Automatisierung der Umspannwerksinspektion: Wie Robotik Zuverlässigkeit erhöht und Kosten reduziert

1. Projekthintergrund und Notwendigkeit der Forschung und Entwicklung

Mit technologischen Fortschritten und der Vertiefung der Reformen im Stromsystem hat sich die Automatisierung von Stromsystemen erheblich verbessert. Umspannwerke entwickeln sich in Richtung "unbesetzter Betrieb" oder "Betrieb mit weniger Personal". Derzeit verlassen sich Umspannwerke hauptsächlich auf die "Vier Fernsteuerfunktionen" (Fernmessung, Fernübertragung, Fernsteuerung, Fernregelung) und SCADA-Systeme, um elektrische Signale der Ausrüstung zu überwachen. Allerdings kann dieser traditionelle Ansatz keine Echtzeit-Wahrnehmung und -Erkenntnis des physischen Zustands der Ausrüstung vor Ort (wie Aussehen, Temperatur, ungewöhnliche Geräusche usw.) erreichen.

Das aktuelle Wartungs- und Betriebsmodell hat offensichtliche Schwächen: Wenn ein Umspannwerk eine Abnormität aufweist, müssen die Dispatcher zunächst die fernen Umspannwerk-Betriebsmannschaften benachrichtigen, um zur Stelle zu reisen, und anschließend Reparaturen organisieren. Dieser Prozess verzögert die Fehlersanierung erheblich, was die Zuverlässigkeit der Stromversorgung und die Dienstleistungsgüte beeinträchtigt. Darüber hinaus realisiert die traditionelle ferngesteuerte Videoüberwachung nur die digitale Übertragung von Audio- und Videodaten, fehlt es an intelligenten Analysefähigkeiten und ist durch den festen Blickwinkel einzelner Kameras und die begrenzte Netzwerkbandbreite eingeschränkt, wodurch eine großflächige Bereitstellung schwierig wird.

2. Gesamtaufbau des Robotersystems

Dieses System verwendet eine zweischichtige "Basisstation-Mobilagent"-Architektur, um koordinierte ferngesteuerte Überwachungs- und ortsfeste Inspektionsoperationen zu ermöglichen.

2.1 Basisstationsystem

Das Basisstationsystem wird im fernen Überwachungszentrum bereitgestellt und dient als Mensch-Maschine-Interaktion und Befehlszentrale des gesamten Systems.

2.2 Mobilagentsystem (Roboterkörper)

Der mobile Agent ist ein intelligenter Endpunkt, der Ortsinspektionen durchführt und ein hohes Maß an Autonomie und Umweltanpassungsfähigkeit besitzt.

• Fahrgestell-Design: Verwendet eine Vier-Rad-Differentialantriebsstruktur. Die beiden vorderen Räder sind unabhängig angetriebene Räder, jedes von einem separaten Motor angetrieben, was eine flexible Differenzlenkung ermöglicht; die beiden hinteren Räder sind Rollen. Diese Struktur bietet Vorteile wie gute Stabilität bei gerader Fahrt, kleiner Wendekreis (kann um den Mittelpunkt der vorderen Räder drehen), starke Straßenanpassungsfähigkeit, kein Seitenausgleich und eine einfache, zuverlässige Struktur.
• Bewegungssteuerungssubsystem: Das Hardware-Kernstück ist eine PC104-Hauptplatine, ausgestattet mit einer PCL-839-Bewegungssteuerkarte und Motortreibern. Dieses Subsystem ist für alle Bewegungsverhaltensweisen des Roboters verantwortlich. Durch Empfang von Befehlen vom oberen Planer und Integration des Fahrzeugdynamikmodells dekomponiert es Geschwindigkeitsbefehle präzise auf jeden Antriebsmotor, um eine flüssige und genaue Bewegungssteuerung zu erreichen.
• Aufgaben-Ausführungs-Subsystem: Dient als die "Sinnesorgane" und "Hände" des Roboters. Kernfunktionen umfassen:
• Datenerfassung: Integriert eine sichtbare Licht-CCD-Kamera, einen Infrarot-Thermograf und ein hochleistungsfähiges Richtmikrofon (MEMS) zur Erfassung von Bilddaten (sichtbar und infrarot) und Tondaten von Stromgeräten.
• Automatische Aufladung: Kann automatisch zur Ladestation zurückkehren, um anzudocken und aufzuladen, um einen 7x24-Stunden-ununterbrochenen Betrieb sicherzustellen.

3. Kerntechnologien und Funktionsumsetzung

3.1 Intelligente Echtzeit-Pfadplanungstechnologie

• Globale Pfadplanung: Basierend auf einer vorgegebenen elektronischen Karte des Umspannwerks berechnet es die optimale Reihenfolge der Gerätestopps während einer Inspektionsaufgabe und mögliche Wege gemäß Strategien wie "kürzester Weg", "wenigste Wendungen" oder "komplette Optimalität".
• Lokale Pfadplanung:
• Hindernisvermeidung: Verwendet den VFF-Algorithmus (virtuelles Kraftfeld-Histogramm), kombiniert mit Sensordaten wie LiDAR, um Echtzeit-Vermeidungsbefehle zu generieren, um eine sichere Navigation in dynamischen Umgebungen sicherzustellen.
• Linienverfolgung: Verwendet den klassischen PID-Regelalgorithmus, um sicherzustellen, dass der Roboter präzise vorbestimmte Routen folgt.
• Umweltanpassung: Wendet den EM-Algorithmus und Clustering-Algorithmen an, um Sensordaten zu verarbeiten, um effektiv Straßenränder zu passen und Positionierungsabweichungen zu überwinden.

3.2 Multimodales Gerätedetektion- und Diagnosesystem

1. Entfernte Infrarotüberwachungs- und Diagnosesystem
• Konfiguration: Online-Infrarotthermograf, einschließlich Bild-Erfassungs-, -Verarbeitungs-, -Anzeige-, -Speicher- und Berichterstellungsmodulen.
• Funktionen: Erkennt automatisch die Oberflächentemperatur der Geräte, vergleicht sie mit voreingestellten Schwellenwerten und löst sofort akustische/visuelle Alarmsignale aus, wenn Abnormalitäten entdeckt werden; kann Geräte-Temperaturgradientenkarten, Temperatur-Zeit-Kurven usw. generieren, um die Fehleranalyse zu unterstützen; verwendet Bildkompressionstechnologie, um die gleichzeitige Überwachung von Echtzeit-Infrarot-Feeds aus mehreren Umspannwerken im Leitstand zu unterstützen.
2. Entfernte Bildüberwachungs- und Diagnosesystem
• Konfiguration: Sichtbares Licht-CCD-Kamera und Videoserver.
• Funktionen: Das Basisstationsystem führt eine intelligente Analyse (z.B. Differenzbildanalyse, Korrelationsanalyse) der zurückgegebenen sichtbaren Lichtbilder durch, um das Aussehen der Stromgeräte und Instrumentenanzeigen automatisch zu identifizieren. Normalerweise wechselt es automatisch die Überwachungspunkte; es speichert nur Bilder und löst Alarme aus, wenn Abnormalitäten entdeckt werden, was die Kanalnutzung und Überwachungseffektivität erheblich verbessert.
3. Entfernte Tonüberwachungs- und Diagnosesystem
• Konfiguration: Hochleistungsfähiges Richt-MEMS-Mikrofon.
• Funktionen: Erfasst in Echtzeit die Betriebsgeräusche der Ausrüstung, komprimiert und sendet sie zurück. Das System bewertet intelligent den Betriebsstatus und die Art der Abnormalitäten (z.B. Lockerung, Entladung) der Geräte wie Transformator, indem es die Echtzeitgeräusche mit historischen normalen Daten vergleicht, und bietet eine interaktive Schnittstelle für Wartungspersonal, um Abfragen und Analysen durchzuführen.
4. Bewegliches Objekt-Eindringersystemerkennung und Alarmsystem
• Prinzip: Basierend auf Algorithmen zur Bewegungsziel-Erkennung in Videoströmen, erkennt und extrahiert es automatisch Bereiche im Video, die Objekte enthalten, die sich relativ zum Hintergrund bewegen.
• Funktionen: Sobald ein abnormales bewegliches Ziel, wie eine illegale Eindringung, erkannt wird, löst das System sofort einen Alarm aus und speichert Standortbilder, um Beweise für Sicherheitsrückverfolgungen bereitzustellen und eine echte unbemannte Sicherheitsüberwachung zu ermöglichen.

4. Feldbetrieb und Anwendungsergebnisse

Kernanwendungswert: Dieses Robotersystem integriert innovativ "kontaktlose mobile Detektion" mit der bestehenden "kontaktbasierten festen Überwachung" in Umspannwerken, um ein umfassendes Überwachungssystem zu bilden, das sowohl Raum als auch Status abdeckt und die Mängel der traditionellen Inspektionsmodelle wirksam ausgleicht.

Betriebsergebnisse:

• Signifikante Verbesserung der Sicherheit und Zuverlässigkeit: Fähig, potenzielle Fehler wie thermische Defekte, Oberflächenfremdkörper, Ölaustritte und tonale Abnormalitäten der Geräte frühzeitig zu erkennen und Unfälle im Keim zu ersticken.
• Verbesserung der Betriebs- und Wartungseffizienz: Ersetzt manuelle, repetitive und mühsame Routineinspektionen und bietet Dispatchern Echtzeit- und genaue Rückmeldungen über die Standortbedingungen, bietet wichtige Datensupport für Notfallentscheidungen und reduziert die Fehlersanierungszeit erheblich.
• Reduzierung der Betriebskosten: Dient als Schlüsseltechnologie für die Realisierung des "unbesetzten" Umspannwerk-Modells, hilft den Stromversorgern, die Personalaufteilung zu optimieren und langfristige Betriebskosten zu senken.