Automazione dell'ispezione della sottostazione: come la robotica aumenta l'affidabilità e riduce i costi

1. Contesto del progetto e necessità di R&D​

Con l'avanzamento tecnologico e l'approfondimento delle riforme dei sistemi elettrici, il livello di automazione dei sistemi elettrici è migliorato significativamente. Le sottostazioni stanno evolvendo verso modelli operativi "non sorvegliati" o con "personale ridotto". Attualmente, le sottostazioni si basano principalmente sulle funzioni "Quattro Telemetrie" (Telemetria, Telesignaling, Telecontrollo, Teleregolazione) e sui sistemi SCADA per monitorare i segnali elettrici dell'equipaggiamento. Tuttavia, questo approccio tradizionale non può raggiungere una percezione e consapevolezza in tempo reale dello stato fisico in loco dell'equipaggiamento (come aspetto, temperatura, suoni anomali, ecc.).

Il modello attuale di operazione e manutenzione presenta evidenti carenze: quando si verifica un'anomalia in una sottostazione, i dispatcher devono prima notificare i team di operazione remota della sottostazione per recarsi sul sito, e poi organizzare le riparazioni. Questo processo ritarda significativamente il tempo di eliminazione dei difetti, influendo sulla affidabilità dell'energia elettrica e la qualità del servizio. Inoltre, il monitoraggio video remoto tradizionale realizza solo la trasmissione digitale di audio e video, manca di capacità di analisi intelligente ed è limitato dal campo visivo fisso delle singole telecamere e dalla banda di rete limitata, rendendo difficile la sua implementazione su larga scala.

​2. Struttura complessiva del sistema robotico​

Questo sistema adotta un'architettura a due livelli "Stazione Base-Agente Mobile" per realizzare operazioni di monitoraggio remoto e ispezione in loco coordinate.

​2.1 Sistema Stazione Base​

Il sistema stazione base è distribuito nel centro di monitoraggio remoto e funge da nucleo di interazione uomo-macchina e comando del sistema complessivo.

​2.2 Sistema Agente Mobile (Corpo del Robot)​​

L'agente mobile è un terminale intelligente che esegue compiti di ispezione in loco, possedendo un alto grado di autonomia e adattabilità ambientale.

• ​Progettazione del telaio mobile:​​ Utilizza una struttura a quattro ruote con guida differenziale. Le due ruote anteriori sono ruote indipendenti, ciascuna alimentata da un motore separato, consentendo una sterzata differenziale flessibile; le due ruote posteriori sono ruote rotanti. Questa struttura offre vantaggi come buona stabilità del movimento rettilineo, piccolo raggio di sterzata (può ruotare intorno al punto centrale delle ruote anteriori), forte adattabilità alle strade, assenza di scivolamento laterale e struttura semplice e affidabile.
• ​Sottosistema di controllo del movimento:​​ Il core hardware è una scheda madre PC104, dotata di una scheda di controllo del movimento PCL-839 e driver per motori. Questo sottosistema è responsabile di tutti i comportamenti di movimento del robot. Ricevendo comandi dal pianificatore superiore e integrando il modello dinamico del veicolo, decomponendo accuratamente i comandi di velocità a ciascun motore di trazione, realizza un controllo del movimento fluido e preciso.
• ​Sottosistema di esecuzione dei compiti:​​ Funge da "sensi" e "mani" del robot. Le funzioni principali includono:
• ​Rilevazione dei dati:​​ Integra una telecamera CCD a luce visibile, un termocamera a infrarossi e un microfono direzionale ad alte prestazioni (MEMS) per raccogliere dati di immagine (visibile e infrarossi) e suoni dall'equipaggiamento elettrico.
• ​Ricarica automatica:​​ In grado di tornare automaticamente al dock di ricarica per la ricarica, garantendo un'operazione ininterrotta 7x24 ore.

​3. Tecnologie e implementazione funzionale chiave​

​3.1 Tecnologia di pianificazione del percorso intelligente in tempo reale​

• ​Pianificazione globale del percorso:​​ Basata su una mappa elettronica preimpostata della sottostazione, calcola la sequenza ottimale dei punti di sosta dell'equipaggiamento da visitare durante un compito di ispezione e percorsi fattibili secondo strategie come "percorso più breve", "meno curve" o "ottimo complessivo".
• ​Pianificazione del percorso locale:​​
• ​Evitamento degli ostacoli:​​ Utilizza l'algoritmo VFF (istogramma del campo di forza virtuale), combinato con dati dei sensori come LiDAR, per generare comandi di evitamento in tempo reale, assicurando una navigazione sicura in ambienti dinamici.
• ​Seguimento della linea:​​ Usa l'algoritmo di controllo PID classico per assicurare che il robot segua i percorsi predeterminati con precisione.
• ​Adattamento all'ambiente:​​ Applica l'algoritmo EM e algoritmi di clustering per elaborare i dati dei sensori, effettuando efficacemente il fitting dei confini stradali e superando le deviazioni di posizionamento.

​3.2 Sistema di rilevamento e diagnosi multimodale dell'equipaggiamento​

1. ​Sistema di monitoraggio e diagnosi a infrarossi remoto​
• ​Configurazione:​​ Termocamera a infrarossi online, include moduli di acquisizione, elaborazione, visualizzazione, archiviazione e generazione di report delle immagini.
• ​Funzioni:​​ Rileva automaticamente la temperatura superficiale dell'equipaggiamento, la confronta con soglie predefinite e attiva immediatamente allarmi acustici/visivi in caso di anomalie; può generare mappe di gradiente di temperatura dell'equipaggiamento, curve di temperatura-tempo, ecc., per assistere nell'analisi dei guasti; utilizza la tecnologia di compressione delle immagini per supportare il monitoraggio simultaneo di flussi infrarossi in tempo reale da diverse sottostazioni presso il centro di dispatch.
2. ​Sistema di monitoraggio e diagnosi a immagini remote​
• ​Configurazione:​​ Telecamera CCD a luce visibile e server video.
• ​Funzioni:​​ Il sistema stazione base esegue un'analisi intelligente (ad esempio, analisi delle differenze d'immagine, analisi di correlazione) sulle immagini a luce visibile restituite per identificare automaticamente lo stato esterno dell'equipaggiamento elettrico e le letture degli strumenti. Normalmente, cambia automaticamente i punti di monitoraggio; memorizza le immagini e attiva gli allarmi solo in caso di anomalie, migliorando significativamente l'utilizzo del canale e l'efficacia del monitoraggio.
3. ​Sistema di monitoraggio e diagnosi sonoro remoto​
• ​Configurazione:​​ Microfono direzionale ad alte prestazioni MEMS.
• ​Funzioni:​​ Raccoglie in tempo reale i rumori di funzionamento dell'equipaggiamento, li comprime e li trasmette. Il sistema valuta intelligentemente lo stato di funzionamento e i tipi di anomalie (ad esempio, allentamento, scariche) dell'equipaggiamento come i trasformatori, confrontando i rumori in tempo reale con i dati storici normali, e fornisce un'interfaccia interattiva per il personale di manutenzione per consultare e analizzare.
4. ​Sistema di rilevamento e allarme di intrusioni di oggetti in movimento​
• ​Principio:​​ Basato su algoritmi di rilevamento di bersagli in movimento nei flussi video, identifica e estrae automaticamente aree del video contenenti oggetti in movimento rispetto allo sfondo.
• ​Funzioni:​​ Una volta rilevato un bersaglio in movimento anomalo, come un'intrusione illegale, il sistema attiva immediatamente un allarme e salva le immagini in loco, fornendo prove per la tracciabilità della sicurezza, abilitando un vero e proprio monitoraggio di sicurezza non sorvegliato.

​4. Operazioni sul campo e risultati applicativi​

​Valore applicativo chiave:​​ Questo sistema robotico integra innovativamente il "rilevamento mobile a contatto zero" con il "monitoraggio fisso a contatto" esistente nelle sottostazioni, formando un sistema di monitoraggio comprensivo che copre sia lo spazio che lo stato, compensando efficacemente le carenze dei modelli di ispezione tradizionali.

​Risultati operativi:​​

• ​Aumento significativo della sicurezza e affidabilità:​​ In grado di rilevare prontamente potenziali guasti come difetti termici, oggetti estranei superficiali, perdite di olio e anomalie sonore nell'equipaggiamento, eliminando gli incidenti nella loro fase iniziale.
• ​Miglioramento dell'efficienza operativa e di manutenzione:​​ Sostituisce le ispezioni routine ripetitive e tediose manuali, e fornisce ai dispatcher feedback in tempo reale e accurati sulle condizioni in loco, offrendo supporto dati cruciale per la decisione di emergenza, riducendo sostanzialmente il tempo di gestione dei guasti.
• ​Riduzione dei costi operativi:​​ Serve come equipaggiamento tecnologico chiave per realizzare il modello di sottostazione "non sorvegliata", aiutando le società elettriche a ottimizzare l'allocazione delle risorse umane e ridurre i costi operativi a lungo termine.