智能联合巡检在220千伏磐石变电站的运用

国网温州供电公司 葛志超 赵寿生 朱如察 吴尊飞 薛向阳

当前，随着智能化的快速发展大多数变电站巡检和工作都开始趋向无人化，国家电网提出联合巡检系统投建，其技术要点主要包含设备实时监控、设备自动巡检、智能识别、系统智能联动等。在全国各地进行了试点投建的推进，新的技术和智能化的改进，减轻运维人员的压力和提高了工作效率，同时还保证了变电站的安全稳定运行。智能联合巡检系统的建设主要以四足机器人、轮式机器人、无人机的自动定位巡视技术、视频的智能识别技术、热成像技术等智能感知设备为信息采集主体，兼具其他智能巡检设备接入进行的联合巡检。该联合巡检系统应用后实现以下功能：

实现以机器替代人工作业。通过一键轮巡实现报表数据自动生成或者无需人工抄表、实现设备运行状态工况在线实时监控、实现人机协调工作减轻运维人员工作量和降低运维人员的危险性；通过智能在线辅控系统功能得到进一步加强和完善，对变电站所有的仪表进行实时精确的监控和读取，并能根据视频图像进行智能分析，对仪表读数超过警戒值时智能报警[1]。能够有效对变电站各种断路器和隔离开关的分合指示状态进行智能分析和判别；通过四足机器人、轮式机器人、无人机的自动定位巡视技术、视频的智能识别技术、热成像技术等，实现表计识别、设备测温、设备外观巡检、开关指示识别、设备缺陷识别、和环境检测等基础常规功能。此外，可基于就地应用情况再通过后台数据分析、数据深计算、趋势分析与故障预判等功能，来逐步完善专家系统。

1 联合巡检系统基础感知层功能的建设

1.1 网络框架结构与安全防护的建设

1.1.1 网络框架结构建设

该结构主要由巡视系统、视频监控系统、四足巡检系统、三维系统、巡检机器人系统、无人机巡检系统等组成，基于四足机器人、巡检机器人和视频监控系统并依靠系统内智能识别算法开展室内外设备联合巡检。同时具备对外接口，支持以IEC104规约与第三方系统对接；无人机主机系统在该变电站需要高精度定位所以连接的是因特网外网[2]，目前状态是该网络暂时独立运行；主站视频系统还是利用站端视频服务器接收原有的视频录像机。其中该联合巡检系统网络结构框架图如1。

巡视系统：保持与上级系统的通信状态，同时还接收下达的巡检、控制指令，上传巡检数据和结果等。下一级再与机器人主机等智能设备进行通信，下达巡检、控制指令，接收巡检数据、设备状态、视频录像等数据；与新建视频录像机通信，下达预置位控制指令、图像抓拍指令，接收巡检数据图片、视频录像等数据；巡检机器人系统：由机器人主机本体系统和外巡检机器人组成，巡检机器人上搭载数据采集装置如：可见光摄像机、红外线热，成像仪、对讲系统等，在接收到指令后进行执行设备巡检工作并上传巡检采集到的数据、机器人工作实时状态数据、视频录像等数据。

视频监控系统：由视频监控主机、硬盘录像机及各类摄像机等组成。硬盘录像机接入进行存储各类摄像机拍摄到的视频信息并将视频数据上送至视频监控主机，视频监控主机实现站内视频预览、控制、管理、联动和上传功能；三维系统：由三维主机和三维管理平台组成。通过激光点云扫描和实时取景的三维结构搭建，实现直观及融合的220千伏磐石变电站三维实景图智能可视化管控；无人机巡检系统：由无人机主机主体、无人机、机巢等组成，无人机搭载可见光摄像机、红外热成像等设备，接收指令开展巡检并上传巡视结果；四足机器人巡检系统：由主机和四足机器人组成，四足机器人搭载可见光摄像机、红外热成像等设备，接收指令开展巡检并上传巡视结果。

1.1.2 安全防护建设

针对安全防护建设主要采用内网联接，其具体安全措施如下：使用物理专线建设专用信息网络，借助物理线路的封闭性保护内部数据；使用安全模块与安全接入平台，对室内轮式机器人、室外轮式机器人、四足机器人等使用无线网络的设备，在无线发射前通过安全模块加密，在接收端汇集后通过安全接入平台解密，构建以加密技术、访问控制技术为主体的专用网络；安全防护建设采用独立专用和带防火墙的网络，对无人机平台需联接因特网的设备实行单独运行机制，彻底断开与内网的联接[3]。

1.2 变电站机器人功能的建设

该220千伏磐石变电站机器人主要以室内、室外、四足机器人为主构建，其具体功能建设如下：

室外机器人系统建设：室外巡检机器人是采用的一款智能无轨化导航机器人，其主要搭载红外线热成像仪、可见光高清摄像机、交互式实时对讲平台、供电停障系统等。该系统采用自主研发可配置软硬件平台控制，包含轮式巡检机器人本体、四轮独立驱动四转越野底盘、磷酸铁锂电池供电单元、传感单元、控制单元及定位导航单元共同组成。四轮独立驱动越野底盘驱动能力强，负载能力高，可适应不同路况并能攀越陡坡；供电单元输送智能巡检机器人各功能模块所需电源电压及电流，确保智能巡检机器人正常工作；传感单元系统包括工业级高清晰彩色摄像机、非致冷焦平面红外线热像仪和室外全方位数字云台，实现原人工巡检中查看表计、触头温度、变压器声音等业务功能；控制单元是智能巡检机器人的中控控制系统，负责对各传感数据进行集中处理、运算及对执行机构进行控制；导航单元采用3D 激光雷达进行360°定位导航，分别通过3D 激光雷达装置获取到的移动平台周边实时环境的三维数据、通过惯性测量装置获取到的所述移动平台的惯性数据、通过里程计装置获取到的所述移动平台的距离数据，生成三维激光点云实景地图[4]；根据所述三维激光点云实景地图计算出当前移动平台的坐标位置，实现更精确的无轨化导航运动方式。

室内轮式机器人：室内轮式机器人配置机械伸缩臂，可实现室内GIS 室设备、柜体高出位置的可见光和红外图像巡检，并统一接入智能巡检机器人与高清视频联合巡检系统。室内轮式智能巡检机器人基于2D 激光导航技术和运动两驱底盘，并集先进的信息技术、网络技术、传感器技术、机器人技术等多种高科技技术为一体，包含安全防护单元、底盘及驱动单元、供电单元、主控单元、通讯单元、云台业务模块单元等模块，具备智能化、集群化、耐高寒与高温、运行时长的优势[5]。智能巡检机器人主要有自主巡检、遥控巡检、高清可见光视频监控、红外测温、室内环境声音采集、SF6泄露检测、可见光图像智能判别、巡检报表分析与历史数据分析等功能，在无人值守的环境中代替工作人员来完成室内的巡检任务。能够识别表计、及时发现电力设备的热故障。

四足机器人系统建设：四足机器人由四足肢体和身体框架结构两个部分。四足肢体部分是每只足有3个关节共计12个关节，其中关节由大功率直流电动机、精密减速箱机构和绝对式旋转编码器等组成，作用就是可提供强大的关节运动能力、较佳的力量控性以及高准确性的角度反馈信息，满足各种动态运动控制和步态规划开发的需要如：爬行、行走、跑、跳等。身体部分由本体框架、电气-传感系统（嵌入式工控机PICO-WHU4）、运动控制系统（嵌入式工控机PICO-KBU4）、视觉感知系统（包括激光雷达、一体化云台、可见光摄像仪、红外热像仪）、高速网络通讯系等部分组成，满足各种感知伺服算法开发的硬件条件需要。而四足机器人系统建设其主要功能又包含视频监控、红外测温功能、无人化自主充电、常规及特殊巡检、设备状态查询及历史数据分析、机器人管控、站内设备管控、协助应急事故处理、实时巡检信息、辅助功能等。

1.3 变电站视频监控功能的建设

该变电站主要采用三种形式摄像机分别为：热成像双光谱网络智能球形摄像机、智能半球型网络摄像机、红外双光卡片式摄像机。在视频监控设备通信组网方案如下：在摄像头布置较为集中的点位，采用工业用交换机及普通以太网交换机集中接入。工业用交换机主要应用于户外一些设备装置区的摄像头网线的接入，而普通以太网交换机主要用于室内一些设备装置监控摄像头网线的接入。工业交换机上行口通过千兆SFP 光模块连接多种模块光缆接入，现位于主控室的新增核心交换机千兆SFP 光模块内；在摄像头布置较为分散的点位，通过多种模块光缆接入主控室内，再经光电转换模块接入到视频交换机中，实现了光电转换功能；对于系统新增巡检服务器、视频服务器、微型安全接入网关等采用统一接入到核心交换机。

1.4 变电站无人机功能的建设

该变电站无人机采用全自动分析的智能系统包含无线传输技术、自动化控制技术、图像分析技术、数据管理技术等其它先进技术于一体的智能巡检系统，可以不依赖于现场人工操作，即可完成无人机自动巡检工作或者下达的指令。该系统组成主要由中心系统、固定机场、无人机及其挂载三大部分组成，其主要功能包含用户管理、资源管理、任务管理、实时监控。

2 联合巡检软件功能及对外接口的建设

联合巡检软件功能建设内包含安全中心、数据中心、任务中心、配置管理、台账管理、统计中心、监控中心等部分，在根据巡检业务需要形成数据采集、数据分析、任务管理、巡视监控、巡视结果确认、巡视结果分析、智能联动、台账管理、配置管理九大功能模块。

同时该软件系统具备高扩展性：通过TCP 与FTPS 接口协议，支持接入各种智能巡视设备，实现巡视设备的控制与巡视数据的传输；通过TCP 与FTPS 接口协议与上层系统对接，实施任务与巡视结果数据传输；通过UDP 协议与第三方系统对接，实现联动控制信号的接入。系统内含图像识别算法,实现表计读数、开关类设备位置指示以及压板、空开、把手、指示灯等设备状态智能识别，实现鸟窝、风飘物、箱门未关、未戴安全帽等缺陷类与安全风险类识别。系统亦支持对接声纹识别、气体分析等各种智能算法，扩展系统智能分析能力[6]。接入三维实景主机后，可实现巡视作业可视。

物理接口：巡检主机与主站、智能巡检设备间通信采用100M/1000M 自适应以太网电口物理介质的通信接口；接口协议：巡检采集的可见光拍摄的照片、红外线成像仪的图谱、音频交换等文件传输，都遵照FTPS 安全文件传输规范执行；控制指令、查询指令、巡检结果数据、机器人状态数据、微气象状态数据等传输通信遵循TCP 传输协议；巡视主机与第三方系统支持以IEC104规约对接。

3 结语

智能联合巡检在220千伏磐石变电站的运用后实现变电站工作现场无人化巡检、智能化告警、可视化管理，避免人工巡检时出现的不及时、不到位、不准确等各种人为缺陷，降低人工巡检和维护的劳动强度和工作量，避免巡检运维人员在恶劣气体环境下长时间工作，提升综合管廊运行的安全性和运维效率。