Automatização da Inspeção de Subestações: Como a Robótica Aumenta a Confiabilidade e Reduz Custos

1. Contexto do Projeto e Necessidade de I&D​

Com os avanços tecnológicos e aprofundamento das reformas no sistema de energia, o nível de automação dos sistemas de energia melhorou significativamente. As subestações estão evoluindo para modelos operacionais "sem supervisão" ou "com menos pessoal em serviço". Atualmente, as subestações dependem principalmente das funções "Quatro Telemetrias" (Telemetria, Telesinalização, Telecontrole, Teleregulação) e dos sistemas SCADA para monitorar sinais elétricos de equipamentos. No entanto, essa abordagem tradicional não consegue alcançar a percepção e consciência em tempo real do estado físico local do equipamento (como aparência, temperatura, sons anormais, etc.).

O modelo atual de operação e manutenção tem deficiências óbvias: quando ocorre uma anomalia em uma subestação, os despachantes devem primeiro notificar as equipes de operação de subestações remotas para viajar ao local e, em seguida, organizar reparos. Este processo atrasa significativamente o tempo de eliminação de defeitos, afetando a confiabilidade do fornecimento de energia e a qualidade do serviço. Além disso, o monitoramento remoto por vídeo tradicional apenas realiza a transmissão digital de áudio e vídeo, carece de capacidades de análise inteligente e é limitado pelo campo de visão fixo de câmeras individuais e pela largura de banda da rede limitada, tornando difícil a implementação em larga escala.

​2. Estrutura Geral do Sistema Robótico​

Este sistema adota uma arquitetura de duas camadas "Estação Base-Agente Móvel" para realizar a monitorização remota coordenada e as operações de inspeção no local.

​2.1 Sistema de Estação Base​

O sistema de estação base é implantado no centro de monitorização remota e serve como o núcleo de interação homem-máquina e comando do sistema inteiro.

​2.2 Sistema de Agente Móvel (Corpo do Robô)​​

O agente móvel é um terminal inteligente que executa tarefas de inspeção no local, possuindo um alto grau de autonomia e adaptabilidade ambiental.

• ​Design do Chassi Móvel:​​ Utiliza uma estrutura de acionamento diferencial de quatro rodas. As duas rodas dianteiras são rodas independentemente acionadas, cada uma alimentada por um motor separado, permitindo uma direção diferencial flexível; as duas rodas traseiras são rodas giratórias. Esta estrutura oferece vantagens como boa estabilidade de movimento em linha reta, pequeno raio de giro (pode girar em torno do ponto central das rodas dianteiras), forte adaptação a estradas, sem deslizamento lateral e uma estrutura simples e confiável.
• ​Subsistema de Controle de Movimento:​​ O núcleo de hardware é uma placa principal PC104, equipada com uma placa de controle de movimento PCL-839 e controladores de motor. Este subsistema é responsável por todos os comportamentos de movimento do robô. Ao receber comandos do planejador superior e integrar o modelo dinâmico do veículo, ele decomponhe com precisão os comandos de velocidade para cada motor de acionamento, alcançando um controle de movimento suave e preciso.
• ​Subsistema de Execução de Tarefas:​​ Serve como os "sentidos" e "mãos" do robô. As funções principais incluem:
• ​Aquisição de Dados:​​ Integra uma câmera CCD de luz visível, uma câmera termográfica infravermelha e um microfone direcional de alta performance (MEMS) para coletar dados de imagem (visível e infravermelho) e som de equipamentos de energia.
• ​Carregamento Automático:​​ Capaz de retornar automaticamente ao dock de carregamento para recarga, garantindo operação ininterrupta 7x24 horas.

​3. Tecnologias Centrais e Implementação Funcional​

​3.1 Tecnologia de Planejamento de Caminho Inteligente em Tempo Real​

• ​Planejamento de Caminho Global:​​ Com base em um mapa eletrônico de subestação pré-definido, calcula a sequência ótima de pontos de parada de equipamentos a visitar durante uma tarefa de inspeção e caminhos viáveis de acordo com estratégias como "caminho mais curto", "menos curvas" ou "ótimo global".
• ​Planejamento de Caminho Local:​​
• ​Evitação de Obstáculos:​​ Emprega o algoritmo VFF (Histograma de Campo de Força Virtual), combinado com dados de sensores como LiDAR, para gerar comandos de evitação em tempo real, garantindo navegação segura em ambientes dinâmicos.
• ​Seguimento de Linha:​​ Usa o clássico algoritmo de controle PID para garantir que o robô siga rotas predefinidas com precisão.
• ​Adaptação Ambiental:​​ Aplica o algoritmo EM e algoritmos de agrupamento para processar dados de sensores, ajustando efetivamente os limites das estradas e superando desvios de posicionamento.

​3.2 Sistema de Detecção e Diagnóstico Multimodal de Equipamentos​

1. ​Sistema de Monitorização e Diagnóstico Remoto por Infravermelho​
• ​Configuração:​​ Câmera térmica infravermelha online, inclui módulos de aquisição, processamento, exibição, armazenamento e geração de relatórios de imagem.
• ​Funções:​​ Detecta automaticamente a temperatura superficial do equipamento, compara com limiares pré-definidos e dispara alarmes sonoros/visuais imediatamente ao detectar anomalias; pode gerar mapas de gradiente de temperatura do equipamento, curvas de temperatura-tempo, etc., para auxiliar na análise de falhas; usa tecnologia de compressão de imagens para suportar o monitoramento simultâneo de fluxos de infravermelho em tempo real de múltiplas subestações no centro de despacho.
2. ​Sistema de Monitorização e Diagnóstico Remoto por Imagem​
• ​Configuração:​​ Câmera CCD de luz visível e servidor de vídeo.
• ​Funções:​​ O sistema de estação base realiza análise inteligente (por exemplo, análise de imagem de diferença, análise de correlação) nas imagens de luz visível retornadas para identificar automaticamente o estado de aparência do equipamento de energia e leituras de instrumentos. Normalmente, troca automaticamente os pontos de monitoramento; armazena imagens e dispara alarmes apenas quando detecta anomalias, melhorando significativamente a utilização do canal e a eficácia do monitoramento.
3. ​Sistema de Monitorização e Diagnóstico Remoto por Som​
• ​Configuração:​​ Microfone direcional MEMS de alta performance.
• ​Funções:​​ Coleta ruídos de operação de equipamentos em tempo real, compacta e transmite de volta. O sistema avalia inteligentemente o estado de operação e tipos de anomalias (por exemplo, soltura, descarga) de equipamentos como transformadores, comparando ruídos em tempo real com dados normais históricos, e fornece uma interface interativa para que o pessoal de manutenção consulte e analise.
4. ​Sistema de Detecção e Alarme de Intrusão de Objetos em Movimento​
• ​Princípio:​​ Com base em algoritmos de detecção de alvos em movimento em fluxos de vídeo, identifica e extrai automaticamente áreas no vídeo contendo objetos em movimento relativamente ao fundo.
• ​Funções:​​ Quando detecta um alvo em movimento anormal, como intrusão ilegal, o sistema dispara imediatamente um alarme e salva imagens do local, fornecendo evidências para rastreamento de segurança, permitindo verdadeira monitorização de segurança sem supervisão.

​4. Operação em Campo e Resultados de Aplicação​

​Valor de Aplicação Central:​​ Este sistema robótico integra inovadoramente a "detecção móvel sem contato" com a "monitorização fixa com contato" existente em subestações, formando um sistema de monitorização abrangente que cobre tanto o espaço quanto o estado, compensando efetivamente as deficiências dos modelos de inspeção tradicionais.

​Resultados Operacionais:​​

• ​Melhoria Significativa na Segurança e Confiabilidade:​​ Capaz de detectar prontamente falhas potenciais como defeitos térmicos, objetos estranhos na superfície, vazamentos de óleo e anomalias sonoras em equipamentos, eliminando acidentes em sua fase inicial.
• ​Aumento da Eficiência de Operação e Manutenção:​​ Substitui inspeções rotineiras manuais repetitivas e tediosas, e fornece aos despachantes feedback em tempo real e preciso sobre as condições no local, oferecendo suporte de dados crucial para a tomada de decisões em emergências, reduzindo substancialmente o tempo de tratamento de falhas.
• ​Redução de Custos Operacionais:​​ Serve como equipamento tecnológico chave para a realização do modelo de subestação "sem supervisão", ajudando as empresas de energia a otimizar a alocação de recursos humanos e reduzir os custos operacionais a longo prazo.