變電站自動(dòng)化維護(hù)巡檢機(jī)器人設(shè)計(jì)

　　摘 要: 傳統(tǒng)方法在進(jìn)行變電站維護(hù)時(shí)，存在變電站運(yùn)維工作量大，人工操作依賴較強(qiáng)等問(wèn)題。為此，本文設(shè)計(jì)變電站運(yùn)行自動(dòng)化維護(hù)巡檢機(jī)器人。依據(jù)VFH(Vector Field Histogram)算法完成機(jī)器人避障控制，以無(wú)線網(wǎng)絡(luò)作為通信通道，利用自動(dòng)化維護(hù)模塊完成變電站運(yùn)行自動(dòng)化。結(jié)果表明，本文方法具有較高的準(zhǔn)確性，處理效率高，能有效提升變電站使用壽命。

　　關(guān)鍵詞:VFH算法;機(jī)器人避障;運(yùn)維管理;無(wú)線通信

　　1 引言

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

　　該方法以分層分布和帶電檢測(cè)技術(shù)的設(shè)計(jì)理念為基礎(chǔ)，研究出了基于分層分布架構(gòu)的變電站智能維護(hù)系統(tǒng)，并給出維護(hù)系統(tǒng)的運(yùn)作模式。經(jīng)仿真實(shí)驗(yàn)證明，該系統(tǒng)能夠有效的提高變電站維護(hù)的自動(dòng)化水平，提高變電站維護(hù)效率，但是該方法涉及理念和系統(tǒng)較多，導(dǎo)致系統(tǒng)較為復(fù)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(yùn)維專家系統(tǒng)規(guī)則提取方法[2]。該方法將決策樹歸納學(xué)習(xí)與變電站維護(hù)系統(tǒng)相融合，并且通過(guò)自動(dòng)學(xué)習(xí)獲取系統(tǒng)的維護(hù)規(guī)則。

　　該系統(tǒng)利用維護(hù)規(guī)則可對(duì)變電站進(jìn)行合理推導(dǎo)得到運(yùn)行規(guī)程，也可將該系統(tǒng)應(yīng)用于變電站的遠(yuǎn)程運(yùn)維。最后，通過(guò)對(duì)示例進(jìn)行實(shí)例測(cè)試，實(shí)驗(yàn)證明該系統(tǒng)的規(guī)則具有較高的通用性和準(zhǔn)確性，但是該系統(tǒng)由于只針對(duì)單一系統(tǒng)的規(guī)則進(jìn)行提取，導(dǎo)致其準(zhǔn)確率較低。由于大多數(shù)自動(dòng)化維護(hù)變電站系統(tǒng)和無(wú)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(chǎng)設(shè)備。因此，本文結(jié)合智能機(jī)器人技術(shù)，提出了一種基于巡檢機(jī)器人的變電站運(yùn)行自動(dòng)化維護(hù)方法。解決了變電站運(yùn)維對(duì)人工的依賴問(wèn)題，且巡檢運(yùn)維機(jī)器人的配置靈活，操作便捷，在降低運(yùn)營(yíng)成本的同時(shí)為變電站的安全生產(chǎn)提供了可靠保障。

　　2 變電站運(yùn)行自動(dòng)化維護(hù)巡檢

　　機(jī)器人組成結(jié)構(gòu)變電站自動(dòng)化巡檢機(jī)器人具有自主導(dǎo)航、精準(zhǔn)定位、自動(dòng)充電、集成可見(jiàn)光及聲音等傳感器。針對(duì)特殊路面布置無(wú)線射頻識(shí)別標(biāo)簽[3-4]，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人雙向行走和最優(yōu)路徑規(guī)劃，同時(shí)將被測(cè)設(shè)備的聲音、視頻和溫度通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控室。機(jī)器人巡檢后，后臺(tái)即可通過(guò)獲得數(shù)據(jù)完成對(duì)變電站的外觀異常判別、設(shè)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(dòng)化維護(hù)。

　　巡檢機(jī)器人的系統(tǒng)分為4個(gè)層次：基站層、移動(dòng)站層、通信層和終端層。基站層主要負(fù)責(zé)巡檢系統(tǒng)數(shù)據(jù)接受和處理，也作為管理人員了解機(jī)器人的實(shí)際狀態(tài)和工作情況的直接渠道，由數(shù)據(jù)庫(kù)、模型配置、數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)報(bào)警、設(shè)備接口、視圖展示等模塊組成。

　　移動(dòng)站層主要負(fù)責(zé)對(duì)機(jī)器人在巡檢工作過(guò)程中的運(yùn)動(dòng)行為進(jìn)行控制。首先對(duì)其路徑進(jìn)行規(guī)劃，規(guī)劃過(guò)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(guò)機(jī)器人的當(dāng)前位置和即將到達(dá)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(dá)指定地點(diǎn)的路徑，全局規(guī)劃主要需要解決的為求解兩個(gè)目標(biāo)停靠點(diǎn)之間可通行路徑和求解總路徑最短的目標(biāo)點(diǎn)到達(dá)順序。局部規(guī)劃以全局規(guī)劃結(jié)果為基礎(chǔ)。

　　結(jié)合 RFID(Radio FrequencyIdentification)標(biāo)簽、激光雷達(dá)傳感器等探測(cè)信息，對(duì)機(jī)器人的局部移動(dòng)行為進(jìn)行規(guī)劃，包括直線跟蹤、轉(zhuǎn)向、避障、移動(dòng)速度調(diào)節(jié)、停車等內(nèi)容。隨后根據(jù)變電站實(shí)際工作壞境對(duì)機(jī)器人車體進(jìn)行運(yùn)動(dòng)建模，將接收到的運(yùn)動(dòng)指令分解到機(jī)器人的各個(gè)電機(jī)中，對(duì)每個(gè)電機(jī)需要承受的速度進(jìn)行計(jì)算，由多軸運(yùn)動(dòng)控制器對(duì)各個(gè)電機(jī)進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)巡檢機(jī)器人的自主運(yùn)動(dòng)。

　　通信層由網(wǎng)絡(luò)交換機(jī)、無(wú)線網(wǎng)移動(dòng)站、無(wú)線網(wǎng)基站組成，使用Wifi無(wú)線網(wǎng)絡(luò)[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(dòng)化維護(hù)模塊、固定視頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)和充電室組成，機(jī)器人和監(jiān)控控制后臺(tái)之間的通信連接為無(wú)線通信，固定視頻監(jiān)測(cè)點(diǎn)和監(jiān)控控制后臺(tái)的通信連接為光纖通信。在充電室內(nèi)設(shè)置充電設(shè)施，機(jī)器人剩余一定電量時(shí)，自動(dòng)進(jìn)入充電室自行充電。

　　2.1 機(jī)器人巡檢功能設(shè)計(jì)

　　將機(jī)器人運(yùn)動(dòng)起始點(diǎn)o作為坐標(biāo)原點(diǎn)，初始運(yùn)動(dòng)方向作為x軸，垂直方向作為y軸，構(gòu)建坐標(biāo)系。

　　2.2 變電站自動(dòng)化維護(hù)模塊設(shè)計(jì)

　　機(jī)器人搭載不同的檢測(cè)裝置對(duì)變電站各項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)以完成自動(dòng)化維護(hù)任務(wù)。設(shè)定機(jī)器人日常巡視中主要工作內(nèi)容為：

　　(1) 設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)檢測(cè)：顯示燈是否存在異常、系統(tǒng)時(shí)鐘是否正確;各個(gè)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(diào)度核對(duì)的模擬量與狀態(tài)量是否正常;各個(gè)零件部位是否存在過(guò)熱現(xiàn)象;定期對(duì)各儀器進(jìn)行誤差檢測(cè)。

　　(2) 后臺(tái)控制主機(jī)狀態(tài)檢測(cè)：主機(jī)基本硬件和連接線是否存在松動(dòng)現(xiàn)象;設(shè)備的各個(gè)數(shù)據(jù)量和狀態(tài)量與實(shí)際的運(yùn)行狀態(tài)是否一致;是否能夠?qū)嵤┻h(yuǎn)程遙控;設(shè)備系統(tǒng)是否存在病毒、系統(tǒng)運(yùn)行是否正常;通信指示是否正常。(3) UPS設(shè)備檢測(cè)[11]：檢查UPS是否正常工作，其中包括檢查設(shè)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(cè)：在自動(dòng)化數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^(guò)程中，傳輸通道的質(zhì)量起著很大作用，因此在變電站日常維護(hù)工作中，對(duì)通道進(jìn)行檢測(cè)尤為重要。變電站發(fā)生異常時(shí)，主要會(huì)出現(xiàn)以下現(xiàn)象：出現(xiàn)報(bào)警信號(hào)，保護(hù)裝置啟動(dòng)，遙信、遙測(cè)發(fā)生異常;斷路器跳閘[12];變電站電氣部分產(chǎn)生異常運(yùn)行聲音、出現(xiàn)放電和爆破聲;設(shè)備變形、裂碎或產(chǎn)生變色、噴油、煙火等異常狀況;常見(jiàn)信號(hào)頻繁出現(xiàn)，如斷路器頻繁打壓等。檢測(cè)到以上問(wèn)題時(shí)，巡檢機(jī)器人對(duì)異常情況處理過(guò)程如下：

　　(1) 記錄故障時(shí)間。(2) 檢測(cè)出事故后，對(duì)事故類型和影響范圍進(jìn)行初步判斷，并及時(shí)上報(bào)給上級(jí)調(diào)度中心。(3) 根據(jù)事故性質(zhì)對(duì)相關(guān)的二次裝置[13]進(jìn)行檢測(cè)，然后依據(jù)保護(hù)裝置動(dòng)作情況再次對(duì)事故設(shè)備進(jìn)行檢測(cè)，并做好記錄。

　　(4) 全面分析設(shè)備情況，準(zhǔn)確判斷出事故類型和故障范圍，同時(shí)根據(jù)系統(tǒng)指示進(jìn)行處理。(5) 檢查設(shè)備過(guò)程中，若設(shè)備出現(xiàn)放電、閃耀等[14]嚴(yán)重問(wèn)題時(shí)，立即隔離故障點(diǎn)，并且及時(shí)上報(bào)。(6) 對(duì)發(fā)生故障設(shè)施做好安全防護(hù)，待修復(fù)后恢復(fù)其正常運(yùn)行。(7) 做好故障原因和處理結(jié)果的相關(guān)記錄，向上級(jí)匯報(bào)，并將事故處理事件做好文字備份。機(jī)器人對(duì)設(shè)備維護(hù)的過(guò)程中，面對(duì)嚴(yán)重危害人身和設(shè)備安全的事故類型時(shí)還接將設(shè)備停電，同時(shí)將故障設(shè)施隔離。

　　3 仿真實(shí)驗(yàn)

　　為驗(yàn)證本文方法的有效性，對(duì)自動(dòng)化巡檢機(jī)器的運(yùn)動(dòng)行為能力進(jìn)行檢測(cè)。首先對(duì)機(jī)器人進(jìn)行真實(shí)場(chǎng)景仿真實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證機(jī)器人的兩輪驅(qū)動(dòng)差速是否滿足室外維護(hù)作業(yè)需求。

　　跟蹤誤差能夠被有效的調(diào)節(jié)在±10mm左右，兩輪差速的移動(dòng)適應(yīng)性和穩(wěn)定性較強(qiáng)，能夠滿足變電站室外巡檢的基本需求。隨后為驗(yàn)證機(jī)器人避障能力，在某長(zhǎng)約500米，寬約300米的500kV變電站內(nèi)配置2臺(tái)機(jī)器人，每臺(tái)機(jī)器人配備一個(gè)充電器，機(jī)器人的維護(hù)路線，以 RFID標(biāo)簽的路口有60個(gè)，標(biāo)簽標(biāo)識(shí)的�？奎c(diǎn)有300個(gè)，設(shè)備檢測(cè)位置1000個(gè)，并且在其路線中任意放置障礙物，檢測(cè)器是否能成功識(shí)別并且避開(kāi)。兩臺(tái)機(jī)器人分區(qū)進(jìn)行巡視，完成所有維護(hù)內(nèi)容巡檢任務(wù)約60min，并且自動(dòng)機(jī)器人在每天的早中晚固定時(shí)間進(jìn)行3次巡檢，結(jié)束后自動(dòng)返回各自充電室。

　　在機(jī)器人的充電過(guò)程中，若受到遠(yuǎn)程遙控指令，將停止充電，并根據(jù)指令內(nèi)容計(jì)算出最佳路徑到達(dá)指定位置，完成指令操作。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明機(jī)器人能夠成功的避開(kāi)障礙物，到達(dá)需要檢測(cè)位置。為進(jìn)一步證明本文方法的維護(hù)效果，對(duì)變電站不同區(qū)域進(jìn)行仿真檢測(cè)，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(yàn)證變電站設(shè)備故障識(shí)別準(zhǔn)確率，不同方法的變電站設(shè)備故障識(shí)別準(zhǔn)確率不同。

　　當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為2h時(shí)，基于分層分布方法的變電站設(shè)備故障識(shí)別準(zhǔn)確率為75%，基于決策樹方法的變電站設(shè)備故障識(shí)別準(zhǔn)確率為56%，本文方法的變電站設(shè)備故障識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)92%。當(dāng)運(yùn)行時(shí)間為10h時(shí)，基于分層分布方法的變電站設(shè)備故障識(shí)別準(zhǔn)確率為 77%，基于決策樹方法的變電站設(shè)備故障識(shí)別準(zhǔn)確率為 70%，本文方法的變電站設(shè)備故障識(shí)別準(zhǔn)確率高達(dá)94%。本文方法的變電站設(shè)備故障識(shí)別準(zhǔn)確率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其他方法。

　　4 結(jié)束語(yǔ)

　　本文對(duì)變電站自動(dòng)化運(yùn)維機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了詳細(xì)描述，仿真實(shí)驗(yàn)條件下，本文方法能夠在500kv變電站中有效運(yùn)行，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)設(shè)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(hù)。但要想使自動(dòng)化運(yùn)維機(jī)器人成熟的使用于電力行業(yè)還要在以下方面進(jìn)行完善：(1) 機(jī)器人自身穩(wěn)定性還需要進(jìn)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(hù)效果的基礎(chǔ)上，努力將機(jī)器人與電力系統(tǒng)系統(tǒng)的對(duì)接，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享，為設(shè)備的日常運(yùn)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(qiáng) , 郝文海

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