Автоматизация инспекцията на подстанция: Как роботиката засилва надеждността и намалява разходите

1. Фон на проекта и необходимост от НИОКР

С напредъка на технологиите и дълбоката реформа на електроенергийните системи, нивото на автоматизация в електроенергийните системи е значително повишено. Подстанциите се развиваат към модели за работа "без присъствие" или "с минимален брой персонал". В момента подстанциите основно разчитат на функциите "Четири телеметрии" (телеизмерване, телеиндикация, телеуправление, телерегулиране) и SCADA системи за мониторинг на електрическите сигнали на оборудването. Но този традиционен подход не може да постигне реално времево усещане и осъзнаване на физическото състояние на оборудването на място (например външният вид, температурата, аномални звуци и т.н.).

Сегашният модел на операция и поддръжка има явни недостатъци: при настъпване на аномалия в подстанцията, диспечери трябва първо да известят удалените екипи за управление на подстанции, които да се придвижат до мястото, и след това да организират ремонта. Този процес значително забавя времето за изключване на дефектите, влияйки на надеждността на доставката на електроенергия и качеството на услугата. Освен това, традиционната система за дистанционно видео наблюдение реализира само цифровата передача на аудио и видео, липсва интелигентен анализ и е ограничена от фиксираната обзора на единичните камери и ограничената мрежова ширина на канала, което затруднява масовата й употреба.

2. Обща структура на роботизираната система

Тази система използва двуетажна архитектура "Базова станция-Мобилен агент", за да постигне координирано дистанционно наблюдение и операции за инспекция на място.

2.1 Система на базовата станция

Системата на базовата станция е разположена в центъра за дистанционно наблюдение и служи като ядро за човек-машина интеракция и командиране на цялата система.

2.2 Система на мобилния агент (тело на робота)

Мобилният агент е интелигентен терминал, който извършва задачи за инспекция на място, с висока степен на автономност и адаптивност към околната среда.

• Дизайн на мобилна рама: Използва четирито колеса с диференциално управление. Двете предните колела са независими приводни колела, всяко с отделен мотор, което позволява гъвкаво диференциално насочване; двете задни колела са ролкови колела. Тази структура предлага предимства като добра стабилност при праволинейно движение, малък радиус на завоя (може да се завие около централната точка на предните колела), силна адаптивност към пътя, без странично плъзгане и проста, надеждна структура.
• Подсистема за управление на движението: Хардуерното ядро е платата PC104, оборудвана с карта за управление на движението PCL-839 и двигателни драйвери. Тази подсистема е отговорна за всички движения на робота. Чрез приемане на команди от горното ниво планиращ и интегриране на модела на динамиката на автомобила, точно разделя команди за скорост на всеки приводен мотор, постигайки гладко и точно управление на движението.
• Подсистема за изпълнение на задачи: Функционира като "сетива" и "руце" на робота. Основни функции включват:
• Събиране на данни: Интегрира CCD камера с видима светлина, инфрачервен тепловизор и високопроизводителен направен микрофон (MEMS) за събиране на данни за изображения (видима и инфрачервена светлина) и звук от електроенергийното оборудване.
• Автоматично зареждане: Способен да се връща автоматично към док-станцията за зареждане, гарантирайки непрекъснато 7x24 часа функциониране.

3. Основни технологии и функционална реализация

3.1 Интелигентна технология за реално време планиране на пътищата

• Глобално планиране на пътищата: На базата на предварително зададена електронна карта на подстанцията, изчислява оптималната последователност на точки за спиране на оборудването, които да бъдат посетени при изпълнение на задача за инспекция, и възможни пътища в съответствие със стратегии като "най-кратък път", "минимален брой завои" или "комплексен оптимум".
• Локално планиране на пътищата:
• Обиколка на препятствия: Използва алгоритъма VFF (Виртуално поле на сили), комбиниран с данни от сензори като LiDAR, за генериране на реално време команди за обиколка, осигурявайки безопасно навигиране в динамични среди.
• Следене на линия: Използва класическия алгоритъм за управление PID, за да осигури, че роботът следва предварително зададени маршрути с точност.
• Адаптация към околната среда: Прилага алгоритъма EM и алгоритми за кластеризиране за обработка на данни от сензори, ефективно прилагайки границите на пътя и преодоляване на отклонения в позиционирането.

3.2 Мултимодална система за детекция и диагностика на оборудването

1. Дистанционна система за инфрачервено наблюдение и диагностика
• Конфигурация: Онлайн инфрачервен тепловизор, включва модули за събиране, обработка, показване, съхранение и генериране на доклади на изображения.
• Функции: Автоматично детектира температурата на повърхността на оборудването, сравнява я с предварително зададени порогове и незабавно активира звукови/визуални аларми при откриване на аномалии; може да генерира градиентни карти на температурата на оборудването, криви на температурата-време и т.н., за помощ при анализ на дефектите; използва технология за компресия на изображения, за да подкрепи едновременно наблюдение на реално време инфрачервени потоци от множество подстанции в центъра за диспечиране.
2. Дистанционна система за наблюдение и диагностика на изображения
• Конфигурация: CCD камера с видима светлина и видео сервер.
• Функции: Системата на базовата станция извършва интелигентен анализ (например анализ на разликата между изображения, корелационен анализ) на върнатите изображения с видима светлина, за да идентифицира автоматично външния вид на електроенергийното оборудване и показанията на инструментите. Обикновено автоматично превключва точки за наблюдение; съхранява изображения и активира аларми само при откриване на аномалии, значително подобрявайки използването на канала и ефективността на наблюдението.
3. Дистанционна система за наблюдение и диагностика на звуци
• Конфигурация: Високопроизводителен направен MEMS микрофон.
• Функции: Събира реално време шум от работещото оборудване, го компресира и го връща. Системата интелигентно оценява работното състояние и типовете на аномалии (например ослабяване, разрядване) на оборудване като трансформатори, като сравнява реално време шум с исторически нормални данни, и предоставя интерактивен интерфейс за технически обслужващ персонал, за да извършва търсения и анализ.
4. Система за детекция и алармиране на движещи се обекти
• Принцип: На базата на алгоритми за детекция на движещи се цели в видео поток, автоматично идентифицира и извлича области в видео, съдържащи обекти, които се движат относително на фона.
• Функции: При откриване на аномални движещи се цели, като незаконно нахлуване, системата незабавно активира аларми и съхранява изображения на място, предоставяйки доказателства за сигурността, осигурявайки истинско безприсъствено наблюдение.

4. Полеви операции и приложени резултати

Основна приложна стойност: Тази роботизирана система иновативно интегрира "мобилна детекция без контакт" със съществуващата "фиксна детекция с контакт" в подстанциите, формирайки комплексна система за наблюдение, която покрива както пространството, така и състоянието, ефективно компенсирайки недостатъците на традиционните модели за инспекция.

Оперативни резултати:

• Значително подобрена безопасност и надеждност: Способна да открива навреме потенциални дефекти като термични дефекти, повърхностни чужди предмети, изтичане на масло и аномалии в звука на оборудването, изключвайки аварии в ранен стадий.
• Подобрена ефективност на операциите и техническото обслужване: Заменя ръчните повторящи се и уморителни рутинни инспекции, и предоставя диспечери с реално време и точна обратна връзка за условията на място, предлагайки ключови данни за подкрепа на решенията в спешни случаи, значително намалявайки времето за обработване на дефектите.
• Намалени оперативни разходи: Служи като ключово технологично оборудване за реализиране на модела "без присъствие" на подстанциите, помагайки на електроенергийните компании да оптимизират разпределението на човешките ресурси и да намалят дългосрочните оперативни разходи.