Automatización de la inspección de subestaciones: Cómo la robótica mejora la fiabilidad y reduce costos

1. Antecedentes del proyecto y necesidad de I+D

Con los avances tecnológicos y la profundización de las reformas en el sistema eléctrico, el nivel de automatización de los sistemas de energía ha mejorado significativamente. Las subestaciones están evolucionando hacia modelos operativos de "sin personal" o "con menos personal". Actualmente, las subestaciones dependen principalmente de las funciones de "Cuatro Telemetrías" (Telemetría, Teleseñalización, Telecontrol, Teleregulación) y sistemas SCADA para monitorear las señales eléctricas del equipo. Sin embargo, este enfoque tradicional no puede lograr una percepción y conciencia en tiempo real del estado físico en el sitio del equipo (como apariencia, temperatura, sonidos anormales, etc.).

El modelo actual de operación y mantenimiento tiene deficiencias evidentes: cuando ocurre una anomalía en una subestación, los despachadores deben notificar primero a los equipos de operación de subestaciones remotos para que viajen al sitio y luego organizar las reparaciones. Este proceso retrasa significativamente el tiempo de eliminación de defectos, afectando la confiabilidad del suministro de energía y la calidad del servicio. Además, el monitoreo remoto de video tradicional solo realiza la transmisión digital de audio y video, carece de capacidades de análisis inteligente y está limitado por el campo de visión fijo de las cámaras individuales y la banda ancha de red limitada, lo que dificulta su implementación a gran escala.

2. Estructura general del sistema de robots

Este sistema adopta una arquitectura de dos capas "Estación Base-Agente Móvil" para lograr la coordinación de la supervisión remota y las operaciones de inspección en el sitio.

2.1 Sistema de Estación Base

El sistema de estación base se despliega en el centro de monitoreo remoto y sirve como el núcleo de interacción hombre-máquina y comando del sistema completo.

2.2 Sistema de Agente Móvil (Cuerpo del Robot)

El agente móvil es un terminal inteligente que realiza tareas de inspección en el sitio, poseyendo un alto grado de autonomía y adaptabilidad al entorno.

• Diseño de chasis móvil: Utiliza una estructura de conducción diferencial de cuatro ruedas. Las dos ruedas delanteras son ruedas motrices independientes, cada una alimentada por un motor separado, lo que permite un giro diferencial flexible; las dos ruedas traseras son ruedas de dirección. Esta estructura ofrece ventajas como buena estabilidad en movimiento rectilíneo, radio de giro pequeño (puede girar alrededor del punto central de las ruedas delanteras), fuerte adaptabilidad a la carretera, sin deslizamiento lateral y una estructura simple y confiable.
• Subsistema de control de movimiento: El núcleo de hardware es una placa principal PC104, equipada con una tarjeta de control de movimiento PCL-839 y controladores de motores. Este subsistema es responsable de todos los comportamientos de movimiento del robot. Al recibir comandos del planificador superior e integrar el modelo de dinámica del vehículo, descompone con precisión los comandos de velocidad a cada motor de tracción, logrando un control de movimiento suave y preciso.
• Subsistema de ejecución de tareas: Sirve como los "sentidos" y "manos" del robot. Funciones principales incluyen:
• Adquisición de datos: Integra una cámara CCD de luz visible, un termógrafo infrarrojo y un micrófono direccional de alto rendimiento (MEMS) para recopilar datos de imagen (visible e infrarroja) y sonido de los equipos de energía.
• Carga automática: Capaz de regresar automáticamente al muelle de carga para la carga, asegurando una operación ininterrumpida 7x24 horas.

3. Tecnologías y funcionalidades centrales de implementación

3.1 Tecnología de planificación de ruta en tiempo real inteligente

• Planificación de ruta global: Basada en un mapa electrónico preestablecido de la subestación, calcula la secuencia óptima de puntos de parada de equipos a visitar durante una tarea de inspección y rutas factibles según estrategias como "ruta más corta", "menos giros" o "óptimo integral".
• Planificación de ruta local:
• Evasión de obstáculos: Utiliza el algoritmo VFF (Histograma de Campo de Fuerza Virtual), combinado con datos de sensores como LiDAR, para generar comandos de evasión en tiempo real, asegurando la navegación segura en entornos dinámicos.
• Seguimiento de línea: Utiliza el clásico algoritmo de control PID para garantizar que el robot siga las rutas predeterminadas con precisión.
• Adaptación al entorno: Aplica el algoritmo EM y algoritmos de agrupamiento para procesar datos de sensores, ajustando eficazmente los límites de la carretera y superando desviaciones de posicionamiento.

3.2 Sistema de detección y diagnóstico multimodal de equipos

1. Sistema de monitoreo y diagnóstico de infrarrojos remoto
• Configuración: Termógrafo infrarrojo en línea, incluye módulos de adquisición de imágenes, procesamiento, visualización, almacenamiento y generación de informes.
• Funciones: Detecta automáticamente la temperatura superficial del equipo, la compara con umbrales preestablecidos y activa alarmas auditivas/visuales inmediatamente al detectar anomalías; puede generar mapas de gradiente de temperatura del equipo, curvas de temperatura-tiempo, etc., para asistir en el análisis de fallas; utiliza tecnología de compresión de imágenes para soportar el monitoreo simultáneo de flujos de infrarrojos en tiempo real de múltiples subestaciones en el centro de despacho.
2. Sistema de monitoreo y diagnóstico de imágenes remoto
• Configuración: Cámara CCD de luz visible y servidor de video.
• Funciones: El sistema de estación base realiza un análisis inteligente (por ejemplo, análisis de imágenes diferenciales, análisis de correlación) en las imágenes de luz visible devueltas para identificar automáticamente el estado de apariencia del equipo de energía y las lecturas de instrumentos. Normalmente, cambia automáticamente los puntos de monitoreo; solo almacena imágenes y activa alarmas cuando se detectan anomalías, mejorando significativamente la utilización del canal y la efectividad del monitoreo.
3. Sistema de monitoreo y diagnóstico de sonido remoto
• Configuración: Micrófono direccional MEMS de alto rendimiento.
• Funciones: Recopila ruido de funcionamiento del equipo en tiempo real, lo comprime y lo transmite de vuelta. El sistema evalúa inteligentemente el estado de funcionamiento y tipos de anomalías (por ejemplo, aflojamiento, descarga) del equipo, como transformadores, comparando el ruido en tiempo real con datos normales históricos, y proporciona una interfaz interactiva para que el personal de mantenimiento consulte y analice.
4. Sistema de detección y alarma de intrusión de objetos en movimiento
• Principio: Basado en algoritmos de detección de objetivos en movimiento en flujo de video, identifica y extrae automáticamente áreas en el video que contienen objetos en movimiento relativo al fondo.
• Funciones: Una vez que se detecta un objetivo en movimiento anormal, como una intrusión ilegal, el sistema activa inmediatamente una alarma y guarda imágenes en el sitio, proporcionando evidencia para el seguimiento de seguridad, permitiendo un verdadero monitoreo de seguridad sin personal.

4. Resultados de operación y aplicación en el campo

Valor de aplicación central: Este sistema de robots integra innovadoramente la "detección móvil sin contacto" con el "monitoreo fijo basado en contacto" existente en las subestaciones, formando un sistema de monitoreo integral que abarca tanto el espacio como el estado, compensando eficazmente las deficiencias de los modelos de inspección tradicionales.

Resultados de operación:

• Seguridad y confiabilidad significativamente mejoradas: Capaz de detectar rápidamente posibles fallas, como defectos térmicos, objetos extraños en la superficie, fugas de aceite y anomalías de sonido en el equipo, eliminando accidentes en su etapa inicial.
• Eficiencia de operación y mantenimiento mejorada: Reemplaza las inspecciones rutinarias repetitivas y tediosas realizadas manualmente, y proporciona a los despachadores retroalimentación en tiempo real y precisa sobre las condiciones en el sitio, ofreciendo un soporte de datos crucial para la toma de decisiones en situaciones de emergencia, reduciendo sustancialmente el tiempo de manejo de fallas.
• Reducción de costos operativos: Sirve como equipo tecnológico clave para la implementación del modelo de subestación "sin personal", ayudando a las empresas de energía a optimizar la asignación de recursos humanos y reducir los costos operativos a largo plazo.