智能化技术在变电运维技术中的应用

中铁二院工程集团有限责任公司 杨宝军

1 引言

随着人们生活质量的不断提升，对供电的需求量呈爆炸式增长趋势，对供电质量要求也日益增高，给变电运维工作带来了很大难度。近年来，智能化技术在各行各业都得到了广泛应用，在变电运维工作中合理引进智能化技术，不仅能显著提升变电运维过程的质量，还能提升工作效率。

2 工程案例介绍

本文结合具体案例详细介绍变电运维技术中智能化技术的应用情况。某220kV 变电站共设置有两台主变压器，每台变压器的容量为18万kVA，所有变压器全部基于双母线方式接线，共计有四回进线。110kV变压系统同样基于双母线接线方式，共有14回出线。另外，本变电站还设计有35kV 变压系统，共有6回出线。变电站中使用的一次设备全部在室外敞开布置。

3 智能机器人巡检系统的构成

3.1 智能机器人系统概述

参与变电运维工作的智能化机器人的整体框架结构如图1所示。整体上可以分为三个层级，分别为终端层、通讯层和基站层。基于分布式网络结构实现数据信息传输。智能机器人的巡检系统可以融入集中控制系统中，进而通过远程终端操作，实现机器人的巡检工作。终端层主要包括终端设备，比如比较重要的智能机器人本身以及充电室等；通讯层的作用是实现终端层与基站层之间的连接，对数据进行传输，很多环节是基于无线网络技术进行无线传输；基站层主要包括一些基础设施，包括视频监控器、基站系统、硬盘录像机、防火墙等[1]。

图1 变电站智能机器人系统的整体框架

3.2 智能巡检机器人概述

智能巡检机器人主要是依靠各类专业传感器和摄像头，对周围的信息参数进行感知，进而实现巡检和监控的效果。其中比较重要的传感器装置包括红外线成像仪、超声传感仪、激光雷达、夜间照明等装置，同时包含精确的定位系统，可以实现自主导航。工作人员可以在系统中设置巡检的路线，智能机器人按照设定内容开展巡检工作。智能机器人配备有可见摄像仪、雨刷等部件，即便是在雨雪天气也可完成相关工作内容。在自主导航系统的辅助作用下，操作人员可以远程遥控智能机器人进行巡检[2]。经过5年的实践表明，所述的智能巡检机器人具备非常可靠的导航性能，能够规避外部因素对巡检过程造成的干扰，实现全天候自动化巡检控制。采用的是无轨化激光导航技术，方便工作人员随时定位巡检机器人的具体位置。智能巡检机器人的主要性能参数见表1。

表1 智能巡检机器人主要性能参数

3.3 充电室

智能巡检机器人利用电池供电，需要建设配套的充电室对智能巡检机器人进行补能。对于一般的巡检机器人，在完成巡检工作后，会自动回到充电室或者在远程终端的控制作用下，让机器人回到充电室进行充电。为了保护充电室内的设备并确保安全，充电室配备有门禁系统和自动充电设备。该设备控制系统与智能巡检机器人进行联动，根据智能巡检机器人的工作任务，自动判断是否开启门禁系统，并对巡检机器人进行充电。可以实现全自动化工作，无须人为干预。特殊情况下可通过人为方式对巡检机器人的充电过程进行操作。智能机器人有自主充电和电量管理系统，可以自动识别电量并自动回到充电室进行补能。如果遇到特殊情况无法回到充电室时，需要通过人工方式将其转运至充电室进行充电。

3.4 辅助设备

智能巡检机器人正常运行过程中需要用到很多辅助设备，比如为了对周围的风速、温度和湿度等重要环境信息进行检测，需要安装风速传感器、温湿度传感器等对参数进行感知，同时需要利用无线通信网桥等辅助设备对数据信息进行无线传输。利用传感器检测得到的数据信息会上传至上位机中，上位机中内置的算法程序对检测信息进行综合分析处理，判断其准确性和可靠性。为了保证巡检机器人的稳定可靠运行，要求无线网络能够覆盖整个变电站，且持续保持信号稳定，关键的传感器必须正常可靠运行[3]。

3.5 上位机和下位机

上位机设置在变电站运维人员办公室区域内，主要硬件设施有监控屏幕、存储服务器等，作用是对变电站运行过程中的状态信息参数进行实时展示，以便工作人员能掌握变电站的运行状态。工作人员可以在上位机中对智能巡检机器人进行远程控制，完成一些特殊的任务。

下位机主要是指设置在机器人系统中的软件程序，根据软件程序可以对巡检系统进行远程监控、就地指挥等功能。系统运行过程中会产生大量数据信息，这些数据信息上传至远程控制平台的服务器中进行存储，后续工作人员可根据需要实时调取数据信息。基于信息可以快速定位变电运维故障问题，缩短故障定位及修复时间。

4 智能机器人巡检系统功能分析

4.1 红外测温功能

变电运维过程中需要对一些关键点的温度进行实时监控，避免温度过高影响设备正常稳定运行。利用智能机器人巡检系统可以设置一些关键监测点，系统基于红外测温装置，采用多角度全方位方式对这些关键监测点的温度实现实时监测。除对关键点温度进行监测外，还可以对整个设备的温度场分布情况进行整体扫描。基于红外测温功能可以实现变电站全方位温度监测，避免出现监测盲区现象。一旦系统监测发现设备温度过高，超过系统设置的安全阈值范围，智能机器人系统会向外发出警告信号，工作人员能及时发现存在的温度过高问题，进而采取有效措施对设备进行降温，确保设备的稳定运行，防止设备温度过高而罢工[4]。另外，红外测温功能检测得到的所有温度信息会在服务器中存储，可以利用大数据技术对温度信息进行深入挖掘分析，进而对变电站主要设备的温度变化趋势进行预测，能及时发现潜在的安全隐患和故障问题，为变电运维方案的制定提供科学的数据支撑。

4.2 设备状态与表计识别功能

智能机器人巡检过程中，需要利用摄像仪对周围的环境进行拍摄，并基于图像处理技术分析图片中蕴含的关键数据信息，进而判断变电站中主要设备的运行状态以及一些仪表的读数等。根据识别结果，将内置的安全阈值范围进行对比，如果超过了系统设置的安全阈值范围，会立刻发出报警信号，工作人员能及时发现问题并处理。比如，本文所述的智能巡检机器人可以对周围的各种气候条件进行自动化识别，通过与实际情况进行对比，发现识别结果具有非常高的精度，与人工识别结果之间的误差在5%范围以内。

4.3 数据分析功能

数据分析功能是指智能巡检机器人系统收集数据信息后上传至服务器中，软件程序对这些信息进行自动化的分类与整理，最终生成数据报表。工作人员在获得数据报表后进行深入的挖掘分析，可以及时发现变电站运行过程中存在的异常问题，为后续变电运维方案制定提供数据支撑。在该环节大数据分析技术可以发挥更大的作用，利用当前比较先进的大数据分析技术，可以深入挖掘数据信息中潜在的价值，在一定程度发挥数据信息的作用[5]。

5 智能机器人图像增强改进措施

智能巡检机器人正常工作时涉及大量的图像处理过程，图像处理质量和效果会直接决定智能机器人整体的应用水平。为了确保机器人从图像中获取的数据信息能够更好地反映变电站运行状态，需要强化智能巡检机器人的图像处理效果，对图像处理过程进行优化。就目前的技术而言，可以充分利用双边滤波器以及基于分层处理的图像增强技术强化机器人的图像处理质量。利用现有的技术对图像进行处理时，图像基本层自身会出现较大范围的波动，很多细节成分都被处理掉了。对基层图像实施压缩处理后，会进一步影响最终图像的对比度，进而影响图形识别的效果。所以针对图像进行处理时，特别是在基层图像处理方面，需要重点关注图像对比度的处理。直方均衡处理方法是调整图像对比度的重要方法，这种方法具有使用便捷、操作简单等优势。基于该方法可以得到一个直方图函数H(i)，处理过程中需要设置一个投影阈值T。根据系统设置的阈值T，可以对直方图函数H(i)实施二值化处理，最终可以得到一个二值化的直方图B(i)，二值化直方图B(i)的函数为：

B(i)的累计直方图函数为：

式中，n表示输入图像的数据位宽，有效灰度的个数nmax为累积结果。对于直方图，有效灰度个数的最大值为：

nmax=P(2N-1)

数据位宽与显示设备性能存在直接关系，假设显示设备的数据位宽大小为M，当nmax超过2M时，意味着有效灰度个数已经超过了系统能够正常显示的范围，说明设备无法有效展示内容比较丰富或者复杂的图像信息。

基于分析可以看出，显示设备允许的最大灰度动态范围2M就是图像输出的最大动态范围。在对图像信息进行处理时，如果只是一味地增大图像灰度的最大动态范围，通过一定手段将其强制扩大到2M，最终的结果是导致图像灰度失真，从而加大图像处理时噪声点的数量，最终影响智能机器人图像处理的质量和效果。假设显示设备允许的最大动态范围为R。

R=min(nmax,2M)

此时输出的图像为式：

基于模型给出的图像，能尽量降低噪声点数量，提升图像处理效果。

6 结语

近年来我国在智能化领域取得了飞速发展，很多智能化技术在工业领域和人们日常生活中都有广泛应用。变电运维工作是供电系统运行时非常重要的一环，其质量和效率直接影响了供电质量。目前很多智能化技术逐渐在变电运维技术中得到了一定的应用，经过实践验证发现取得了较好的效果，在促进变电运维技术水平提升方面发挥着重要的作用。本文以220kV 变电站的运维工作为例，介绍了智能巡检机器人在变电运维工作中的应用情况，经过5年时间的应用发现达到了预期效果，极大促进了变电运维工作质量和效率的提升，值得进一步推广应用。