电力巡检机器人终端视觉检测技术运用在变电站机器人自动巡检当中,能够提升巡检效果,快速找到故障区域,并能发现人类肉眼无法发现的故障隐患。

变电系统是供电企业系统运行中的核心系统之一,变电站的管理工作主要是进行运行、检修、电网调度等工作,由多个部门配合完成,而其中的核心环节就是电站设备巡视。变电站设备运行是否安全可靠直接影响电力系统的稳定性。dlzbcg.wang本文介绍了变电站智能巡检机器人融合了自动行驶、电力设备及运行状态识别、低照度下图像处理及分析等先进技术,设计出的智能巡检系统运用在电站日常巡检当中,可降低运维人员的劳动强度,促进电站的现代化发展。

1 电力巡检机器人巡检的研究

变电系统设备运行是否可靠和电力系统的稳定性有很大关系,再加上变电系统设备总类多种多样,给电站巡视人员工作的开展带来一定压力。巡视人员的业务水平和责任意识、精神状态等都会给电力系统造成重大的经济损失。根据中国电力科学院近两年电网运行统计报告分析,每一年因为变电设备漏检、误检造成的损失大约20亿人民币,甚至远超这个数据。电力系统在当前的发展中,从最新的《中国新能源发电分析报告》来看,当前风力发电、光伏发电的成本得到下降,文章对新能源发电的发展方式进行预测,同时还分析了未来五年之外,全球风电新增装机将会保持不断增长的趋势。国家电网发展势头良好,同时人们也针对电网的发展投入了十倍的信心,让电力系统朝着清洁、智能、自动化方向发展。

巡检机器人方案的提出在2003年,最早通过日本研究人员提出,完成方案研究、模拟试验后推广到市场中去。2005年美国人A.irk研制出轨道式变电站巡检机器人,同时投入到美国西部使用,实现了对变电站电气设备的红外测温。随后人们研究了机器人巡检的关键技术,同时预测指出在机器人身上使用仿人立体视觉技术,这一步的提出促使了巡检技术朝着智能监控的方向发展。

我国在2007年才逐渐开始对巡检机器人的研究,人们提出了机器人巡检结构之后,提出了车体运动学建模、避障算法,这些技术加速了机器人巡检代替人工巡检。机器人能够具备人工的机动性,同样还适应了社会发展下无人值守电站的愿望。尤其是在新时期,机器人巡检朝着更广阔的空间发展。巡检机器人在电力发展当中的运用,实现对电力输电线路及其附属ADSS光缆、OPGW光缆进行自动巡视、无需人员攀爬铁塔或线路,具有进行快速故障定位及隐患排查功能,减低巡检人员工作强度、减少人员登塔次数,保证巡视质量,降低人员风险。

2 巡检系统方案整体设计

巡视机器人概念:针对变电站内一次设备、控制室内二次设备等工作状态的巡视功能,解决无人值守变电站的日常巡视需求,具有24小时全天候巡视能力及进行快速故障定位和隐患排查功能。

2.1 功能性

设备:根据电站运行选择需要配置的设备,其中包括变压器、刀闸、母线、PT、CT等,从巡检图像中选择出模板信息,设定模式识别后将信息植入到数据库当中;刀闸:根据道闸的类型选择出识别的方向,标识和刀闸方向一致,标志出红外线图像,以此来方便测温和识别,通过红外测温显示刀头位置、引线板接触部分的温度;开关:识别开关闸指示器来辨别开关的所处位置;仪表:通过模式识别判断等级开关的参数值,包括压力表示数、PT油位、油枕油位、PB动作次数等;外观:通过识别判断相关设备的外观,通过对设备外观的检测来方便运行人员后台、远程来检查。

通过查阅相关资料以及结合变电站智能巡检机器人系统的设计,将其设计为网络分布式,系统构成为三层,分别为基站层、通讯层、终端层。系统构成:机器人后台的、硬盘录像机、硬件防火墙、智能控制软件、分析软件等组成基层站;通讯层构成由网络交换机、无线网桥等;通讯层负责建立起基层站和智能终端层,形成网络通道。终端层包括智能巡检机器人、充电室、固定监测点。

2.2 系统组成

机器人:是整个巡检系统当中的核心,集中了红外线热像仪、摄像机、拾音器等,运用多种传感器设计的系统。该系统可在全天候条件下精确定位、自主导航、设备定位等,可以预先完成既定的任务,实现对电站的全方位巡检;充电室设置充电设备:能够进行自动充电、手动充电。其中的自动门、门禁、对射传感器保证了机器人巡检过程中开启全自动巡检功能,能够让机器人在充电时不受到外界的影响;巡检轨道、定位点:智能巡检机器人具备很强的抗干扰能力,具备很强的可靠性能,不受到外界天气的影响。定位点是机器人完成任务时提供全局路径规划、系统定位的功能,其中还可以提供位置坐标、设备间距、详细任务内容等。

辅助固定监控系统:巡检机器人在巡检过程中会存在检测盲点,本次设计中使用辅助视频、红外线监控点,能够补充机器人巡检的盲点,实现多种系统的联动来实现全方位巡检覆盖;工作站:是系统完成指挥工作、监控、控制的中心,机器人在后台运用监控系统,可实时监测设备的可见光、红外视频、机器人运行状态;通过任务管理、遥控等手段,完成对机器人的管理。还可以提供巡检报告报表打印、实时数据存储、历史数据查询、参数分析诊断功能,和站内监控系统、远程监控中心接口相连接。

2.3 软件设计

后台监控软件的四大模块功能构成:

系统配置,底层信息进行配置,包括模型配置,比如停靠点监测点的配置,监测设备、实时数据、固定摄像头、巡检任务、云伺服配置、数据库表结构等。

移动站控制功能,对巡检机器人下发相关任务,对运动进行控制,可实时显示信息、设备状态、手动控制、视频控制等。在巡检任务界,根据任务界面巡视区域、时间的需要定时启动机器人,可保证机器人不用每天手动启动。

典型功能操作模块。后台用户在登录后下发相关任务,可定时启动、手动启动;机器人手动遥控、云遥控;手动遥控充电,遥控其余平台、其余功能,查看运行日志和事项查询。还能对历史曲线进行查询、配置、设置不同的功能,根据需要进行控制。

数据分析、管理模块在后台运行、远程操控的时候实现数据分析,对事项进行查询和巡检数据进行分析,根据红外线图像知识库内的图像进行操作、查询故障信息;仪表类故障时通过采集到的数据和配置的数据进行分析对比,发出警报信息、闭锁信息;热类故障发生后,当达到配置内设定的救险等级就可发出故障信息类别。其中故障类别分为一般、严重、危急缺陷。比如当某个电流互感器运行中可以查询历史曲线,即使发现其中存在的缺陷,比如压力值降低,可以及时查询事故,将事故的影响降低到最小。

2.4 调试结果 

完成功能模块设定、参数配置设定后对机器人巡检系统进行调试。机器人所巡检区域内的不同设备,断路器、隔离开关的分合位置,仪表表示、机器人运行当中的各种数据,将这些参数实时传送到后台,实现了巡检机器人对站内设备运行状况进行监控,保证电站内的设备始终处于良好的运行状态,可及时发现设备的缺陷,及时警告以及进行处理。

机器人在巡检数据上传到系统的后台,通过配置库分析出运行过程中存在的缺陷,根据缺陷的不同,将其分为三种类别,分别是一般、严重、危急,能够方便运行人员及时处理存在的缺陷。可有效防止事故扩大来影响电力系统的稳定性。在实际的巡检过程中,电站管理人员可以通过后台的管理系统,对机器人巡检的所有设备节点进行详细数据查询,整理之后分析数据来对设备的运行进行控制。

3 变电站巡检机器人终端视觉巡检技术

视频监控很早就引入电力设备的运行状态,在远程监控、后台操作中起到非常重要的作用。在早期发展中利用“遥视”技术和机器人结合实现生产环境的监控,在这个阶段只实现了图像、声音信号、数字化、远程数据传输,为解决运行环境当中的多媒体监控系统的运行提供全面技术支持。但发展的早期并没有数据分析、处理功能,当前时代是数据化时代,数字化技术深入到各个领域内,计算机技术和机器人技术的发展有异曲同工之妙。巡检技术当中运用机器人,是因为人眼判断具有主观性,而且人工操作很容易疲劳、产生误差,很难达到自动化的需求,事后缺乏准确判断,降低了事故的处理能力,延误了排除缺陷的时间。

3.1 图像识别及图像检测系统

图像识别系统由数据库服务器和管理中心、图像识别终端三个部分组成,其中数据库服务器位于中心机房,为系统提供数据服务、图片显示服务;管理中心主要是记录访客登记、保卫,主要用来进行访客登记和临时卡管理、相关历史数据查询功能。图像识别终端放置在不同确定位置,能够对相关目标物体进行图像显示对比。

图像识别在当前发展中属于非常重要的领域,利用人工智能、计算机对图像进行处理和分析,从而识别不同模式下的目标和成像技术。运用在工业当中是使用工业相机进行拍摄,之后利用软件根据图片的灰阶差进一步进行处理。当前图像识别技术已广泛运用到各个领域内,如交通领域当中的车牌号识别、交通标志识别、军事、地形勘测、指纹、人脸识别等。

3.2 研制机器人

机器人巡检过程中,移动机器人是该系统中的关键技术。当前机器人的设置中一般选择仿生机构,机构的关节比较多,结构复杂,而且这种机器人体积大、笨重,适应能力和负载能力都比较低。机器人的关节比较多,在运动学的逆解当中,解耦控制难度比较高,因此要相应提升运动控制的精度。再加上机器人的动态性比较差,不满足输电线作业的要求。工业化使用水平比较低,从运用的水平来看应该在当前的设计中,让机器人朝着小巧紧凑、轻质的机械结构发展,方便上下作业的同时,还要能够方便携带。当前的发展中,巡检机器人还不能满足巡检任务要求。

3.3 激光导航

激光导航是利用视觉传感器拍摄路面图像,运用图像识别技术来提取特征点,作为路标计算出全局路标,在全局坐标系下提出坐标值,为激光导航提供依据。巡检机器人在运行时激光定位传感器来检测路标信息,检测到的路标信息不能少于三个点,使用三角测量法进行计算,得到机器人的位置信息来调整机器人运行的路线。具体的原理为:机器人激光传感器每扫描一周,就能够得到检测的路标信息激光传感器夹角。检测到三个路标之后计算机计算得到激光传感器的全局坐标,结合设定的导航路线计算出机器人设定路径位置、导航偏差,运用指令调节左右驱动器,调整路线引导机器人设定路线运行。

3.4 北斗卫星定位系统

北斗定位系统可提供机器人精准的位置信息,可报告发现故障的具体位置,对大型或超大型变电站中运行的自动运检机器人起到辅助定位、精准对时等功能。北斗定位首先是读取北斗卫星的数据之后建立起采集机器人初始位置的坐标,实现北斗定位和二维地图信息的融合,通过地图构建的图纸将一定比例生成到地图当中,通过位置坐标进一步控制机器人的运动距离。北斗卫星技术和机器人的合作实现了全国首个高精度定位机器人项目。而将这个项目高度融和贯通的先驱为北斗工程副总设计师谭述森院士。智能机器人采用高精度卫星定位系统将精度定位精确到厘米,将其引入到机器人领域内,机器人能够自动生成地图、实现智能路径规划、道路障碍识别、定时运行等。

3.5 新型5G传输

当前我国正在快速推进5G网络,5G网络数据传输具有高效率、高清晰度、高性能等优势,且覆盖面积更广。在传统网络数据传输中难免存在数据包丢失、图像模糊等现象,但运用5G技术融入到电力巡检机器人巡检技术中,既能满足超高清视频、图片数据传输需求,也可满足在变电站内强电磁干扰环境下的稳定运行,同时兼具更好的数据加密能力。尤其是当前智能化、自动化技术快速发展的过程中,新一代电网设备标准逐渐使用在电力发展当中。巡检机器人应具备与智能电网信息网络互通能力,充分运用5G网络的优势,发挥人工智能和智能电网信息网络互通的能力,快速、高效、准确的完成电网运检工作。

4 结语

变电站巡检机器人终端视觉巡检技术的发展空间非常广,多传感器融合将会运用在输电线巡检中,随着自主巡检机器人技术的不断完善,线路故障探测方式的成熟,在未来的发展过程中巡检机器人会集成多种传感器,运用多种传感器对机器人的行走越障进行导航和定位。同时巡检机器人的体积会越来越小,能够开发出相关的平台,实现信息交互和共享。随着智能电网输电线智能电网的快速发展,发展出电网设备互联标准,发挥出巡检机器人的优势,完成输电线的运维工作。