集，对采集的数据进行分析，进而诊断出致热型设备故障及热缺陷，触发相应报警。红外测温功能包括红外普测、精确测温、遥控测温和测温预警等。巡检任务执行完成后会自动生成任务报表，实现对变电站设备及环境温度的高密度、高颗粒度检测与多维度分析管理。

3.3 环境检测

巡检机器人自身携带的环境监测模块可以监测环境中的有害气体、温度、湿度、烟雾等环境信息（图3）。机器人实时采集的环境信息即时传输到控制中心，为操控人员提供现场环境信息。当监测到有害气体超标时，系统将进行报警，提示运维人员及时处理。机器人系统可联合多种环境监测设备对现场环境状态信息进行全方位的检测汇总和统一分析，并可据环境和设备异常出现的频率智能划定需重点关注的区域，有效辅助配网运维决策。

图3 环境监测示意

3.4 音频采集

巡检机器人本体搭载高灵敏度的拾音器，随云台一同转动，定向采集电力设备的音频信息。机器人采用国际领先的音频降噪算法和声音识别技术，降低环境噪声干扰，增强音频信息识别的准确性和可靠性。音频数据经过软件压缩后传回服务器进行存储。

3.5 局放检测

巡检机器人内部搭载局放检测传感器用于地电波（TEV）和超声波（AE）的检测（图4）。当检测到开关柜等设备内局部放电处于异常状态时，能立即触发报警，提示管理人员到达现场处置。利用局放检测设备，能实时对开关柜等设备进行检测。局放监测设备数据模块及控制后台具备局放数据自动绘图、自主识别和诊断的能力，在局放出现异常情况下可以实时报警、应急模式巡检及系统联动功能，同时管理后台能够对单点检测数据进行历史分析，并进行归档和诊断等处理。

图4 局放检测功能

3.6 双向语音

巡检机器人双向语音功能是指对讲和广播功能。对讲功能可实现变电站监控人员通过巡检机器人的管理后台和机器人间进行的对讲；广播功能可实现通过管理后台对现场工作的远程指挥及紧急状态下发布快速撤离等。

3.7 任务管理

在监控平台中，将任务管理分成全面巡检、例行巡检、专项巡检、特殊巡检、自定义任务、地图选点以及任务展示等七大模块，每个大模块又拆分为不同的小模块，可以根据实际情况建立不同类型的任务。在任务系统中既可以手动进行任务的执行，也可按照日程进行任务分配执行实现自动巡检功能。

3.8 巡检功能

智能巡检机器人自动巡检功能模块，能自主实现变电站室内巡检工作，具备高度自动化、智能化的特征，进而取代人工巡检（图5）。自动巡检模式有定时巡检、特殊巡检、例行巡检、单次巡检、人工遥控巡检等，可根据需要在各类模式间相互切换。巡检机器人能按预先设定的巡检模式进行工作，按设置规则进行表计的读数、电力设备的量温和环境监测等各项巡检任务。

图5 后台巡检界面

（1）自动巡检任务。智能巡检机器人按预先设定的路径进行自动巡视的方式就是自动巡检。自动巡检模式有2 种方式：例行巡检、特殊巡检，模式间可相互转换。巡检机器人安装有高清摄像机、拾音器、高灵敏红外热成像仪等检测设施，机器人能按设定的规则和路线，实现变电站各点设备设施的可见光拍照、红外测温、表计读数以及环境监测等各项巡检活动任务，同时把各种巡检数据即时自动传输至后台管理系统进行保存，进而生成详细检测分析报告，这些任务包含有局放检测、电流检测、温度检测、电压检测、开关状态监测等。针对特定巡检点，可由巡检人根据电力柜巡测需要检测点，实现特定电力柜的巡检需要。

（2）人工遥控巡检。巡检机器人可通过人工遥控巡检方式，进行实时遥控机器人。人工遥控模式适合运维人员需对变电站某台设备及设施状态进行锁定和监测，特别是在机器人自主巡检任务中，检测出现的设备及环境异常向运维人员报警时的状态，运维人员能立即采用管理后台人工遥控功能，操控机器人第一时间到达异常设备设施的位置，能够及时将异常设备设施查看同时核实报警信息，以便下步快速制定响应和应急操作。

3.9 数据统计及报表

监控平台具备对监控数据进行储存、分析、统计、检索的功能。监控平台对数据进行标准化的整理与排序，支持报表导出保存。运维人员可根据任务或监控点在监控平台内对数据进行检索，快速查看监控数据。

巡检机器人在执行完一个任务之后都会自动生成报表，运维人员可以在监控平台根据时间、巡检类型、任务名称等进行检索并查看报表。运维人员可根据需求检索，查看，导出各类表报，包括巡检任务报表、数据报表、报警记录报表、环境信息报表等。

3.10 预警与联动

巡检机器人巡检过程中，通过数值分析、趋势分析、阈值对比、数据库等技术，对异常的数据实现自动预警。预警通过界面告警和声光告警2 种方式呈现，提醒运维人员。当后台分析数据显示为异常时，后台监控软件界面会出现告警信息列表，运维人员通过操作滚动显示告警信息。当系统存在告警信息时，系统通过巡检机器人告警音频及灯光闪烁，提醒运维人员注意。

系统预警功能通过大数据分析引擎和专家诊断系统技术，基于设备档案数据库，对采集的海量信息、自定义报表，结合专家分析知识，进行多维度数据分析，识别热斑缺陷，发现潜在的风险和缺陷，预测可能出现的问题，基于运营收益最大化目标，给出合理的维护建议，如零部件清洗保养建议、部件更换和维护建议等，实现预防性维护，减少非计划停运损失。

设备智能故障诊断系统通过对设备故障、线路故障的特征现象进行分析，利用专家诊断模型和STORM 实时数据分析技术，建立一种新的故障排查和分析机制，指出发现问题的原因，提供问题的解决方案，快速、准确地解决光伏电站运行中设备故障问题。同时把诊断的信息流自动输出至运维系统，来实现高效的运维诊断和检修管理。

3.11 机器人自检

巡检机器人作为巡检系统的主体，搭载主要的检测设备在前端采集各类数据信息。为了保证日常工作，机器人在启动巡检前均会进行自检，自检内容包括红外热成像仪、高清相机、电机、云台、内部存储及各种传感器等，若发现部件异常则给出异常状态报警，并将系统异常信息上传至监控后台，方便运维人员及时发现故障，减少故障处理时间，提高解决故障的效率。

4 结语

实现变电站巡检工作机器替代人工巡检，无人值守、智能管控。运维人员通过巡检机器人全景掌握高危区域设备的状态，减少巡检次数，降低日常维护的人员及物资等维护成本，挖掘生产状态数据中的价值，提高运维管理水平，降低人工巡检工作量。通过数字化建设提高工厂电气变电站智能化、信息化管理水平，实现变电站无人值守，提高管理质量和工作效率。