变电设备智能检修系统设计与实现

徐宝军，李新海，凌 霞，肖 星，刘德志，尹雁和，罗其锋，邱天怡

(广东电网有限责任公司中山供电局，广东 中山 528400)

0 引言

变电站在电力系统中具有变换电压等级、汇集和分配电能、控制电能流向等作用。作为电网输送电能的重要环节，变电站的安全稳定运行直接影响整个电力系统的安全稳定性和供电可靠性[1-3]。变电站内存在大量变压器、断路器、刀闸、电容器、电抗器和消弧线圈等电气设备，其安全可靠运行是变电站安全稳定运行的重要基础。为确保变电设备的安全可靠运行，按相关设备检修规程规定，变电部门需定期组织开展变电设备检修工作来排除设备运行隐患以确保设备运行工况良好。此外，当设备在检修周期内存在缺陷时，需立即开展设备检修工作以消除缺陷。检修工作质量的好坏直接影响电网运行水平[4-5]。随着人工智能、增强现实技术(augmented reality, AR)以及定位技术的发展，电网系统陆续开展变电设备智能化和可视化运维的研究。文献[11]提出基于智能巡检的智能化变电站状态监测系统设计方案，该系统实时综合多种类型数据对设备的状态进行评估，但未提供识别出故障设备后的处理方法。文献[12]设计基于大数据架构的变电站设备智能化巡检系统，该系统集成应用视频监控和巡检任务管理单元数据，识别出设备风险时会发出警报，然而在现场作业指导及安全管控方面存在不足。文献[13]研究一种基于物联网架构的变电站智能检修报警系统，该系统在现场作业安全管控方面具有一定作用，但在检修作业现场指导及进度管理方面不能发挥作用。

1 检修工作存在的问题

目前变电设备检修工作主要存在如下问题。

(1) 检修人员技能水平参差不齐。变电设备种类、数量繁多，检修人员需掌握大量变电设备检修方法，且由不同厂家生产的同一类型设备检修工序和工艺标准也存在差异，检修人员全部掌握相关设备检修方法存在一定客观难度，导致检修人员技能水平存在差异，难以保障检修质量。

(2) 检修计划缺乏自动管理。变电设备检修类型、周期各不相同，目前生产管理系统检修计划编制主要依靠人工完成，工作量大。生产系统与其他系统间的信息共享和数据综合应用程度不高[6]，存在计划编制遗漏导致设备超期检修的隐患。

(3) 检修方案缺乏智能管理。目前，制定变电设备检修方案时需依靠人工查询设备运维状况、缺陷状况、历史检修状况等数据，并根据检修类型、检修规范确定检修方案。检修方案质量对编审人员技术技能水平和责任心依赖程度高，工作质量难以保障且工作效率低，缺乏对生产管理系统大数据的综合智能应用，缺乏典型检修方案数据库管理、自动引用和针对性完善功能。

(4) 检修作业指导书缺乏可视化指导。为规范现场检修作业工作，电网企业制定了检修作业指导书，对检修人员起到了一定的指导作用。但检修作业指导书主要依靠文字描述，缺乏视频、图像可视化应用，没有做到检修工序、工艺可视化指导，不利于员工学习、掌握相关检修技能。

(5) 作业现场安全管控难度大。检修工作地点周围存在大量带电设备，现场监护人难以做到全面监管，存在检修人员误入带电间隔、误碰带电设备等引发人身伤亡的风险[7-10]。

针对目前变电站检修作业存在的问题，以下综合应用变电站各智能系统数据，基于AR及激光雷达定位等关键技术，提出并研发了变电设备智能检修系统。

2 系统结构设计

变电设备智能检修系统设计原则是利用站内多系统数据全面反映设备当前运行状况，为设备检修作业提供支持。变电设备智能检修系统打破了以往各个数据系统间独立的状态，采用多种交互方式融合站内多个系统数据，其系统结构如图1所示。

图1 变电设备智能检修系统结构

变电站目前使用的智能系统主要有SCADA系统、在线监测系统、生产管理系统及视频监控系统等。SCADA系统集中收集变电设备运行核心数据，可实时展示变电设备运行状况，该系统通过正反向隔离装置与变电设备智能检修系统实现数据交互。在线监测系统及生产管理系统通过防火墙接入到变电设备智能检修系统。在线监测系统主要收集油色谱、主变套管电容量及介损、超高频局放、环境在线监测数据，而生产管理系统主要包含设备检修计划、工作票信息、设备台账和缺陷记录等数据。

为实现检修预演功能，变电设备智能检修系统需调用智能运维三维数据平台中的全站设备三维模型。三维建模指按照设备现场设施位置、设备厂家图纸相结合的方式对变电站全站设备、设施进行精确建模[14-15]。三维模型的构建包括电力设备内部元件的精确重构和电力设备在变电站中空间坐标信息的精确还原。智能运维三维数据平台对变电站区域进行三维激光扫描采集三维数据，对三维数据进行处理，完成单个设备重构工作。在确定现场参考点建立位置坐标系后，通过电力设备与参考点间位置关系，确定各个电力设备的坐标，将各个设备按坐标组合在三维模型中即可得到变电站全站模型。

为了获得现场人员的工作位置，变电设备智能检修系统在现场分区域布置激光雷达感应桩，这些感应桩发射激光脉冲信号检测确定检修人员位置后，将位置数据通过交换机传输至变电设备智能检修系统主站，用于识别检修人员跨越电子安全围栏的不安全行为，并联动视频监控系统对该不安全行为进行抓拍。

AR移动作业平板通过无线网络与变电设备智能检修系统主站相连，检修人员在现场工作时，可实时通过AR移动作业平板查看设备的三维模型以及设备型号、规格尺寸、内部结构、机械特性等信息。同时AR移动作业平板可从变电设备智能检修系统主站的AR技术数据库实时获取检修预演视频。AR技术数据库集成变电站内常见检修作业的3D演示视频。检修视频根据作业指导书、检修试验规程及厂家相关标准制作而成，能够动态展现设备的拆解、安装、调试、试验、验收等各环节工艺流程及质量控制要求。此外，检修视频可根据现场需求进行扩展、完善。检修人员可随时调取相关设备检修视频学习检修作业工序、工艺要求以提高检修作业水平，高质量地完成检修工作。

3 系统功能设计

3.1 检修计划智能管理

按南方电网《电力设备检修试验规程》规定需对变电设备开展周期性规范化检修。变电设备智能检修系统与生产管理系统进行数据交互，从生产管理系统中获取设备运行年限、历史检修记录、历史缺陷记录、设备运行状态等数据进行综合评价，自动生成年度、月度变电设备检修计划，对需要停电检修的设备则自动生成年度、月度停电计划。该系统每月自动统计年度、月度变电设备检修计划完成情况，滚动编制下月月度变电设备检修计划。

变电设备智能检修系统还与生产管理系统中的缺陷模块及在线监测系统相关联，当运行人员或在线监测系统发现变电设备存在重大及以上缺陷时，系统可自动告警提醒检修人员开展消缺工作以及提前开展需结合年度、月度变电设备检修的工作。

通过系统上述智能综合停电计划管理，可有效防止变电设备检修超期及避免设备重复停电，确保设备安全可靠运行，提高了系统运行可靠性。

3.2 检修方案智能编制

变电设备智能检修系统建有检修方案库，囊括了各类型规范化检修典型方案以及设备消缺检修典型方案。该检修方案库具备修编、扩容功能，方便检修人员定期开展检修方案的修编扩容工作。检修方案主要包含检修对象、检修任务、台账信息、历史缺陷记录、历史检修记录、工序工艺要求、备品备件等内容，防止发生工作疏漏。该系统生成年度、月度变电设备检修计划后，针对每项检修任务智能关联推送对应的检修方案，经管理人员确认后即可派工执行。当变电设备发生缺陷，该系统在生成设备消缺检修任务的同时可智能推送设备消缺检修方案，指导检修人员开展消缺工作。

3.3 检修预演

针对变电站变电设备检修作业，变电设备智能检修系统可提供设备零部件级的检修预演3D视频。AR移动作业平板根据具体检修任务可从该系统调取对应的设备检修流程预演视频。检修预演功能具体流程如图2所示。

图2 检修预演流程

检修预演视频包含检修对象、检修任务、备品备件、零部件展示、拆解工序、安装工序、调试工序、试验工序、整组传动工序等内容，同时展示作业风险点及控制措施、相关作业标准等内容，实现了检修前的技术培训及检修过程的技术指导。

3.4 检修过程智能管控

在检修作业时，检修人员通过AR移动作业平板根据检修工单任务下载相应的作业指导书，在现场工作中逐项执行作业指导书相应步骤，管控现场作业质量、安全。作业指导书的执行情况通过虚拟专用网络(virtual private network，VPN)定时(如间隔5 min)传输至变电设备智能检修系统主站，检修管理人员可在该系统跟踪查看当前现场作业指导书执行情况。变电设备智能检修系统可智能判断发现作业指导书执行步骤存在的漏项并向AR移动作业平板发送告警信息，提醒现场检修人员。在检修作业完成后，系统可自动将相应的检修工单、检修方案、检修作业指导书及工作票等材料进行归档，实现历史追溯查询。

检修人员的位置信息是检修过程管控的另一项内容。根据《电力安全工作规程》规定，检修人员需在指定的检修工作地点工作且必须与带电设备保持足够的安全距离。变电设备智能检修系统可实时获取现场检修人员的位置信息，为检修人员提供安全监管功能。

作业前变电设备智能检修系统从生产管理系统获取检修工单对应检修工作票的工作地点。系统自动调取工作地点所在区域的三维模型，然后根据工作票要求在变电站三维模型中划定电子安全围栏。工作票许可人结合实际调整电子安全围栏空间布局，与工作负责人确认电子安全围栏圈定的作业区域符合要求后，将电子安全围栏的作业区域空间位置信息与工作票信息进行关联并保存到安全作业区域数据库。该系统还可获取工作票中的工作负责人及工作班成员信息，确认工作人员作业资格后运行人员方可签发工作票许可作业。作业过程中，激光雷达装置会定时发送激光脉冲信号采集计算检修工作人员的位置信息。智能检修系统根据采集的人员位置信息以及三维模型数据，识别出检修人员跨越电子安全围栏的不安全行为时立即联动视频监控系统对该不安全行为进行抓拍，并推送告警信息和控制现场声光告警装置发出告警信号，提醒运行人员及现场检修人员采取措施管控上述不安全行为，防止发生人身安全事故。检修过程智能管控流程如图3所示。

图3 检修过程智能管控流程

4 系统关键技术

4.1 AR作业支持技术

AR技术是一种实时计算摄影机影像的位置、角度并加上相应图像的技术，利用该技术可以实时将真实的环境和虚拟的物体同时叠加到同一个画面进行呈现[16]。

变电设备AR作业支持技术的实现建立在变电站三维建模的基础上。作业过程中检修人员手持AR移动作业平板聚焦检测到检修设备后，可将设备以及相关联的数据以AR技术进行展示，实现静态数据和运行数据的叠加可视化。检修人员可在现场通过AR移动作业平板实时查看变电设备的台账、运行数据、结构原理以及检修工作危险点等信息。当检修人员对变电设备结构原理不熟悉时，可通过AR移动作业平板进行三维零部件级模型AR检修预演，展示设备的拆解、安装、调试、试验、整组传动等工序、工艺、流程及要求内容，从而加深变电设备结构原理的理解，确保变电设备检修工作顺利开展。

AR移动作业平板扫描识别出设备后，检修人员可查询检修工单关联的检修计划、检修方案、作业指导书，确认检修对象、检修任务，并可进行AR检修预演，熟悉掌握相关设备工作原理及工序、工艺标准，同时了解作业风险点及控制措施。检修人员还可通过AR移动作业平板快速查询检修对象台账信息、历史缺陷记录、历史检修记录、历史试验记录，为现场检修工作提供综合数据支持。

在现场作业过程中，检修人员在AR移动作业平板的作业指导书上记录当前检修作业执行情况并上传到变电设备智能检修系统主站，执行结果主要以已完成、无需进行、未完成三种状态记录。变电设备智能检修系统主站在识别出作业指导书执行漏项时将立即向AR移动作业平板推送告警信息，提醒检修人员管控检修工作质量。

4.2 激光雷达定位技术

激光雷达定位技术具有极高的角度、距离及速度分辨率，可实现多目标的跟踪并获取目标的清晰图像；同时激光按直线传播，方向性强，受电磁波等有源干扰源的影响小，故该技术适用于变电站内的人员跟踪定位，以实现变电站人员位置的实时管控功能。

变电设备智能检修系统采用激光雷达定位技术获取检修人员的位置信息。布置在变电站内不同位置的激光雷达感应桩每秒钟发射15次激光脉冲信号。激光脉冲信号射向被测目标物体后反射回激光雷达感应桩，感应桩通过测量光脉冲往返传播所需时间来计算检修人员与感应桩的距离。通过多个激光雷达感应桩的配合及联合多目标跟踪智能分析算法，可确定检修人员的当前位置，定位误差为30 cm以内。系统根据获取的人员位置信息判断分析人员位置是否在相应工作安全区域内，识别出检修人员跨越电子安全围栏的不安全行为时立即启动告警功能，从而保障现场作业安全。

5 应用实例

500 kV文山变电站是南方电网首座500 kV户内GIS变电站，也是南方电网智能技术应用示范点。以上研制的变电设备智能检修系统已试点安装应用于500 kV文山变电站2号主变区域。在2号主变区域共配置2个落地式激光雷达感应桩、2个高挂式激光雷达感应桩，并完成全站设备设施三维建模、2号主变零部件级三维建模和2号主变零部件级检修预演3D视频制作。

该系统与站内已有的智能运维三维数据平台、生产管理系统、SCADA系统、在线监测系统、机器人智能巡检系统及视频监控系统等系统进行数据交互，实现了检修计划智能管理、检修方案智能编制、检修预演、检修过程智能管控功能。

变电设备智能检修系统在500 kV文山变电站应用效果如下。

(1) 该系统打破了站内各个系统间的信息壁垒，通过系统间数据交互和变电设备生产大数据综合应用，实现了变电设备周期性检修和消缺检修的智能综合停电计划管理，降低了生产计划管理人员的工作量，提高了检修计划编制工作质量和工作效率，使变电设备真正做到到期应修必修。

(2) 该系统建立了检修方案库。典型规范化检修方案以及设备消缺检修方案经专家审定后方可入库，并按检修任务内容自动推送合适的检修方案。该功能既传承了专家经验，又规范了检修管理，为检修人员策划环节提供了有力的技术支撑。

(3) 检修人员在检修前或检修过程中可选用检修预演功能，随时选择调阅该系统所提供的设备零部件级检修预演3D视频，指导检修人员开展现场检修工作，使检修前的技术培训及检修过程的技术指导做到直观和可视化。

(4) 该系统通过与AR移动作业平板数据交互，可自动监管提醒检修人员逐项执行作业指导书相应步骤；通过激光雷达定位技术，可智能识别检修人员跨越电子安全围栏的不安全行为并告警；实现了检修作业过程质量和安全的有效管控。

6 结论

通过集成应用AR作业支持技术、激光雷达定位技术，研制了变电设备智能检修系统。该系统实现了变电设备检修计划智能管理功能，可自动跟踪变电设备检修周期并制定检修计划以避免设备超期未检修。该系统还实现了检修方案智能编制、检修预演、检修过程智能管控功能，为检修人员提供了直观有效的技术支持，提升了变电设备检修质量及效率，保障了检修人员的人身安全。该系统对变电设备检修智能技术发展起到推动作用。