智能巡检机器人系统功能构建及其在变电站中的应用

陈波

摘  要：随着计算机网络和设备技术的发展，现代高压输变电工程的发展也越来越复杂化和规范。而使用传统的操作、运行和维护等方式，会使其面临着新的挑战，大量的子系统、设备部件如何进一步适应当下的高压电网运行，如何减轻变电站值班人员的运行和维护负担，保证设备的可靠安全运行，都是今后的主要问题。因此，该文对智能巡检机器人系统在變电站中的应用进行了探讨。

关键词：智能巡检机器人;变电站;计算机网络

中图分类号：TP242      文献标志码：A

越来越多的变电站和电气设备，随着我国电力系统规模的扩大而不断扩大。而在技术发展的同时，智能电网技术逐渐兴起，变电站也逐步实现了少人或是无人值守。为了实现变电站开关、仪表等信息的远程采集，采用智能机器人取代人工巡检，可以有效排除人工巡检中的诸多不利因素，促进电网稳定、安全运行，并为其提供坚实的技术保障。

1 智能巡检机器人系统

1.1 智能检测机器人系统结构

变电站智能巡检机器人系统是一个具有系统和层次的分布式组织架构。其中远程控制中心平台为一级管理层，系统集成管理平台是二级管理层，而该平台的构建模式是以智能巡检机器人系统为背景，变电站其他第三方系统在电力通信协议下实现联动和对接，智能巡检机器人则在第三层。其可以通过与变电站自动化系统和安全管理系统进行连接的方式，实现变电站系统的综合管理。

1.2 智能巡检机器人

智能检测机器人的信息采集终端配有高灵敏度传感器、局部放电监测仪、紫外摄像机、红外热像仪、高清可见光摄像机等设备，变电站的电力设备和电力环境的运行状态，由各种环境传感器进行监测。其主要功能包括3个。1） 可见光视频分析功能，可以独立读取和识别各种开关、仪表和设备的状态值，通过视频分析出相关数据，而且在独立操作中不受人工干扰，这时候的变电站可以说是真正意义上的无人值班。2）红外万能试验，红外万能试验是指基于红外万能试验技术的智能检测机器人，在检测过程中，对视觉范围内的所有设备的外部温度场进行全面扫描，并进行温度采集，红外检测和热诊断带电作业下的连续加热设备，有效避免区域设备损坏。3）噪声诊断，智能检测机器人携带高灵敏度传感器，采集主变、厂变、电抗器等电气设备的音频信息。此外，还采用国际先进的语音识别技术和音频降噪算法，提高了音频信息识别的准确性和可靠性，减少了环境噪声的干扰，音频数据通过软件压缩后传输到后台服务器进行存储、识别和分析[1]。

1.3 远程协助和监测

智能巡检机器人配备紧急广播扬声器、紧急监控麦克风和双向语音系统，实现了后台控制中心和开关柜室工作人员、操作现场的双向对讲，实现了对设备现场的远程管理和监控。另外，可在电力通信网络中依托综合管理平台传输音频数据，连接不同层次的监控平台，形成快速、高效的远程专家指挥系统。在设备的维护、巡检和操作期间，监理人员可通过后台远程监控，对现场进行指导、监督。

2 巡检机器人系统的主要设计特点

2.1 人脸识别

变电站区域是不允许随意出入的，属于特殊环境。合法的人脸数据都在后台专家数据库中存储备案，现场对采集的视频数据与数据库数据进行对比，如果数据匹配失败，则自动判定为异常情况，并及时报警。外部人员进入变电站指定的区域工作时，机器人会自动识别人员信息，防止非备案人员、不合格人员或人员随意更换所造成的施工风险。对于站内异常的人员通过人脸识别进行判断，同时也可以跟踪其行为，从而避免非法人员进入变电站造成风险威胁。

2.2 危险区域识别

变电站通常根据危险系数，将一些区域划分为危险区域和禁区。为避免发生安全事故，人员和其他异物不得随意进出。在变电站进行作业、试验和施工时，指定作业区域外的作业人员的行为可以被机器人监控，并做出判断，依据情况发出相应的安全警报，确保作业人员的人身安全。为防止第三方非法误入，要实时监控和识别禁区，并对异常入侵进行识别、实施巡逻和定位等，机器人一旦发现有人闯出或闯入特定的识别区域，就会通过报警来警示人员，避免危险发生。

2.3 操作核对

近些年，由于变电站的操作存在不当或是缺陷的现象，很容易造成各类事故。传统的操作通常是由2人完成，1人负责操作，1人负责监控。很多变电站的工作都是在深夜进行的，员工的操作很容易疏忽大意，因此常有事故发生。采用机器人操作监控可以提高操作的可靠性和安全性。比较典型的是在操作台上增加了“机器人确认”的步骤，相关的还包括开关分合状态检查、操作后设备状态检查、人员确认到位等。

2.4 应急处理

当将监控后台的指令下达到巡逻机器人或是巡逻机器人发现紧急情况后，在指定的应急区域内通过热成像和高清视频，将现场的情况第一时间反馈给运行维护人员，通知他们来核查现场的异常情况。当现场有烟雾时，检测机器人可以通过红外热像仪来对烟雾位置进行确定，并锁定故障范围，检查其他相邻设备的情况，实时记录视频并反馈现场情况。在锁定事故现场后，通过专网将故障定位、事故信息等信息从本地综合管理平台发送到上级管理平台，并利用巡逻机器人进行信息交互和远程的音视频传输，及时地将现场信息反馈至运输中心站。在此期间，运维人员无需到达现场，就可以及时了解现场情况，并根据专业且客观的判断，及时制定解决方案，并远程组建网络专家对事故进行联合分析，并结合事故情况对设备现存缺陷等进行实时检测，提高事故处理的专业性、科学性和高效性，确保运行和维护人员、设备的安全。

3 变电站智能机器人巡检系统功能设计

3.1 基站控制系统层

在机器人的操作中，机器人的动作可以通过遥控来控制，也可以设定巡检任务实现机器人的自动巡检，如果需要实时的图像数据以及监控功能，在机器人上安装红外热像仪和可见光摄像机即可。机器人的内部状态信息可以通过后台的显示器看到，这样可以有效监控机器人的位置并控制其运行状态。在机器人的操作中，电子地图、任务管理、工作系统等数据都存储在数据库中，以备将来使用。

3.2 移动站控制系统层

移动站控制系统层主要包括检测采集系统、电源系统、运动控制系统、导航定位系统、主控计算机系统等，采用Windows CE嵌入式系统实现机器人的全方位、多功能操作。定位系统由导航传感器和定位传感器组成，能够实时监控和控制机器人的位置。运动系统包括电池和电源管理，可以控制机器人的驱动机构、驱动电机、运动控制器等部件，满足机器人运行的动力需求。检测采集系统的数据传输和采集是通过摄像机和红外热像仪进行的[2]。

3.3 其他功能设计

其他功能设计包括6个方面的内容。1）信息交换和通信网络功能。机器人与监控后台进行双向的信息交互，而监控后台与远程集中控制后台进行双向信息交互，实现多平台的信息交互，信息交互的内容主要是机器人本体状态数据和检测数据。2）电池供电模式下自充电。电池电量报警时，机器人可配合室内充电设备完成自充电。3）报警功能。具备对监测数据的分析报警功能，报警发生时，远程传输信号和报警信息，并有明显的声光提示，可以手动恢复或退出。4）测温功能。能检测站内设备的温度，并能根据相应的规范要求，自动分析判断电压加热型和电流加热型的故障或缺陷，并进行预警。5）仪表读数。对油位标记的表盘数据进行读取，并自动判断、记录、报警，读数的误差<5%。6）噪声识别。对设备运行的噪声进行分析、采集、远传。

4 智能机器人检测系统在变电站中的实际应用

4.1 变电站智能巡检机器人应用系统架构

变电站智能巡检机器人应用系统架构主要包括远程控制系统、本地控制系统和车辆系统3个部分。车辆子系统覆盖了包括高分辨率摄像机、视频服务器、红外摄像机、激光雷达等相应的网络设备。在操作台上，操作人员对智能巡检机器人的终端进行控制和操作，在工作站中也安装了本地的控制终端，整个检测区域内完整覆盖无线网络，在监控终端与控制终端之间实现双向数据交互。同时，本地控制终端通过远程控制终端和硬件防火墙，将专用网络与运维站相连。

4.2 智能巡检机器人无线网络方案

根据检查区域的大小，变电站的无线网络设置可以覆盖一个或是多个无线接入点，为保证在正常情况下的无线网络覆盖良好，电压等级为110 kV、220 kV、500 kV的变电站可采用一个无线接入点，等级为1 000 kV的，为保证变电站相应的无线网络无死角全覆盖，可接入2个无线接入点。同时，智能控制机器人可由工业无线接入点作为客户端接入，客户端接入变电站无线接入点，机器人上的网络设备通过客户端接入现场无线网络。此外，无缝漫游功能可将巡逻区域内多个接入点组合成无线网络。此时，智能机器人可以在不切换网络的情况下在任何地方进行移动。无线接入点在室外安装，通过光纤与主控室的客户端连接。通常情况下，变电站检查区域的中心是无线网络的接入点，当网络明显堵塞或检查区域过大时，必须设置2个接入点。该区域可以分为2个平均的区域，将无线接入点置于每个区域的中心，以实现全面的区域覆盖。

4.3 智能巡检机器人集群控制网络设计

本地控制终端通过专用网络和硬件防火墙连接到运维站的远程控制后台。变电站运行维护人员可以通过后者提供的浏览器查看远程监控后台的数据，数据可以是一个或多个站点的数据。当同一个运维站被多个平台的本地控制终端同时连接时，可以采用星型的网络连接方式，每个平台的智能巡检机器人由运维站统一控制。

4.4 智能巡检机器人系统技术应用

4.4.1 模式识别

智能机器人检测系统在变电站的实际应用中，由于运动控制精度、导航对接精度等因素的影响，每次都难以准确瞄准目标。监测的实际结果根据观测距离的差异，也会发生一定的变化，导致最终的结果准确度很差。在这方面，配合机器人的监控位置，采用模式识别算法来分离目标并精确定位，以此来保证监控数据的准确性和可用性，保证监控数据的可用性和准确性，为设备的实际运行提供更及时的数据支持和信息依据。

4.4.2 三维电子地图

在变电站智能机器人检测系统的应用过程中，需要应用其他相关技术来提高系统的性能和功能。例如，可以利用三维虚拟现实技术构建变电站仿真模型。三维电子技术的应用可以解决二维地图的局限性，通过后台可以更加准确地定位巡逻地点。进行实时数据曲线分析。在设备的实际运行中，由于设备自身负载的不断变化，可能会对设备的温度产生影响。然而，设备的老化、缺陷等问题，难以用简单的温度变化准确的反映出来。如果设备实际运行负荷与温度变化有联系，那么想要得到准确的结果，就需要用2条曲线的变化来分析具体问题，并按照要求确定温度变化是否是由环境变化引起，或者是否由设备本身的老化问题或缺陷引起[3]。

4.5 智能巡检机器人的网络安全防护

智能电网信息安全的重要性可想而知，而采用无线网络连接的机器人，无法实现物理隔离，无法切断网络上的传输。基于此，要确保机器人系统在最坏的情况下仍然能够保证网络的绝对安全，这就非常有必要设计一个专用的机器人应用安全系统。本地控制终端和无线接入点采用的是WPA2安全模式，增强了无线网络的安全性。本地控制端使用的是路由器，可以提供防范如ARP欺骗攻击等多种攻击防范技术，内置高性能防火墙，可以防范大部分的网络攻击。与远程集中控制终端和本地控制终端通过专用网与硬件防火墙连接。此外，本地管理后台嵌入式子系统之间的交互将受到软件防火墙的保护，软件防火墙通过Suro-OS-RT专有协议，对不符合通信协议的相应数据包进行隔离。即使攻击者可以更改IP地址或MAC地址，也无法通过防火墙进行验证。服务站后台与本地控制终端为了进一步保证网络通信的安全，通过硬件防火墙进行连接。当智能巡检机器人在网络交互过程中显示异常时，远程集中控制终端和本地控制终端会同时弹出窗口并报警。

5 结语

随着人工智能技术的应用和发展，机器人检测已经成为变电站智能化发展的重要方向。将来，机器人也将会在变电站的运行维护方面发挥不可替代的作用。在變电站各种设备的检测中，已经逐步应用机器人检测技术，既弥补了人工检测的某些盲点，又保证了检测的智能性和灵活性，提高了检测数据的真实性和可靠性。在变电站无人值守的情况下，变电站未来的发展方向具有广阔的发展前景和应用空间。

参考文献

[1]文宗林.智能巡检机器人应用现状及问题[J].低碳世界，2018（11）：43.

[2]黎进光.高压变电巡检机器人智能技术分析[J].科技资讯，2019（12）：23.

[3]陈涛.智能巡检机器人系统的设计与实现[J].自动化应用，2020（1）：62.