Automatització de la inspecció de subestacions: Com la robòtica millore la fiabilitat i redueix els costos

1. Antecedents del projecte i necessitat de la recerca i el desenvolupament

Amb els avanços tecnològics i l'aprofundiment de les reformes del sistema elèctric, el nivell d'automatització dels sistemes elèctrics ha millorat significativament. Les subestacions estan evolucionant cap a models operatius "sense personal" o "amb menys personal de guardia". Actualment, les subestacions es basen principalment en les funcions de "les quatre telemetries" (Telemetria, Telesignaling, Telecontrol, Teleregulació) i els sistemes SCADA per monitoritzar els senyals elèctrics dels equips. No obstant això, aquest enfocament tradicional no pot aconseguir una percepció i consciència en temps real de l'estat físic dels equips al lloc (com ara l'aparença, la temperatura, sons anòmals, etc.).

El model actual d'operació i manteniment té deficiències evidents: quan ocorre una anomalia en una subestació, els dispatchers han de notificar primer als equips remots de gestió de subestacions per desplaçar-se al lloc, i després organitzar les reparacions. Aquest procés retrau considerablement el temps de resolució de defectes, afectant la fiabilitat de l'abastament elèctric i la qualitat del servei. A més, la supervisió remota de vídeo tradicional només realitza la transmissió digital d'àudio i vídeo, careix de capacitats d'anàlisi intel·ligent i està limitada pel camp de visió fixe de les càmeres individuals i la banda d'amplada de xarxa limitada, dificultant-ne la implementació a gran escala.

2. Estructura general del sistema robòtic

Aquest sistema adopta una arquitectura de dos nivells "Estació base - Agent mòbil" per assolir la supervisió remota coordinada i les operacions d'inspecció in situ.

2.1 Sistema de l'estació base

El sistema de l'estació base s'implementa al centre de supervisió remot i serveix com a nucli d'interacció home-màquina i comandament del sistema sencer.

2.2 Sistema d'agent mòbil (cossos del robot)

L'agent mòbil és un terminal intel·ligent que realitza tasques d'inspecció in situ, amb un grau elevat d'autonomia i adaptabilitat ambiental.

• Disseny de la base mòbil: Utilitza una estructura de propulsió diferencial de quatre rodes. Les dues rodes delanteres són rodes motrius independents, cada una alimentada per un motor separat, permetent una direcció diferencial flexible; les dues rodes traseres són rodes giratoris. Aquesta estructura ofereix avantatges com una bona estabilitat en moviment rectilini, radi de gir reduït (pot girar al voltant del punt central de les rodes delanteres), forta adaptació a la carretera, sense lliscament lateral i una estructura simple i fiable.
• Subsistema de control de moviment: El nucli de maquinari és una placa base PC104, equipada amb una targeta de control de moviment PCL-839 i drivers de motor. Aquest subsistema és responsable de tots els comportaments de moviment del robot. Reben ordres del planejador superior i integrant el model de dinàmica del vehicle, descomponen amb precisió les ordres de velocitat a cada motor de propulsió, assolint un control de moviment suau i precís.
• Subsistema d'execució de tasques: Serveix com a "sentits" i "mans" del robot. Les funcions principals inclouen:
• Adquisició de dades: Integra una càmera CCD de llum visible, un termògraf infraroig i un microfòni direccional d'alta prestació (MEMS) per recopilar dades d'imatges (visible i infraroig) i so dels equips elèctrics.
• Càrrega automàtica: Capaç de tornar automàticament a la base de càrrega per a la càrrega, assegurant una operació ininterrupta 7x24 hores.

3. Tecnologies i implementació de funcions clau

3.1 Tecnologia de planificació de camins intel·ligent en temps real

• Planificació de camins global: Basada en un mapa electrònic predefinit de la subestació, calcula la seqüència òptima de punts d'aturada d'equips a visitar durant una tasca d'inspecció i camins factibles segons estratègies com "camí més curt", "menys giravoltos" o "òptim integral".
• Planificació de camins local:
• Evasió d'obstacles: Empra l'algoritme VFF (Histograma de Camp de Forces Virtual), combinat amb dades de sensors com el LiDAR, per generar ordres d'evasió en temps real, assegurant una navegació segura en entorns dinàmics.
• Seguiment de línia: Utilitza l'algoritme de control PID clàssic per assegurar que el robot segueixi rutes predefinides amb precisió.
• Adaptació ambiental: Aplica l'algoritme EM i algoritmes de clustering per processar dades de sensors, ajustant eficientment els límits de la carretera i superant desviacions de posició.

3.2 Sistema de detecció i diagnòstic multimodal d'equips

1. Sistema de monitorització i diagnòstic infraroig remot
• Configuració: Termògraf infraroig en línia, incloent-hi mòduls d'adquisició, processament, visualització, emmagatzematge i generació de relacions d'imatges.
• Funcions: Detecta automàticament la temperatura superficial dels equips, la compara amb llindars predefinits i activa alarmes sonores/víscules immediatament si detecta anormalitats; pot generar mapes de gradient de temperatura dels equips, corbes de temperatura-temps, etc., per ajudar en l'anàlisi de falles; utilitza tecnologia de compressió d'imatges per suportar la monitorització simultània de fluxos d'infraroig en temps real de múltiples subestacions al centre de dispatch.
2. Sistema de monitorització i diagnòstic d'imatges remotes
• Configuració: Càmera CCD de llum visible i servidor de vídeo.
• Funcions: El sistema de l'estació base realitza una anàlisi intel·ligent (per exemple, anàlisi d'imatges diferencials, anàlisi de correlació) de les imatges de llum visible retornades per identificar automàticament l'estat aparençal dels equips elèctrics i les lectures dels instruments. Normalment, canvia automàticament els punts de monitorització; només emmagatzema imatges i activa alarmes quan es detecten anormalitats, millorant significativament l'utilització del canal i l'eficàcia de la monitorització.
3. Sistema de monitorització i diagnòstic de so remot
• Configuració: Microfòni direccional d'alta prestació MEMS.
• Funcions: Recull el soroll d'operació dels equips en temps real, ho comprimeix i ho retorna. El sistema assessora intel·ligentment l'estat d'operació i els tipus d'anomalies (per exemple, aflojament, descàrrega) dels equips com transformadors comparant el soroll en temps real amb dades normals històriques, i proporciona una interfície interactiva per al personal de manteniment per consultar i analitzar.
4. Sistema de detecció i alarma d'intrusió d'objectes en moviment
• Principi: Basat en algoritmes de detecció de targets en moviment en fluxos de vídeo, identifica i extreu automàticament àrees del vídeo que contenen objectes en moviment respecte al fons.
• Funcions: Un cop detectat un target en moviment anòmal, com una intrusió il·legal, el sistema activa immediatament l'alarma i emmagatzema imatges del lloc, proporcionant evidència per a la traçabilitat de la seguretat, permetent una supervisió de seguretat sense personal real.

4. Resultats d'operació i aplicació en el terreny

Valor d'aplicació central: Aquest sistema robòtic integra innovadorament la "detecció mòbil sense contacte" amb la "monitorització fixa basada en contacte" existent en les subestacions, formant un sistema de monitorització integral que abasta tant l'espai com l'estat, compensant eficientment les deficiències dels models d'inspecció tradicionals.

Resultats operatius:

• Millora significativa de la seguretat i la fiabilitat: Pot detectar prontament possibles falles com defectes tèrmics, objectes estranys a la superfície, filtracions d'oli i anormalitats de so en els equips, eliminant accidents en la seva etapa inicial.
• Millora de l'eficiència operativa i de manteniment: Substitueix inspeccions rutinàries repetitives i tedioses realitzades manualment, i proporciona feedback en temps real i precís sobre les condicions del lloc als dispatchers, oferint dades crucials per a la presa de decisions d'emergència, reduint substancialment el temps de gestió de falles.
• Reducció dels costos operatius: Serveix com a equipament tecnològic clau per a la implementació del model de subestació "sense personal", ajudant les utilities elèctriques a optimitzar la distribució de recursos humans i reduir els costos operatius a llarg termini.