智能巡检机器人关键技术研究与应用

国网安徽省电力有限公司检修分公司 彭明智 董翔宇 吴永恒

在变电站里，变电设备数量急剧增加，为确保设备的安全稳定运行，需要及时掌握关键二次设备及重要回路的运行状态，离不开对各级小室内二次设备的巡检，而这类巡检工作长期存在日常巡视人手不足、人员素质参差不齐、数据记录不规范不完整、缺陷发现不及时、应急响应时间长、运行维护成本高等痛点[1]。而且二次屏柜内部的巡检点位，因线缆繁多、设备检测手段缺失等原因，通常是巡检盲区。

当前，人工巡检是变电站内巡检的主要技术手段，利用人体感官、长期以来积累的经验以及大量的智能监测设备，巡检人员进入到设备位置区对实际运行中的设备工作情况进行综合评判，比如，基于继电保护专业各种压板的重要性，截至目前，其投退操作依然由人工现场手动完成，变电站内继电保护专业操作仍然主要依赖工作人员的实际技术水平以及工作责任心，在这样的实际情况下，目前现场巡视中存在的问题主要体现在以下四个方面：

设备巡视质量不高且存在漏巡情况、设备巡检到位率虚高、设备巡视数据不是足够准确且在记录过程中存在失真情况；自然天气、到站距离、车辆安排、人员安排等因素导致不能及时有效的跟踪特殊重要缺陷且更不能及时准确有效的详细记录巡视结果，导致其不能被及时分析处理；实际情况中，由于变电站工作人员的技术水平、文化水平以及工作态度等方面参差不齐，在工作过程中有时仅仅凭借工作经验来进行判断，缺乏必要的准确的规范、标准来进行综合参考。对于变电站现场运行规程，虽然各个变电站都具备，但是由于变电站工作人员对其理解及贯彻不够深入，导致存在的问题较多，同时，由于巡视人员的工作经验、心理素质、技能水平、生理状态都处于不定态，极有可能发生设备漏巡以及错误判断等情况造成事故隐患；由于设备信息较多，不同角度不同层面，而人工无法完全综合分析，导致缺乏对变电设备运行状态的全面感知[2]。

针对上述问题，研究室内机器人二次智能巡检及应急关键技术，该技术是一种新型的变电站机器人室内二次设备的智能巡检系统，以室内智能巡检机器人为基础，构建了以多数据源融合为基础的智能变电站无人巡检系统，主要从多数据源采集、智能分析、智能告警、自主识别等方面有效解决无人化智能巡检过程中出现的关键问题，力争实现高质量替代人工巡检，大大提升巡检可信度、精益度以及准确度，有效提升应急响应效率的目标。

1 原理简述

变电站二次设备的巡检，包括对保护、测控、时钟等相关二次设备的定期、周期、应急响应巡视等，是国家电网检修规程中的必备项，巡视周期通常根据变电站等级而定，一类枢纽变电站巡检频率例行巡检每两天不少于一次，专业巡视每月不少于一次一次，全面巡视每周不少于一次，熄灯巡视每月不少于一次，目前国内通过多种方式对这些设备进行巡检，包括人工方式、PDA 方式等等，取得一定的效果，因为没有巡检内容的智能识别系统，同时存在屏柜内部的巡视盲区，并不能减轻运行人员的工作量[3]。

室内巡检机器人是部署在屏柜上方轨道上行走的一种移动载体，通过借助红外摄像头、可见光摄像头、拾音器等传感器，按照预定设置对被巡视对象进行全数据采集，将之与固定摄像头相比，在成本、灵活性和扩展性上具有无以伦比的优势，与人工巡检相比，具备数据记录、巡检频次高、应急响应速度快的显著特点。同时，室内相关机器人的陆续出现，证明了硬件上的原理可行性[4]。

1.1 屏柜后门自动控制系统技术路线

拟采用理论结合实际的方式开发部署，技术研究对象包括：屏柜后门开关原理性分析，并结合现场实际的屏柜门给出改造方案；改造设备供电方式，结合实际屏柜中的交流电流和直流电流，给柜门系统供电；通信方式，单个屏柜门控制单元如何与机器人或者巡检系统通信；可用性、易用性研究，包括可控性、可追溯性、安全性等。

1.2 二次设备图像识别技术路线

拟采用机器学习方式，对大量的设备（端子排、指示灯、数码管数字（字母）等）不同状态样本进行特征提取和学习，关注单个目标的整体特征，训练出目标检测分类器和状态识别分类器，进行目标定位和状态识别，克服传统算法对光线、目标本身缺陷等外部因素的局限性。以数码管显示为例，大概的技术路线包括收集样本、机器学习、小数点和数字连接、矫正分割等步骤。

1.3 二次设备智能巡检后台系统架构路线

系统由站内巡检后台、轨道机器人、屏柜后门自动控制系统、通信网络、以及站内SCADA 系统等其他系统信息源构成。系统采用开放式组合设计，各类巡检终端及站内其他系统的信息源均是系统的功能模块，可按需选择组合配置。主要功能包括：

实时监控：实时视频。巡检后台应能直观的展示实时视频，包括可见光视频和红外视频；实时控制。可见光、红外、云台、车体、任务控制；巡检状态。巡检后台可显示智能巡检机器人巡检状态信息，主要包括巡检地图、智能巡检机器人巡检实时位置、巡检任务具体信息（包括，巡检任务名称、巡检进度、当前巡检点、巡检点总数、已巡检点数）等信息显示功能；巡检报文。巡检后台可显示智能巡检机器人巡检报文信息，包括最新报告、告警信息、巡检信息，其中，告警信息可分为一般告警、严重告警以及危急告警，用不同的字体和颜色代表不同的告警级别，双击报告信息、巡检信息、告警信息可查看详细内容。

任务管理：巡检方式。巡检任务能在巡检后台快速生成，包括例行巡检、特殊巡检、专项巡检、全面巡检以及自定义巡检等巡检任务，任务被下发后，智能巡检机器人能够按照任务流程执行巡检操作，在工作任务执行完毕后，返回预定地点就行充电；任务执行方式。巡检后台任务编辑提供立即执行、定期执行和周期执行三种任务执行方式；任务展示。制定的巡检任务能以日历与月历相互结合的方式展示出来，任务状态不同，展示颜色不同，具体任务状态包括等待执行、正在执行以及已执行。

巡检结果查询分析：报告查询。巡检后台能查询历史报告列表信息，并能查看报告中的详细巡检信息；任务查询。巡检后台能查询历史巡检任务列表信息，并能查看任务中的详细巡检信息；设备查询。巡检后台能按设备树查询某一巡视点的历史巡检信息，其中设备树筛选包括按区域、间隔、设备类型、巡检方法、巡视点类型等；详细巡检信息查询。巡检后台能查看巡检的详细信息，包括巡检任务、巡检类型、巡检结论、原始数据、巡检图片、巡检效果图、历史巡检结果等；设备告警确认；自定义报表分析。巡检后台具备自定义报表分析功能，可通过设备类型、识别类型、设备区域、时间段、设备树模糊筛选以及表计类型选择等查询条件进行搭配设置，生成不同需求所需要的不同报表内容；数据分析。巡检后台具备自定义巡视点筛选，查看对比趋势图的数据分析功能。

用户设置：用户设置模块主要实现巡检点位设置、典型巡检点位库维护、权限管理以及具体检修区域设置等不同功能；系统调试维护：系统调试维护模块主要实现对系统的运行参数设置、地图编辑、时间同步、远程重启等。

2 系统结构及功能

智能巡检系统由主站/巡维中心站、站内巡检后台、各类巡检终端（地面轮式、挂轨式、固定摄像头）、微气象站、通信网络、以及站内SCADA 系统和在线监测系统等其他系统信息源构成；主站/巡维中心站和站内巡检后台集成了巡检专家诊断系统，智能巡检终端根据需求可搭载可见光摄像机、红外测温仪、局放、声纹采集器等非侵入式数据采集设备；后台系统包括站端后台系统、主站/运维中心站系统，采用一体化设计原则，功能、界面风格保持一致。

基本巡检功能如下：实时监控（机器人实时监控、机器人远程控制、全站监视）-任务管理（全站巡检、专项巡检（硬压板专项巡检、指示灯专项巡检，抄表专项巡检、转换开关专项巡检、位置状态专项巡检、自定义专项巡检）、例行巡检、特殊巡检、缺陷跟踪、地图选点（巡检地图选点、按屏柜选点）、自定义任务）-巡检数据分析（巡检结果查询确认（按历史任务查询、按历史报告查询、按设备查询、巡检结果显示、巡检结果确认）、巡检结果对比分析、历史曲线对比分析、巡检报告生成）-用户设置（设备台帐管理、专家诊断管理（智能联动管理、告警定制管理、专家诊断模型管理）、权限管理、检修区域管理）-调试维护（巡检地图维护、机器人告警查询、软件设置）。

系统采用开放式组合设计，各类巡检终端（如关键点位安装固定摄像头）及站内其他系统的信息源均是系统的功能模块，可按需选择组合配置。系统具备接入多源数据系统的能力，例如，它能够接入辅助设备站端监控系统、主设备监控系统联动信息等，并与系统数据进行分析比对，为专家诊断提供数据支撑。典型的接入信息如下：保护等安全自动装置的动作信号；保护、测控类装置的压板信号；测控装置的电流、电压有效值数据（值、相位）；测控类装置的开入信号；其他必要的信息。

通过获取SCADA 在线数据，如有设备状态发生异常，本系统获取到这些异常信号，即可触发智能巡检终端对相关设备屏柜进行相关的专项巡检。

3 巡检效果

可见光巡视：智能巡检终端巡检变电站内保护小室、通信机房、开关室、配电房等户内一次/二次设备或设备上安装的各类可视的状态展示界面，如硬压板、指示灯、数码管、转换开关、仪表读数等。同时选配二次屏柜后开门控制系统，当巡检终端需要巡检该屏柜时，给该屏柜发送开门信号，相应屏柜会自动打开柜门，即可对二次屏柜背面内部元件进行红外测温、电缆破皮检测、端子排连片连通状态检测、光口密封状态检测、号牌完整性检测，相应指示灯检测等。

红外测温巡视：智能巡检机器人可对室内/屏柜内必要的红外巡检点进行巡视，如小室内裸露的线缆、触头、屏柜后端子排线缆等。室内环境监测：巡检系统支持小室内环境监测功能，监测对象主要包括温度、湿度、烟雾、一氧化碳、二氧化碳、六氟化硫检测、臭氧等。

综上，该技术适用于变电站各类小室、配电房、开闭所等相关场所，消缺二次系统的巡检盲区，有效的解决站内二次系统的全覆盖巡视，进一步提升巡检作业精益化，并大幅度提高应急响应速度。同时该系统的图像识别技术属于通用类技术，可广泛适用于各类需要图像识别技术的场所，包括变电站、配电房、输电线等需要图像识别的领域，运用人工智能技术，可有效的解决图像智能分析识别的问题。此外，随着国产芯片二次设备的进一步推进，国产芯片的大功耗导致的发热趋势监测分析也是一个较好的应用点。