基于巡检机器人的变电站安全运维系统设计与实现

王霞丽

国网上海市浦东供电公司,上海 200122

0 引言

当前变电站内部设备运维大多需要工作人员到现场进行,运行维护人员必须在变电站内部才能进行相应的运行维护工作,导致在突发故障时,无法及时解决[1]。变电站的运维全靠维护人员入驻各个变电站进行,而变电站往往分布在各个位置,运维人员需要频繁地在工作地与变电站之间来回周转,造成了较多人力、物力的浪费[2]。基于巡检机器人的变电站安全运维系统的构建,能够提高运维电网的效率,同时可以大幅降低运维电网的成本。

姚志强 等[3]从实际出发,从各个方案中选出了一种可远程控制运维机器人的远程运维系统,其系统技术为透明访问。该方案遵循通信服务化标准,核心思想为服务化技术。首先,在变电站构建服务端,服务端须与巡检机器人连接;其次,在主站建立运维终端,并将终端与服务端连接,透明化技术的运用使运维终端具有访问服务端及查看各类运行数据的权限;最后,在运维终端构建各类专用模块以满足各类需求。由此实现了在不改变变电站现有管理模式的情况下,通过巡检机器人便可同时对多个变电站可以进行远程管理和运维。

1 变电站安全运维系统设计

变电站内配电柜均是集中布置,所以其他空间比较有限,变电站内部也需要留出逃生通道,要求环境整洁,所以地面行走的装置不利于在变电站内部运行[4]。因此,在变电站内部布置轨道,巡检机器人装置采取轨道行走,解决了空间有限不利于装置巡检的弊端。巡检机器人搭配各类智能模块,可以满足变电站的远程运维要求。巡检机器人由软件和硬件设施2部分组成。

1.1 硬件结构

根据采集各类数据的要求,例如变电柜温度、变电站湿度、现场状况等,硬件设施需要有温湿度传感器、摄像装置、烟雾传感器及声音传感器等,具体结构如图1所示。

图1 系统硬件结构

由图1可知,巡检机器人的硬件设施由电源部分、控制部分、各个传感器及通信部分组成。控制部分为巡检机器人的轨道行走、摄像机及各个传感器;电源部分为整个巡检机器人提供电能[5];传感器部分负责收集现场数据,例如TH-CO2气体传感器收集现场的气体数据,超过一定浓度后就会报警;摄像机可以对现场的情况进行记录;终端通过无线装置实现实时监控。各个传感器是实现巡检机器人监控的重要硬件设施。而通信部分负责将收集分析后的数据通过无线装置上传至服务端,用于运维终端对数据进行查看并根据数据进行各类工作。

1.2 软件设计

在变电站安全运维系统中,软件部分的存储模块包含2个存储器,分别是外部的Flash存储器和用于存储运维视频及图像的SDRAM存储器。其中,外部Flash存储器内部安装的是K9K8G08U0A-A芯片,其各个端口的功能如表1所示。

表1 外部Flash存储器的断口功能

对于SDRAM存储器而言,其所具备的功能为:一是对DSP和ARM的可执行代码进行存储,当变电站安全运维系统启动时,可以加载内核;二是存储运维系统内部的各种数据文件;三是为缓冲视频的编解码功能提供中间数据。

以上2种存储器都可以对变电站安全运维数据进行分类管理,有利于系统硬件和软件取用数据,提升变电站安全运维系统的运行效率。

2 变电站安全运维系统软件设计

通过借鉴变电站的历史运维经验[6],确定变电站运行过程中的安全运维周期函数,即:

f(x)=AiWiLi

(1)

式中:Ai表示安全运维的比例函数;Wi表示曲率函数;Li表示变电站的运维线路。

利用式(1)的周期函数,构建变电站安全运维的目标函数,表示为:

(2)

式中:Ekt表示变电站k在t时段的个体维度;Rkt表示引力因子;xkt表示变电站k在t时段的安全运维状态;T表示运维周期;N表示周期总数。

在式(2)的目标函数下,利用式(3)的约束条件对变电站安全运维的时间进行约束[7],得到:

(3)

式中:ek表示变电站k的初始运维阶段;lk表示最晚运维阶段。

此外,还需要对变电站安全运维的顺序进行约束,约束条件表示为:

(4)

式中:Ti表示变电站i安全运维的时间;xknt表示变电站kn在t阶段的安全运维状态;xit和xjt表示第i、j个变电站在t阶段的安全运维状态;k1,k2,…,kn表示同时参与安全运维的变电站。

在式(3)和式(4)的约束条件下,构建了变电站安全运维模型,表示为:

(5)

式中:α表示优化系数。

综上所述,确定变电站运行过程中的安全运维周期函数之后,构建了变电站安全运维模型[8],实现了变电站安全运维系统的设计。

3 系统测试

3.1 测试对象

为了验证文中系统在实际应用中的性能,选择如图2所示的巡检机器人,以某变电站为例,完成其安全运维任务。

图2 巡检机器人

图2中的巡检机器人主要依靠四轮差分移动平台为其提供动力,在工作时可以准确定位,顶部的云台双摄系统可以让机器人在复杂的工作环境中完成运维任务。

3.2 测试参数

借助Windows操作平台和MATLAB软件,设置了巡检机器人的相关参数,如表2所示。

表2 巡检机器人的参数

表2中的巡检机器人参数可以应用在变电站运行的各种状态下,满足变电站安全运维系统测试的各项要求。

3.3 运维测试

若不考虑变电站安全运维过程中产生的间接成本,根据运维成本数据计算出运行维护人员的劳务成本,与采用基于巡检机器人的运维系统对比,结果如图3所示。

图3 运维费用对比结果

根据图3的结果可知,该变电站采用基于巡检机器人的安全运维系统后,其运维人员的劳务成本优化了34.9%,进一步验证了巡检机器人在变电站安全运维中的有效性。

4 结束语

将巡检机器人应用到变电站安全运维系统设计中,不仅实现了变电站的安全运维,还可以降低运维费用,大大提高了运维的经济性。在今后的研究中,还可引入机器视觉技术,进一步提高变电站安全运维的准确性。