變電站自動化維護巡檢機器人設計

　　摘 要: 傳統(tǒng)方法在進行變電站維護時，存在變電站運維工作量大，人工操作依賴較強等問題。為此，本文設計變電站運行自動化維護巡檢機器人。依據(jù)VFH(Vector Field Histogram)算法完成機器人避障控制，以無線網(wǎng)絡作為通信通道，利用自動化維護模塊完成變電站運行自動化。結果表明，本文方法具有較高的準確性，處理效率高，能有效提升變電站使用壽命。

　　關鍵詞:VFH算法;機器人避障;運維管理;無線通信

　　1 引言

　　變電站的巡檢維護是保障變電站安全運行、正常工作的主要操作之一。傳統(tǒng)的巡檢維護需要工作人員到各個變電站做定期檢查，需要收集大量運行數(shù)據(jù)，一定程度上給變電站的日常維護帶來了困難。近幾年，自動化技術不斷發(fā)展，變電站自動化管理也被廣泛應用。周正欽等人提出了一種基于分層分布的變電站帶電運維智能化技術及應用[1]。

　　該方法以分層分布和帶電檢測技術的設計理念為基礎，研究出了基于分層分布架構的變電站智能維護系統(tǒng)，并給出維護系統(tǒng)的運作模式。經(jīng)仿真實驗證明，該系統(tǒng)能夠有效的提高變電站維護的自動化水平，提高變電站維護效率，但是該方法涉及理念和系統(tǒng)較多，導致系統(tǒng)較為復雜，不易操作。劉雁文等人提出一種基于決策樹的智能變電站運維專家系統(tǒng)規(guī)則提取方法[2]。該方法將決策樹歸納學習與變電站維護系統(tǒng)相融合，并且通過自動學習獲取系統(tǒng)的維護規(guī)則。

　　該系統(tǒng)利用維護規(guī)則可對變電站進行合理推導得到運行規(guī)程，也可將該系統(tǒng)應用于變電站的遠程運維。最后，通過對示例進行實例測試，實驗證明該系統(tǒng)的規(guī)則具有較高的通用性和準確性，但是該系統(tǒng)由于只針對單一系統(tǒng)的規(guī)則進行提取，導致其準確率較低。由于大多數(shù)自動化維護變電站系統(tǒng)和無人化值守系統(tǒng)，仍然需要工作人員定期檢查作業(yè)現(xiàn)場設備。因此，本文結合智能機器人技術，提出了一種基于巡檢機器人的變電站運行自動化維護方法。解決了變電站運維對人工的依賴問題，且巡檢運維機器人的配置靈活，操作便捷，在降低運營成本的同時為變電站的安全生產提供了可靠保障。

　　2 變電站運行自動化維護巡檢

　　機器人組成結構變電站自動化巡檢機器人具有自主導航、精準定位、自動充電、集成可見光及聲音等傳感器。針對特殊路面布置無線射頻識別標簽[3-4]，實現(xiàn)機器人雙向行走和最優(yōu)路徑規(guī)劃，同時將被測設備的聲音、視頻和溫度通過無線網(wǎng)絡傳送到監(jiān)控室。機器人巡檢后，后臺即可通過獲得數(shù)據(jù)完成對變電站的外觀異常判別、設備熱缺陷以及儀表讀數(shù)配合變電站智能順控操作系統(tǒng)完成變電站自動化維護。

　　巡檢機器人的系統(tǒng)分為4個層次：基站層、移動站層、通信層和終端層。基站層主要負責巡檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)接受和處理，也作為管理人員了解機器人的實際狀態(tài)和工作情況的直接渠道，由數(shù)據(jù)庫、模型配置、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)報警、設備接口、視圖展示等模塊組成。

　　移動站層主要負責對機器人在巡檢工作過程中的運動行為進行控制。首先對其路徑進行規(guī)劃，規(guī)劃過程包括全局規(guī)劃[5]和局部規(guī)劃[6-7]兩部分，全局規(guī)劃是通過機器人的當前位置和即將到達位置信息，從電子地圖中尋找到一條能夠順利通行并且到達指定地點的路徑，全局規(guī)劃主要需要解決的為求解兩個目標�？奎c之間可通行路徑和求解總路徑最短的目標點到達順序。局部規(guī)劃以全局規(guī)劃結果為基礎。

　　結合 RFID(Radio FrequencyIdentification)標簽、激光雷達傳感器等探測信息，對機器人的局部移動行為進行規(guī)劃，包括直線跟蹤、轉向、避障、移動速度調節(jié)、停車等內容。隨后根據(jù)變電站實際工作壞境對機器人車體進行運動建模，將接收到的運動指令分解到機器人的各個電機中，對每個電機需要承受的速度進行計算，由多軸運動控制器對各個電機進行控制，從而實現(xiàn)巡檢機器人的自主運動。

　　通信層由網(wǎng)絡交換機、無線網(wǎng)移動站、無線網(wǎng)基站組成，使用Wifi無線網(wǎng)絡[8]傳輸作為基站控制層和終端層之間的通信連接通道。終端層由自動化維護模塊、固定視頻監(jiān)測點和充電室組成，機器人和監(jiān)控控制后臺之間的通信連接為無線通信，固定視頻監(jiān)測點和監(jiān)控控制后臺的通信連接為光纖通信。在充電室內設置充電設施，機器人剩余一定電量時，自動進入充電室自行充電。

　　2.1 機器人巡檢功能設計

　　將機器人運動起始點o作為坐標原點，初始運動方向作為x軸，垂直方向作為y軸，構建坐標系。

　　2.2 變電站自動化維護模塊設計

　　機器人搭載不同的檢測裝置對變電站各項指標進行檢測以完成自動化維護任務。設定機器人日常巡視中主要工作內容為：

　　(1) 設備的運行狀態(tài)檢測：顯示燈是否存在異常、系統(tǒng)時鐘是否正確;各個功能模塊的工作電壓是否存在異常;定值區(qū)與定值通知單相[10]是否一致;調度核對的模擬量與狀態(tài)量是否正常;各個零件部位是否存在過熱現(xiàn)象;定期對各儀器進行誤差檢測。

　　(2) 后臺控制主機狀態(tài)檢測：主機基本硬件和連接線是否存在松動現(xiàn)象;設備的各個數(shù)據(jù)量和狀態(tài)量與實際的運行狀態(tài)是否一致;是否能夠實施遠程遙控;設備系統(tǒng)是否存在病毒、系統(tǒng)運行是否正常;通信指示是否正常。(3) UPS設備檢測[11]：檢查UPS是否正常工作，其中包括檢查設備提供的交流、支流電壓是否存在異常。

　　(4) 數(shù)據(jù)通道檢測：在自動化數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，傳輸通道的質量起著很大作用，因此在變電站日常維護工作中，對通道進行檢測尤為重要。變電站發(fā)生異常時，主要會出現(xiàn)以下現(xiàn)象：出現(xiàn)報警信號，保護裝置啟動，遙信、遙測發(fā)生異常;斷路器跳閘[12];變電站電氣部分產生異常運行聲音、出現(xiàn)放電和爆破聲;設備變形、裂碎或產生變色、噴油、煙火等異常狀況;常見信號頻繁出現(xiàn)，如斷路器頻繁打壓等。檢測到以上問題時，巡檢機器人對異常情況處理過程如下：

　　(1) 記錄故障時間。(2) 檢測出事故后，對事故類型和影響范圍進行初步判斷，并及時上報給上級調度中心。(3) 根據(jù)事故性質對相關的二次裝置[13]進行檢測，然后依據(jù)保護裝置動作情況再次對事故設備進行檢測，并做好記錄。

　　(4) 全面分析設備情況，準確判斷出事故類型和故障范圍，同時根據(jù)系統(tǒng)指示進行處理。(5) 檢查設備過程中，若設備出現(xiàn)放電、閃耀等[14]嚴重問題時，立即隔離故障點，并且及時上報。(6) 對發(fā)生故障設施做好安全防護，待修復后恢復其正常運行。(7) 做好故障原因和處理結果的相關記錄，向上級匯報，并將事故處理事件做好文字備份。機器人對設備維護的過程中，面對嚴重危害人身和設備安全的事故類型時還接將設備停電，同時將故障設施隔離。

　　3 仿真實驗

　　為驗證本文方法的有效性，對自動化巡檢機器的運動行為能力進行檢測。首先對機器人進行真實場景仿真實驗來驗證機器人的兩輪驅動差速是否滿足室外維護作業(yè)需求。

　　跟蹤誤差能夠被有效的調節(jié)在±10mm左右，兩輪差速的移動適應性和穩(wěn)定性較強，能夠滿足變電站室外巡檢的基本需求。隨后為驗證機器人避障能力，在某長約500米，寬約300米的500kV變電站內配置2臺機器人，每臺機器人配備一個充電器，機器人的維護路線，以 RFID標簽的路口有60個，標簽標識的�？奎c有300個，設備檢測位置1000個，并且在其路線中任意放置障礙物，檢測器是否能成功識別并且避開。兩臺機器人分區(qū)進行巡視，完成所有維護內容巡檢任務約60min，并且自動機器人在每天的早中晚固定時間進行3次巡檢，結束后自動返回各自充電室。

　　在機器人的充電過程中，若受到遠程遙控指令，將停止充電，并根據(jù)指令內容計算出最佳路徑到達指定位置，完成指令操作。實驗結果表明機器人能夠成功的避開障礙物，到達需要檢測位置。為進一步證明本文方法的維護效果，對變電站不同區(qū)域進行仿真檢測，采用基于分層分布方法[1]、基于決策樹方法[2]以及本文方法驗證變電站設備故障識別準確率，不同方法的變電站設備故障識別準確率不同。

　　當運行時間為2h時，基于分層分布方法的變電站設備故障識別準確率為75%，基于決策樹方法的變電站設備故障識別準確率為56%，本文方法的變電站設備故障識別準確率高達92%。當運行時間為10h時，基于分層分布方法的變電站設備故障識別準確率為 77%，基于決策樹方法的變電站設備故障識別準確率為 70%，本文方法的變電站設備故障識別準確率高達94%。本文方法的變電站設備故障識別準確率遠遠高于其他方法。

　　4 結束語

　　本文對變電站自動化運維機器人系統(tǒng)結構進行了詳細描述，仿真實驗條件下，本文方法能夠在500kv變電站中有效運行，準確發(fā)現(xiàn)設備異常情況并且合理解決，滿足基本變電站基本的日常維護。但要想使自動化運維機器人成熟的使用于電力行業(yè)還要在以下方面進行完善：(1) 機器人自身穩(wěn)定性還需要進一步提高，以降低在工作中發(fā)生故障的概率。(2) 在保證維護效果的基礎上，努力將機器人與電力系統(tǒng)系統(tǒng)的對接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為設備的日常運維工作提供更全面的數(shù)據(jù)支持。

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　　作者：尹宏杰 , 謝逸逍 , 賈 燁 , 張瑞強 , 郝文海

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