智能變電站巡檢機(jī)器人研制及應(yīng)用周立輝1,張永生1,孫勇2,3,梁濤2,3,魯守銀2,3(1.浙江省電力公司金華電業(yè)局,浙江省金華市321000;2.國(guó)家電網(wǎng)公司電力機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室,山東省濟(jì)南市250002;3.山東電力研究院,山東省濟(jì)南市250002摘要:介紹了一種基于移動(dòng)機(jī)器人的設(shè)備巡檢系統(tǒng)在智能變電站的應(yīng)用情況。該系統(tǒng)攜帶可見(jiàn)光攝像機(jī)、紅外熱像儀、拾音器等傳感器,基于磁軌跡實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑規(guī)劃和雙向行走,以自主或遙控方式對(duì)站內(nèi)一次設(shè)備進(jìn)行巡檢,及時(shí)發(fā)現(xiàn)設(shè)備熱缺陷和外觀異常;通過(guò)圖像處理和模式識(shí)別,判別出開(kāi)關(guān)和刀閘的分合狀態(tài),并在遙控或順序控制操作時(shí),與智能變電站順控系統(tǒng)配合,代替人工實(shí)現(xiàn)被控設(shè)備位置的自動(dòng)校核。現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況表明,移動(dòng)式變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人為智能變電站或無(wú)人值守變電站的運(yùn)行管理提供了一種創(chuàng)新型的設(shè)備檢測(cè)和監(jiān)控手段。關(guān)鍵詞:智能變電站;巡檢機(jī)器人;順序控制;磁軌跡;最優(yōu)路徑規(guī)劃收稿日期:2010-12-20;修回日期:2011-05-03。0引言變電站設(shè)備巡檢是有效保證變電站設(shè)備安全運(yùn)行、提高供電可靠性的一項(xiàng)基礎(chǔ)工作,主要分為例行巡檢和特殊巡檢。例行巡檢每天至少2次;特殊巡檢一般在高溫天氣、大負(fù)荷運(yùn)行、新投入設(shè)備運(yùn)行前以及大風(fēng)、霧天、冰雪、冰雹、雷雨后進(jìn)行。此外,檢修人員還通過(guò)手持紅外熱像儀,一般每半個(gè)月一次對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行紅外測(cè)溫?，F(xiàn)有巡檢方式主要為人工巡視,手工或手持掌上電腦記錄,每次巡視時(shí)間在2h以上。中國(guó)地域遼闊,有很多變電站的地理?xiàng)l件十分惡劣,如高海拔、酷熱、極寒、大風(fēng)、沙塵、多雨等,只靠人工在室外進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的設(shè)備巡檢工作十分困難。人工巡檢存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、檢測(cè)質(zhì)量分散、管理成本高等明顯不足[1-3]。隨著機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展,將機(jī)器人技術(shù)與電力應(yīng)用相結(jié)合,基于室外機(jī)器人移動(dòng)平臺(tái),攜帶檢測(cè)設(shè)備代替人工進(jìn)行設(shè)備巡檢成為可能。早在2002年,電力機(jī)器人技術(shù)實(shí)驗(yàn)室在國(guó)家“863計(jì)劃”(2002AA420110-3的支持下,研發(fā)出第1代變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人[4-5]。該機(jī)器人攜帶可見(jiàn)光攝像機(jī)和紅外熱像儀等傳感器,沿一條閉合磁軌跡單向巡視,不支持雙向行走;作為一個(gè)獨(dú)立的巡檢系統(tǒng),也未實(shí)現(xiàn)與外部系統(tǒng)的接口;此外,該機(jī)器人在運(yùn)行性能和可靠性等方面,還無(wú)法做到室外長(zhǎng)時(shí)間的自主運(yùn)行。經(jīng)過(guò)幾年的持續(xù)研究與改進(jìn),2010年實(shí)驗(yàn)室又研發(fā)出第4代巡檢機(jī)器人,系統(tǒng)性能和可靠性顯著提高,采用百萬(wàn)像素的網(wǎng)絡(luò)高清攝像機(jī),重新設(shè)計(jì)了室外柔性充電機(jī)構(gòu),新增基于磁軌跡的最優(yōu)路徑規(guī)劃和雙向行走、自動(dòng)配合遙控或順序控制操作進(jìn)行被控設(shè)備的位置校核、一個(gè)變電站雙機(jī)器人協(xié)同、與固定點(diǎn)視頻融合等功能。新一代巡檢機(jī)器人已成功應(yīng)用于浙江某500kV智能變電站改造項(xiàng)目。1變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人系統(tǒng)變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人基于自主導(dǎo)航、精確定位、自動(dòng)充電的室外全天候移動(dòng)平臺(tái),集成可見(jiàn)光、紅外、聲音等傳感器;基于磁軌跡和路面特殊布置的無(wú)線射頻識(shí)別(RFID標(biāo)簽,實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的最優(yōu)路徑規(guī)劃和雙向行走,將被檢測(cè)設(shè)備的視頻、聲音和紅外測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控室;巡檢后臺(tái)系統(tǒng)通過(guò)設(shè)備圖像處理和模式識(shí)別等技術(shù),結(jié)合設(shè)備圖像紅外專家?guī)?實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備熱缺陷、分合狀態(tài)、外觀異常的判別,以及儀表讀數(shù)、油位計(jì)位置的識(shí)別;并配合智能變電站順控操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)被控設(shè)備狀態(tài)的自動(dòng)校核。1.1系統(tǒng)組成設(shè)備巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)為網(wǎng)絡(luò)分布式架構(gòu),如圖1所示。系統(tǒng)分為3層:基站層、通信層和終端層?；緦佑杀O(jiān)控后臺(tái)組成,是整個(gè)巡檢系統(tǒng)的數(shù)據(jù)接收、處理與展示中心,由數(shù)據(jù)庫(kù)(模型庫(kù)、歷史庫(kù)、實(shí)時(shí)庫(kù)、模型配置、設(shè)備接口(機(jī)器人通信接口、紅外熱像儀接口、遠(yuǎn)程控制接口等、數(shù)據(jù)處理(實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理、事項(xiàng)報(bào)警服務(wù)、日志服務(wù)等、視圖展示(視頻視圖、電子地圖、事項(xiàng)查看等等模塊組成。基站層通過(guò)圖像處理和模式識(shí)別等技術(shù),實(shí)現(xiàn)設(shè)備缺陷的自動(dòng)識(shí)別和報(bào)警?！?8—第35卷第19期2011年10月10日Vol.35No.19Oct.10,2011圖1變電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1Systemstructureofsubstationinspectionrobot通信層由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、無(wú)線網(wǎng)橋基站(固定在主控樓樓頂及無(wú)線網(wǎng)橋移動(dòng)站(安裝在移動(dòng)機(jī)器人上等設(shè)備組成,采用Wifi802.11n無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議,為站控層與終端層間的網(wǎng)絡(luò)通信提供透明的傳輸通道。終端層包括移動(dòng)機(jī)器人、充電室和固定視頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)。移動(dòng)機(jī)器人與監(jiān)控后臺(tái)之間為無(wú)線通信,固定視頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)與監(jiān)控后臺(tái)之間可采用光纖通信。充電室中安裝充電機(jī)構(gòu),機(jī)器人完成一次巡視任務(wù)后或電量不足時(shí),自動(dòng)返回充電室進(jìn)行充電。1.2主要功能1檢測(cè)功能:通過(guò)在線式紅外熱像儀檢測(cè)一次設(shè)備的熱缺陷,包括電流致熱型、電壓致熱型設(shè)備的本體及接頭的紅外測(cè)溫;通過(guò)在線式可見(jiàn)光攝像儀進(jìn)行一次設(shè)備的外觀檢查,包括破損、異物、銹蝕、松脫、漏油等;斷路器、刀閘的位置;表計(jì)讀數(shù)、油位計(jì)位置;通過(guò)音頻模式識(shí)別,分析一次設(shè)備的異常聲音等。2導(dǎo)航功能:按預(yù)先規(guī)劃的路線行駛,能動(dòng)態(tài)調(diào)整車(chē)體姿態(tài);差速轉(zhuǎn)向,原地轉(zhuǎn)彎,轉(zhuǎn)彎半徑小;磁導(dǎo)航時(shí)超聲自動(dòng)停障;最優(yōu)路徑規(guī)劃和雙向行走,指定觀測(cè)目標(biāo)后計(jì)算最佳行駛路線。3分析及報(bào)警:設(shè)備故障或缺陷的智能分析并自動(dòng)報(bào)警;自動(dòng)生成紅外測(cè)溫、設(shè)備巡視等報(bào)表,報(bào)表格式可由用戶定制,可通過(guò)IEC61850接口上送信息一體化平臺(tái);按設(shè)備類別提供設(shè)備故障原因分析及處理方案的輔助系統(tǒng),提供設(shè)備紅外圖像庫(kù),協(xié)助巡檢人員判別設(shè)備的故障。4控制功能:設(shè)備巡檢人員可在監(jiān)控后臺(tái)進(jìn)行巡視;可對(duì)車(chē)體、云臺(tái)、紅外及可見(jiàn)光攝像儀進(jìn)行手動(dòng)控制;實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備巡檢的本地及遠(yuǎn)方控制;與順序控制系統(tǒng)相結(jié)合,代替人工實(shí)現(xiàn)開(kāi)關(guān)、刀閘操作后位置的校核。5特殊巡視:當(dāng)因天氣惡劣或設(shè)備附近存在安全隱患等原因,運(yùn)行人員不便靠近該設(shè)備時(shí),機(jī)器人可代替運(yùn)行人員到達(dá)指定設(shè)備的觀測(cè)位置,運(yùn)行人員在后臺(tái)通過(guò)調(diào)整機(jī)器人云臺(tái)位置對(duì)準(zhǔn)被觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)。6固定視頻點(diǎn)接入:設(shè)備巡檢機(jī)器人系統(tǒng)還可接入變電站的固定視頻監(jiān)測(cè)點(diǎn),覆蓋機(jī)器人無(wú)法到達(dá)的觀測(cè)死角,實(shí)現(xiàn)全站的視頻監(jiān)測(cè)。7與外部系統(tǒng)接口:與變電站綜合自動(dòng)化系統(tǒng)接口,獲取設(shè)備實(shí)時(shí)負(fù)荷電流進(jìn)行設(shè)備溫升分析;作為IEC61850服務(wù)端與綜合自動(dòng)化或智能變電站信息一體化系統(tǒng)接口,配合遙控或順序控制進(jìn)行被控設(shè)備的位置校核。與生產(chǎn)管理信息系統(tǒng)(MIS接口,上送紅外測(cè)溫和設(shè)備外觀異常信息。2變電站設(shè)備巡檢機(jī)器人系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)2.1基于磁導(dǎo)航的最優(yōu)路徑規(guī)劃和雙向行走文獻(xiàn)[6]提出一種巡檢機(jī)器人尋跡方案,先利用全球定位系統(tǒng)(GPS粗定位(約3m,再由光電傳感器、電感式接近開(kāi)關(guān)、光電編碼器探測(cè)軌跡中的金屬信號(hào)源,實(shí)現(xiàn)精確定位。但GPS信號(hào)在變電站易受干擾,機(jī)器人在高壓設(shè)備區(qū)接收不到GPS信號(hào)。目前,磁導(dǎo)航(路面磁軌跡結(jié)合RFID標(biāo)簽定位是應(yīng)用于變電站室外強(qiáng)電磁環(huán)境、全天候條件下的最為可靠的一種導(dǎo)航定位方式,定位精度在2cm以內(nèi)。與GPS坐標(biāo)式導(dǎo)航方式不同,采用磁導(dǎo)航時(shí)無(wú)法得到機(jī)器人的位置坐標(biāo),通常機(jī)器人只能沿一條閉合路徑單向行走,可以實(shí)現(xiàn)基本的設(shè)備巡檢功能。為通過(guò)機(jī)器人實(shí)現(xiàn)智能變電站中遙控或順序控制的位置校核,機(jī)器人要從當(dāng)前位置沿最優(yōu)路徑迅速運(yùn)動(dòng)到被控設(shè)備的觀測(cè)位置,下面設(shè)計(jì)了一種基于磁軌跡實(shí)現(xiàn)最優(yōu)路徑規(guī)劃和雙向行走的解決方案并成功通過(guò)變電站現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際驗(yàn)證。2.1.1磁軌跡與RFID標(biāo)簽的布置變電站內(nèi)磁軌跡和RFID標(biāo)簽的布置方式如圖2所示。磁軌跡敷設(shè)在道路中間,停靠檢測(cè)點(diǎn)的—68—2011,35(19RFID標(biāo)簽埋設(shè)在磁軌跡的右側(cè)(相距約20cm。如機(jī)器人只沿一個(gè)閉合路徑單向行走,則每個(gè)路口只需安置1個(gè)RFID標(biāo)簽。為實(shí)現(xiàn)機(jī)器人雙向行走,需要根據(jù)路口類型埋設(shè)多個(gè)RFID標(biāo)簽。由于機(jī)器人識(shí)別到RFID標(biāo)簽后進(jìn)行平穩(wěn)停車(chē)時(shí)有一定的停車(chē)距離(約20cm,所以在所有路口以路口交叉點(diǎn)為基準(zhǔn),在機(jī)器人的每個(gè)方向沿磁軌跡駛向路口交叉點(diǎn)的右側(cè),埋設(shè)路口標(biāo)示點(diǎn)RFID標(biāo)簽(橫向距磁軌跡約20cm,縱向距道路中心點(diǎn)約50cm,路口標(biāo)示點(diǎn)RFID標(biāo)簽的埋設(shè)數(shù)量分別為:拐彎處2個(gè),丁字路口3個(gè),十字路口4個(gè)。移動(dòng)機(jī)器人底部的左右兩側(cè)對(duì)稱安裝2個(gè)RFID讀卡器,這樣機(jī)器人行駛過(guò)程中讀到任一RFID標(biāo)簽時(shí),均能識(shí)別出自身的位置和行走的方向。圖2磁軌跡與RFID標(biāo)簽布置示意圖Fig.2SchematicdiagramofmagneticpathandRFIDtags2.1.2磁軌跡與RFID標(biāo)簽?zāi)Ｐ团渲煤鸵?guī)劃算法采用全局路徑規(guī)劃中的拓?fù)浞▽?duì)巡視道路進(jìn)行建模。根據(jù)RFID標(biāo)簽的連通性建立拓?fù)渚W(wǎng)狀圖,為簡(jiǎn)化計(jì)算,路口多個(gè)RFID標(biāo)簽先合并為圖中的一個(gè)節(jié)點(diǎn),磁軌跡作為圖中的一條邊。通過(guò)對(duì)節(jié)點(diǎn)和邊的遍歷,計(jì)算2個(gè)節(jié)點(diǎn)間的最短連通路徑,再轉(zhuǎn)換到以RFID標(biāo)簽序列標(biāo)示的行駛路線,在每個(gè)路口RFID標(biāo)簽,根據(jù)路徑連通性,計(jì)算出機(jī)器人的轉(zhuǎn)動(dòng)角度。2.2順序控制的位置校核2.2.1順序控制順序控制是指自動(dòng)完成相關(guān)運(yùn)行方式變化要求的一系列設(shè)備操作,是智能變電站在數(shù)字化變電站基礎(chǔ)上擴(kuò)展的一項(xiàng)重要功能。在對(duì)開(kāi)關(guān)或刀閘進(jìn)行操作時(shí),巡檢機(jī)器人可代替人工,按自動(dòng)規(guī)劃出的最優(yōu)路徑移動(dòng)到目標(biāo)設(shè)備的監(jiān)測(cè)位置,通過(guò)所攜帶的可見(jiàn)光攝像機(jī)或紅外熱像儀抓取設(shè)備圖像,并對(duì)設(shè)備圖像進(jìn)行圖像處理和模式識(shí)別,識(shí)別出開(kāi)關(guān)或刀閘的當(dāng)前位置,從而實(shí)現(xiàn)被控設(shè)備控前及控后位置的校核,在站內(nèi)和遠(yuǎn)端實(shí)現(xiàn)可視化操作,滿足無(wú)人值班及區(qū)域監(jiān)控中心站管理模式的要求。巡檢機(jī)器人與順序控制系統(tǒng)的交互過(guò)程如圖3所示。圖3與順序控制系統(tǒng)的交互步驟Fig.3Interactivestepswithsequencecontrolsystem2.2.2支持順序控制的IEC61850接口在機(jī)器人巡檢系統(tǒng)的IEC61850智能電子設(shè)備(IED模型中,創(chuàng)建變電站內(nèi)所有需要控制的開(kāi)關(guān)、刀閘設(shè)備的邏輯節(jié)點(diǎn)(即邏輯節(jié)點(diǎn)CSWI,機(jī)器人對(duì)開(kāi)關(guān)進(jìn)行模式識(shí)別的結(jié)果通過(guò)邏輯節(jié)點(diǎn)GGIO的Ind數(shù)據(jù)點(diǎn)組織成信息報(bào)告發(fā)送給信息一體化平臺(tái),Ind采用SPS單點(diǎn)遙信,上送的數(shù)據(jù)為遙控結(jié)果(用布爾量表示:1表示成功(控分且識(shí)別的結(jié)果為分,控合且識(shí)別的結(jié)果為合,0表示失敗(控分未分到位,控合未合到位;另外,在失敗時(shí)以報(bào)告的形式發(fā)送告警信號(hào)。如圖4所示,巡檢機(jī)器人后臺(tái)與信息一體化平臺(tái)順序控制系統(tǒng)服務(wù)器配合校驗(yàn)的過(guò)程,與IEC61850標(biāo)準(zhǔn)中控制信息模型中帶增強(qiáng)安全的操作前選擇模型一致,可以用IEC61850中定義的控制操作和信息報(bào)告來(lái)完成上述交互過(guò)程。當(dāng)順序控制系統(tǒng)遙控站內(nèi)的某個(gè)設(shè)備時(shí),在向該開(kāi)關(guān)發(fā)送正常遙控命令的同時(shí),也給巡檢機(jī)器人IED模型中的設(shè)備節(jié)點(diǎn)發(fā)送遙控命令。3變電站現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況浙江某500kV變電站(南北約300m,東西約200m配置2臺(tái)巡檢機(jī)器人,500kV區(qū)1臺(tái),220kV和35kV區(qū)1臺(tái),每臺(tái)機(jī)器人1個(gè)充電室,如圖5所示。2臺(tái)機(jī)器人一般分區(qū)巡視,需要時(shí)也可跨區(qū)巡視。2個(gè)區(qū)域的巡視道路總長(zhǎng)約5km,以RFID標(biāo)簽標(biāo)示的路口有50多個(gè);以RFID標(biāo)簽標(biāo)示的機(jī)器人?？奎c(diǎn)近300個(gè);設(shè)備觀測(cè)位置約1200個(gè)(平均—78—·新技術(shù)新產(chǎn)品·周立輝,等智能變電站巡檢機(jī)器人研制及應(yīng)用圖4順序控制的IEC61850接口Fig.4IEC61850interfaceofsequencecontrol圖5機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)巡檢路線示意圖Fig.5Schematicdiagramofpatrollingpathofmobilerobot在每個(gè)?？奎c(diǎn)觀測(cè)附近的4個(gè)設(shè)備。500kV區(qū)全任務(wù)巡檢約70min,220kV和35kV區(qū)全任務(wù)巡檢約150min。每天上午、下午、晚上定時(shí)執(zhí)行3次巡檢任務(wù),巡檢任務(wù)執(zhí)行結(jié)束后,機(jī)器人返回充電室自主充電。如機(jī)器人接收到順序控制系統(tǒng)的遙控操作命令,將停止充電或正進(jìn)行的巡檢任務(wù),根據(jù)被控設(shè)備的觀測(cè)位置,計(jì)算出最佳行駛路徑并直接運(yùn)動(dòng)到被控設(shè)備的預(yù)定觀測(cè)位置進(jìn)行檢測(cè)。機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)配合測(cè)試順序控制操作票200余張,設(shè)備位置識(shí)別成功率達(dá)98%以上?，F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用情況見(jiàn)附錄A圖A1~圖A3。4結(jié)語(yǔ)本文介紹了設(shè)備巡檢機(jī)器人在智能變電站的典型應(yīng)用模式,該機(jī)器人基于室外全自主移動(dòng)平臺(tái)和磁軌跡導(dǎo)航,實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)路徑規(guī)劃和雙向行走,可以取代或輔助變電站運(yùn)行人員進(jìn)行日常的設(shè)備巡檢、紅外測(cè)溫等工作;巡檢機(jī)器人還能代替人工配合順序控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)被控設(shè)備位置的自動(dòng)校核。通過(guò)巡檢機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備巡檢的無(wú)紙化和信息化,切實(shí)提高設(shè)備巡檢的工作效率和質(zhì)量,降低變電站運(yùn)行人員的勞動(dòng)強(qiáng)度和工作風(fēng)險(xiǎn),為智能變電站或無(wú)人值守變電站的運(yùn)行管理提供了一種創(chuàng)新型的設(shè)備檢測(cè)和監(jiān)控手段。附錄見(jiàn)本刊網(wǎng)絡(luò)版(/aeps/ch/index.aspx。參考文獻(xiàn)[1]陳啟卷,毛慧和,肖志懷,等.便攜式電力設(shè)備巡檢裝置[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2001,25(2:61-63.CHENQijuan,MAOHuihe,XIAOZhihuai,etal.Portableinspectiontourinstallationofpowerequipment[J].AutomationofElectricPowerSystems,2001,25(2:61-63.[2]沈祥,祝項(xiàng)英,金乃正.無(wú)人值班變電站遠(yuǎn)方監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用[J].電力系統(tǒng)自動(dòng)化,2004,28(2:89-90.SHENXiang,ZHUXiangying,JINNaizheng.Designandapplicationforunmannedsubstationremotemonitoringandcontrolsystem[J].AutomationofElectricPowerSystems,2004,28(2:89-90.[3]張喜平.變電站遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)[J].電力系統(tǒng)自動(dòng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