Автоматизация осмотра подстанций: как робототехника повышает надежность и снижает затраты

1. Проектный фон и необходимость НИОКР

С развитием технологий и углублением реформ в энергетической системе, уровень автоматизации энергосистем значительно повысился. Подстанции переходят к моделям работы "без персонала" или "с минимальным количеством дежурного персонала". В настоящее время подстанции в основном полагаются на функции "четырех телемеханизаций" (телеметрия, телеуправление, телесигнализация, телеизмерение) и системы SCADA для мониторинга электрических сигналов оборудования. Однако этот традиционный подход не позволяет достигать реального времени восприятия и осознания физического состояния оборудования на месте (например, внешний вид, температура, аномальные звуки и т.д.).

Текущая модель эксплуатации и обслуживания имеет явные недостатки: при возникновении аномалии на подстанции, диспетчеры должны сначала уведомить удаленные оперативные бригады, чтобы они выехали на место, а затем организовать ремонт. Этот процесс значительно задерживает время устранения дефектов, влияя на надежность энергоснабжения и качество обслуживания. Кроме того, традиционное удаленное видеонаблюдение только реализует цифровую передачу аудио- и видеоинформации, отсутствуют интеллектуальные аналитические возможности, и оно ограничено фиксированным углом обзора одиночных камер и ограниченной сетевой пропускной способностью, что затрудняет его массовое развертывание.

2. Общая структура роботизированной системы

Эта система использует двухуровневую архитектуру "Базовая станция-Мобильный агент" для достижения координированного удаленного мониторинга и проведения осмотров на месте.

2.1 Система базовой станции

Система базовой станции развернута в удаленном центре мониторинга и служит в качестве ядра взаимодействия человека и машины, а также командного центра всей системы.

2.2 Система мобильного агента (корпус робота)

Мобильный агент - это интеллектуальный терминал, выполняющий задачи осмотра на месте, обладающий высокой степенью автономии и адаптивности к окружающей среде.

• Дизайн мобильного шасси: Используется четырехколесная дифференциальная приводная структура. Два передних колеса являются независимыми ведущими колесами, каждое из которых приводится в движение отдельным двигателем, что обеспечивает гибкое дифференциальное рулевое управление; два задних колеса - роликовые. Эта структура имеет преимущества, такие как хорошая устойчивость при движении по прямой, малый радиус поворота (может вращаться вокруг центральной точки передних колес), высокая приспособляемость к дорогам, отсутствие скольжения и простая, надежная конструкция.
• Подсистема управления движением: Аппаратное ядро - материнская плата PC104, оснащенная картой управления движением PCL-839 и драйверами двигателей. Эта подсистема отвечает за все движения робота. Принимая команды от верхнего уровня планировщика и интегрируя модель динамики автомобиля, она точно раскладывает скоростные команды на каждый двигатель, обеспечивая плавное и точное управление движением.
• Подсистема выполнения задач: Служит "чувствами" и "руками" робота. Основные функции включают:
• Сбор данных: Интегрирует видимый свет CCD-камеры, инфракрасный тепловизор и высокопроизводительный направленный микрофон (MEMS) для сбора изображений (видимого и инфракрасного) и звуковых данных от энергетического оборудования.
• Автоматическая зарядка: Способна автоматически возвращаться на зарядную станцию для зарядки, обеспечивая непрерывную работу 7x24 часа.

3. Основные технологии и функциональная реализация

3.1 Технология интеллектуального реального времени планирования пути

• Глобальное планирование пути: На основе предварительно установленной электронной карты подстанции, рассчитывает оптимальную последовательность остановок оборудования для выполнения задачи осмотра и возможные пути согласно стратегиям, таким как "кратчайший путь", "минимальное количество поворотов" или "комплексная оптимизация".
• Локальное планирование пути:
• Обход препятствий: Использует алгоритм VFF (гистограмма виртуального силового поля), объединенный с данными датчиков, такими как LiDAR, для генерации команд реального времени по обходу, обеспечивая безопасное перемещение в динамических условиях.
• Следование по линии: Использует классический алгоритм PID-регулирования для точного следования предопределенным маршрутам.
• Адаптация к окружающей среде: Применяет алгоритм EM и алгоритмы кластеризации для обработки данных датчиков, эффективно подгоняет границы дорог и преодолевает отклонения в позиционировании.

3.2 Многомодальная система обнаружения и диагностики оборудования

1. Удаленная инфракрасная система мониторинга и диагностики
• Конфигурация: Онлайн-инфракрасный тепловизор, включающий модули сбора, обработки, отображения, хранения и генерации отчетов изображений.
• Функции: Автоматически обнаруживает температуру поверхности оборудования, сравнивает ее с предустановленными порогами и немедленно активирует звуковые/визуальные сигналы тревоги при обнаружении аномалий; может генерировать градиентные карты температуры оборудования, кривые температуры-времени и т.д., для помощи в анализе неисправностей; использует технологию сжатия изображений для поддержки одновременного мониторинга реального времени инфракрасных потоков из нескольких подстанций в центре диспетчеризации.
2. Удаленная система мониторинга и диагностики изображений
• Конфигурация: Видимый свет CCD-камера и видеосервер.
• Функции: Система базовой станции проводит интеллектуальный анализ (например, анализ разностных изображений, корреляционный анализ) возвращаемых видимых изображений для автоматического определения внешнего вида оборудования и показаний приборов. Обычно автоматически переключается между точками мониторинга; сохраняет изображения и активирует сигналы тревоги только при обнаружении аномалий, значительно повышая использование каналов и эффективность мониторинга.
3. Удаленная система мониторинга и диагностики звуков
• Конфигурация: Высокопроизводительный направленный микрофон MEMS.
• Функции: Собирает рабочий шум оборудования в реальном времени, сжимает его и передает обратно. Система интеллектуально оценивает состояние работы и типы аномалий (например, ослабление, разряд) оборудования, таких как трансформаторы, сравнивая текущий шум с историческими нормальными данными, и предоставляет интерактивный интерфейс для технического персонала для запроса и анализа.
4. Система обнаружения и сигнализации о вторжении движущихся объектов
• Принцип: На основе алгоритмов обнаружения движущихся целей в видеопотоке, автоматически идентифицирует и извлекает области в видео, содержащие объекты, движущиеся относительно фона.
• Функции: При обнаружении аномального движущегося объекта, такого как незаконное вторжение, система немедленно активирует сигнал тревоги и сохраняет изображения на месте, предоставляя доказательства для безопасности, обеспечивая истинный безлюдный мониторинг безопасности.

4. Полевые операции и результаты применения

Основная ценность применения: Эта роботизированная система инновационно интегрирует "бесконтактное мобильное обнаружение" с существующим "контактным фиксированным мониторингом" на подстанциях, формируя комплексную систему мониторинга, которая охватывает как пространство, так и состояние, эффективно компенсируя недостатки традиционных моделей осмотра.

Результаты эксплуатации:

• Значительное повышение безопасности и надежности: Способна своевременно обнаруживать потенциальные неисправности, такие как тепловые дефекты, поверхностные посторонние предметы, утечки масла и аномалии звуков, устраняя аварии на ранней стадии.
• Улучшение эффективности эксплуатации и обслуживания: Заменяет рутинные и утомительные ручные осмотры, предоставляя диспетчерам реальное время и точную обратную связь о состоянии на месте, предоставляя важные данные для принятия решений в чрезвычайных ситуациях, значительно сокращая время устранения неисправностей.
• Снижение эксплуатационных затрат: Служит ключевым технологическим оборудованием для реализации модели "без персонала" подстанции, помогая энергетическим компаниям оптимизировать распределение человеческих ресурсов и снижать долгосрочные эксплуатационные затраты.