孫 琨，薛金成，唐圣華，張 磊，張勇濤

（1北京首鋼股份有限公司設(shè)備部，2北京首鋼股份有限公司能源部，河北遷安 064404）

引言

變電站作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，是鋼鐵企業(yè)的主要?jiǎng)恿屑~，變電站的運(yùn)行狀況能夠直接影響鋼鐵企業(yè)的生產(chǎn)運(yùn)行。目前，首鋼股份公司變電站執(zhí)行人工巡檢方式，值班人員主要通過自身的感官和簡(jiǎn)單的儀器對(duì)設(shè)備運(yùn)行情況進(jìn)行初步的判斷。不僅工作效率低、勞動(dòng)強(qiáng)度高，同時(shí)還存在精度不足，難以有效地對(duì)設(shè)備隱患進(jìn)行深入分析[1]。近年來，傳統(tǒng)人工巡檢方式已不能滿足現(xiàn)代化變電站的運(yùn)行需求，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展和微機(jī)監(jiān)控技術(shù)在變電站的推廣使用[2]，變電站巡檢機(jī)器人系統(tǒng)因其靈活的控制、運(yùn)行方式,受天氣因素影響較小等優(yōu)點(diǎn)，逐漸在無人或少人值守的變電站中得到應(yīng)用，執(zhí)行對(duì)戶內(nèi)外高壓設(shè)備巡檢任務(wù)，為及時(shí)發(fā)現(xiàn)和消除設(shè)備缺陷，預(yù)防事故發(fā)生，保證變電站設(shè)備的安全運(yùn)行和合理巡檢發(fā)揮了顯著的作用。

1 首鋼變電站概況及巡檢需求

1.1 變電站情況簡(jiǎn)介

首鋼股份公司為實(shí)現(xiàn)打造智能化工廠的目標(biāo)，提高供用電系統(tǒng)的智能化運(yùn)維水平，在公司一座變電站中投入智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)。該110 kV 變電站主要設(shè)備有3 臺(tái)80 MVA 變壓器、一間110 kV SF6組合電器設(shè)備開關(guān)室、一間35 kV 和10 kV 開關(guān)設(shè)備共用的開關(guān)室、4 間消弧變室、一間地下電纜室和一間繼電保護(hù)室組成。巡檢環(huán)境主要分為三個(gè)巡檢區(qū)域：二層繼保室巡檢區(qū)域,一層開關(guān)室、消弧室及戶外變壓器巡檢區(qū)域,負(fù)一層地下電纜室巡檢區(qū)域。

1.2 總體設(shè)計(jì)需求

立足長遠(yuǎn)、搭建大數(shù)據(jù)電力系統(tǒng)智能巡檢平臺(tái)，使系統(tǒng)操作人員可以通過瀏覽器輸入IP 地址，訪問網(wǎng)絡(luò)上任何一個(gè)變電站、機(jī)器人巡檢系統(tǒng)和管控系統(tǒng)，查看各變電站的運(yùn)行情況。智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)以集控和展示為一體的Web 系統(tǒng)+APP 移動(dòng)端系統(tǒng)?？刂乒δ苤饕w現(xiàn)在對(duì)機(jī)器人的控制、任務(wù)的下發(fā)以及對(duì)執(zhí)行設(shè)備的實(shí)時(shí)控制。展示功能則是展示變電站所在位置信息，展示設(shè)備運(yùn)行和巡檢情況，生成歷史數(shù)據(jù)曲線、綜合報(bào)表、巡檢照片等。變電站檢測(cè)所得的數(shù)據(jù)，通過變電站智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)相互連接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，所有接口標(biāo)準(zhǔn)化、開放化、通用化。

變電站智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)電力設(shè)備運(yùn)行環(huán)境、配電柜運(yùn)行狀態(tài)、GIS 室、變壓器等現(xiàn)場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行采集和加工，實(shí)現(xiàn)對(duì)電力巡檢過程進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)和管控，具有實(shí)時(shí)故障自動(dòng)報(bào)警、設(shè)備運(yùn)行巡檢報(bào)告自動(dòng)生成的功能，最終達(dá)到電力設(shè)備管理智能化、綜合化、自動(dòng)化的目標(biāo)。變電站智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)見圖1。

圖1 變電站智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)架構(gòu)

2 變電站智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

2.1 電力設(shè)備數(shù)據(jù)采集

通過智能巡檢機(jī)器人對(duì)電力設(shè)備運(yùn)行環(huán)境、配電柜運(yùn)行狀態(tài)、組合電器、變壓器等現(xiàn)場(chǎng)信息進(jìn)行采集，進(jìn)行長周期存儲(chǔ)，滿足數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)和分析的要求。

巡檢機(jī)器人自檢信息、固定式巡檢設(shè)備信息的采集、存儲(chǔ)。

2.2 電力設(shè)備實(shí)時(shí)狀態(tài)監(jiān)控

實(shí)現(xiàn)對(duì)變電站的運(yùn)行環(huán)境、配電柜運(yùn)行狀態(tài)、變壓器運(yùn)行狀態(tài)等核心要素實(shí)施全方位監(jiān)控，數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)記錄，實(shí)時(shí)運(yùn)行狀態(tài)以數(shù)據(jù)和曲線方式顯示出來。

2.3 電力設(shè)備歷史數(shù)據(jù)查詢

提供實(shí)時(shí)趨勢(shì)曲線記錄和歷史數(shù)據(jù)回查功能，高速采集，高速記錄，可多曲線進(jìn)行比較分析，例如：變壓器觸頭溫度、配電柜儀表數(shù)值、SF6氣體濃度、局部放電情況等信息。

2.4 電力設(shè)備故障報(bào)警

報(bào)警系統(tǒng)能第一時(shí)間將故障或錯(cuò)誤信息按不同級(jí)別的方式提示出來，系統(tǒng)及時(shí)、準(zhǔn)確地將設(shè)備的故障代碼或故障點(diǎn)信息顯示出來，監(jiān)控軟件根據(jù)多項(xiàng)參數(shù)的趨勢(shì)變化提示的故障原因、報(bào)警提示，按時(shí)間順序排列顯示在其綜合列表中，并進(jìn)行及時(shí)更新、記錄。

2.5 電力設(shè)備狀態(tài)診斷

通過故障診斷系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)設(shè)備故障初判功能，可準(zhǔn)確定位到故障部位，快速查找故障原因。設(shè)備故障大體分為兩部分：一是現(xiàn)場(chǎng)巡檢機(jī)器人或者固定式巡檢設(shè)備自身發(fā)生故障，所發(fā)出的報(bào)警信息；二是檢測(cè)到電力設(shè)備狀態(tài)異常或發(fā)生故障，發(fā)出的報(bào)警信息。通過報(bào)警畫面顯示的不同位置和不同顏色，快速判斷出故障部位。并根據(jù)不同的故障，分類生成相應(yīng)的報(bào)表，便于數(shù)據(jù)記錄和查詢。

2.6 遠(yuǎn)程控制機(jī)器人巡檢

巡檢機(jī)器人對(duì)變電站內(nèi)設(shè)備標(biāo)定大量采樣點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)全天候不間斷高頻率全覆蓋巡檢。智能巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)見圖2。

圖2 智能巡檢機(jī)器人結(jié)構(gòu)

（1）機(jī)器人攜帶可見光相機(jī)，對(duì)需要人工目視確認(rèn)的儀表指示、開關(guān)位置和指示燈狀態(tài)做出判斷，在后臺(tái)系統(tǒng)顯示，并能及時(shí)告警。

（2）機(jī)器人攜帶紅外相機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)觸頭、設(shè)備表面的溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，出現(xiàn)溫度異常系統(tǒng)及時(shí)告警。對(duì)三相設(shè)備溫差進(jìn)行分析。

（3）機(jī)器人攜帶局放傳感器，對(duì)配電柜進(jìn)行局放檢測(cè)，檢測(cè)的數(shù)據(jù)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)視，并結(jié)合后臺(tái)圖譜庫進(jìn)行分析。

（4）機(jī)器人攜帶有環(huán)境傳感器，能夠?qū)ΜF(xiàn)場(chǎng)異響、氣體、溫濕度進(jìn)行檢測(cè)，錄入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫，進(jìn)行智能化分析。

（5）通過智能巡檢機(jī)器人系統(tǒng)，對(duì)變電站內(nèi)中運(yùn)行設(shè)備實(shí)現(xiàn)全方位監(jiān)控，可操作機(jī)器人，下達(dá)巡檢任務(wù)，還可調(diào)取歷史和實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)查看，生成分析報(bào)表。

（6）機(jī)器人應(yīng)具有障礙物檢測(cè)功能，在行走過程中如遇障礙應(yīng)及時(shí)停止，障礙物移開后恢復(fù)行走。

（7）機(jī)器人應(yīng)具備自動(dòng)門通訊功能，以無線方式控制對(duì)自動(dòng)門控制并接收自動(dòng)門反饋信息。

（8）機(jī)器人巡檢通道改造應(yīng)符合國家消防及安全管理相關(guān)規(guī)定。

2.7 現(xiàn)場(chǎng)巡檢實(shí)時(shí)跟蹤畫面

給巡檢機(jī)器人加裝高清攝像頭，對(duì)其巡檢過程進(jìn)行全程跟蹤，隨時(shí)掌握機(jī)器人巡檢工作進(jìn)行的情況和現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境變化情況，在巡檢過程中不僅能實(shí)時(shí)傳遞機(jī)器人巡檢的內(nèi)容，操作人員也能通過實(shí)時(shí)畫面掌握現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境變化，確保巡檢過程順利、準(zhǔn)確完成。

2.8 巡檢過程歷史畫面回放

巡檢過程中，錄像全程存儲(chǔ)，相關(guān)人員只要在智能巡檢平臺(tái)上輸入站點(diǎn)信息、時(shí)間節(jié)點(diǎn)、攝像頭標(biāo)號(hào)，就能迅速準(zhǔn)確地調(diào)取所需要的畫面回放，通過歷史畫面回放功能，對(duì)設(shè)備某段時(shí)間的運(yùn)行狀態(tài)受環(huán)境變化的影響情況進(jìn)行分析，或者為故障分析提供依據(jù)。

2.9 預(yù)留接口

系統(tǒng)設(shè)計(jì)充分考慮到未來發(fā)展，留有足夠的擴(kuò)充余量。通過預(yù)留接口，滿足本系統(tǒng)和其他管理系統(tǒng)的擴(kuò)展性需求。比如數(shù)字顯示屏數(shù)據(jù)讀取及三方數(shù)據(jù)接入、現(xiàn)場(chǎng)熱故障預(yù)警儀通訊信號(hào)接入等。

2.10 用戶管理和權(quán)限管理

提供完善的用戶帳號(hào)、密碼管理功能和嚴(yán)格的控制權(quán)限分級(jí)制度。根據(jù)控制權(quán)限分級(jí)制度，可以限定某些權(quán)限等級(jí)用戶可以控制設(shè)備，某些用戶僅能瀏覽，而無權(quán)控制，或不能看到管理權(quán)限以外的其他設(shè)備。系統(tǒng)訪問認(rèn)證：用進(jìn)入遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)必須事先進(jìn)行輸入用戶賬號(hào)和密碼注冊(cè)，系統(tǒng)管理員根據(jù)用戶授予相應(yīng)的權(quán)限監(jiān)視和控制權(quán)限。

2.11 系統(tǒng)管理

（1）系統(tǒng)日志：對(duì)于系統(tǒng)中的操作，如系統(tǒng)報(bào)警、用戶登錄和退出、系統(tǒng)運(yùn)行情況等等，都有系統(tǒng)日志記錄。

（2）控制權(quán)協(xié)商：當(dāng)多個(gè)用戶同時(shí)監(jiān)視一個(gè)前端時(shí)，為了避免控制混亂，只能有一個(gè)用戶對(duì)前端設(shè)備進(jìn)行控制，并根據(jù)用戶的優(yōu)先等級(jí)預(yù)先設(shè)定，對(duì)同等級(jí)用戶可通過網(wǎng)上自動(dòng)協(xié)商完成。

（3）同一遠(yuǎn)程監(jiān)控終端的操作人員可分為不同的管理等級(jí)，不同管理等級(jí)的操作人員具有不同的權(quán)限。遠(yuǎn)程操作員具有進(jìn)入和退出監(jiān)控軟件、修改口令、連接遠(yuǎn)端控制遠(yuǎn)程設(shè)備、接收和處理報(bào)警信號(hào)、設(shè)置圖像自動(dòng)切換或顯示的方式和時(shí)間等權(quán)限。

（4）信息查詢：登錄用戶可查詢系統(tǒng)的使用和運(yùn)行情況，如在線用戶名單、前端運(yùn)行狀態(tài)、報(bào)警信息等。

2.12 大數(shù)據(jù)分析及數(shù)據(jù)報(bào)告

系統(tǒng)將對(duì)過往巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行歷史分析，繪制出趨勢(shì)圖，從而給出人類感官無法察覺的從微觀到宏觀變化趨勢(shì)，以供決策層參考。

3 現(xiàn)場(chǎng)解決方案

經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地考察，此項(xiàng)目分為三層結(jié)構(gòu)，考慮到每層建筑結(jié)構(gòu)的互不相通以及每層巡檢工作的協(xié)調(diào)性，采用每層均布置一臺(tái)輪式機(jī)器人。為了有效利用資金，巡檢機(jī)器人采用可增減功能模塊的方式來配置。并根據(jù)每層巡檢對(duì)象的側(cè)重點(diǎn)不同，每臺(tái)機(jī)器人相應(yīng)配置的功能模塊則不同。

針對(duì)二層繼保室巡檢區(qū)域，主要的工作是二次設(shè)備狀態(tài)識(shí)別，僅需搭載可見光模塊。

針對(duì)一層巡檢區(qū)域，其分布的設(shè)備主要為三臺(tái)大型變壓器、組合電器及若干開關(guān)柜等，需搭載可見光、紅外、開關(guān)柜局放檢測(cè)、拾音等多種模塊。

針對(duì)負(fù)一層地下電纜室巡檢區(qū)域，主要工作為測(cè)溫及消防管廊滲漏等巡檢工作，需搭載可見光和紅外模塊。

施工過程中的難點(diǎn)集中在一層和負(fù)一層的巡檢區(qū)域。一層巡檢區(qū)域巡檢內(nèi)容較多，包括變壓器巡檢區(qū)域、35 kV及10 kV開關(guān)室巡檢區(qū)域、110 kV開關(guān)室巡檢區(qū)域、消弧室巡檢區(qū)域，其中對(duì)開關(guān)室、消弧室進(jìn)行巡檢機(jī)器人巡檢，對(duì)變壓器區(qū)域進(jìn)行定點(diǎn)機(jī)器人監(jiān)控巡檢。其中在35 kV及10 kV開關(guān)室至消弧室，以及至110 kV 開關(guān)室中，需要對(duì)防火門及擋鼠板進(jìn)行自動(dòng)化改造見圖3，以便實(shí)現(xiàn)單臺(tái)機(jī)器人對(duì)室內(nèi)外設(shè)備的巡檢工作。負(fù)一層電纜室區(qū)域存在較多電纜、消防水管等物體，機(jī)器人要在環(huán)境中進(jìn)行無障礙巡檢，需要對(duì)這些障礙物體進(jìn)行通道斜坡修建。斜坡修建保證承重不小于200 kg，坡度滿足機(jī)器人爬坡能力要求，見圖4。

圖3 自動(dòng)防火門及檔鼠板

圖4 通道斜坡

4 系統(tǒng)不足

（1）指針表、數(shù)字表存在反光問題需要解決，機(jī)器人在巡檢過程中，隨著光線的變化對(duì)部分儀表的識(shí)別存在影響。

（2）變電站巡檢機(jī)器人巡檢時(shí)，對(duì)巡檢控制精度要求很高，但偶爾存在著定位不準(zhǔn)、運(yùn)行路線偏差的現(xiàn)象，還需提高機(jī)器人激光定位和最小制動(dòng)距離控制精度。

（3）由于機(jī)器人高度較低，即使采用可升降旋轉(zhuǎn)云臺(tái)設(shè)計(jì)，但對(duì)許多設(shè)備缺少較好的觀測(cè)角度，巡視效果達(dá)不到最佳。

（4）機(jī)器人充電時(shí)間大約4～5 h，加上最大1m/s的行駛速度和精準(zhǔn)定位所需要的時(shí)間，不能滿足規(guī)定的巡檢周期要求，應(yīng)當(dāng)在保證安全的前提下，提高電池充電速度。

（5）機(jī)器人巡檢其功能主要表現(xiàn)在表計(jì)、設(shè)備的外觀巡視以及紅外測(cè)溫；在分析設(shè)備噪聲方面的功能還有待提高，容易受外界噪音的干擾做出誤判，需要加強(qiáng)其智能分析能力。

5 結(jié)束語

隨著科技的進(jìn)步發(fā)展，當(dāng)前變電站的智能巡檢機(jī)器人的水平也在不斷提升，通過機(jī)器人可實(shí)現(xiàn)變電站設(shè)備巡檢的智能化和信息化，切實(shí)提高電力設(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。從目前國內(nèi)變電站智能巡檢機(jī)器人使用情況來看，大多應(yīng)用在室外環(huán)境，對(duì)于室內(nèi)安裝的封閉式電氣設(shè)備，還未完全應(yīng)用。首鋼股份公司變電站巡檢機(jī)器人項(xiàng)目也是一次嘗試。從當(dāng)前運(yùn)行來看，其功能基本達(dá)到使用要求，但存在的問題仍需要在后續(xù)設(shè)計(jì)中完成優(yōu)化和改進(jìn)。