Автоматизація перевірки підстанцій: як робототехніка підвищує надійність та зменшує витрати

1. Проектний тло і необхідність НДР

З появою технологічних досягнень та глибоких реформ електроенергетичної системи, рівень автоматизації електроенергетичних систем значно підвищився. Підстанції переходять до моделей роботи "без персоналу" або "з мінімальним числом персоналу". На даний момент підстанції в основному залежать від функцій "Чотирьох телеметрій" (Телеметрія, Телесигналізація, Телеуправління, Телерегулювання) та систем SCADA для моніторингу електричних сигналів обладнання. Однак, цей традиційний підхід не може забезпечити реального часу сприйняття та усвідомлення фізичного стану обладнання на місці (такого як зовнішній вигляд, температура, неправильні звуки тощо).

Поточна модель операційного та технічного обслуговування має очевидні недоліки: коли на підстанції виникає неправильне функціонування, диспетчери повинні спочатку повідомити віддалені команди обслуговування підстанцій, щоб вони приїхали на місце, а потім організувати ремонти. Цей процес значно затримує час усунення дефектів, що впливає на надійність постачання електроенергії та якість послуг. Крім того, традиційне відеоспостереження лише реалізує цифрову передачу аудіо та відео, бракує йому інтелектуальних аналітичних можливостей, і воно обмежене фіксованим кутом огляду одиночних камер та обмеженою мережевою шириною пропускання, що робить важким масштабне розгортання.

2. Загальна структура роботизованої системи

Ця система використовує двошарову архітектуру "Базова станція-Мобільний агент" для досягнення координованого віддаленого моніторингу та на місці інспекційних операцій.

2.1 Система базової станції

Система базової станції розташована в віддаленому центрі моніторингу та служить як людино-машинний інтерфейс та командний центр всієї системи.

2.2 Система мобільного агента (корпус робота)

Мобільний агент - це інтелектуальний термінал, що виконує задачі на місці, має високий рівень автономності та адаптивності до середовища.

• Дизайн мобільного шасі: Використовується чотирьохколісна диференційна схема приводу. Два передніх колеса - це незалежні приводні колеса, кожне з окремим двигуном, що дозволяє гнучке диференційне керування; два задніх колеса - це колеса-кастери. Ця конструкція має переваги, такі як добре стабільність прямої руху, мала радіус повороту (може обертатися навколо центру передніх колес), сильна адаптивність до дорог, відсутність заносу, проста та надійна конструкція.
• Підсистема керування рухом: Апаратне ядро - це плата PC104, оснащена платою PCL-839 для керування рухом та драйверами двигунів. Ця підсистема відповідає за всі рухові поведінки робота. Отримуючи команди від верхнього планувальника та інтегруючи модель динаміки автомобіля, вона точно розкладає команди швидкості на кожен привідний двигун, забезпечуючи плавне та точне керування рухом.
• Підсистема виконання завдань: Виступає як "чуттєві" та "руки" робота. Основні функції включають:
• Збор даних: Інтегрує CCD-камеру видимого світла, інфрачервоний тепловізор та високопродуктивний направленний мікрофон (MEMS) для збору даних зображення (видимого та інфрачервоного) та звуку енергетичного обладнання.
• Автоматичне зарядження: Має можливість автоматичного повернення до заряджального доку для заряджання, забезпечуючи неперервну роботу 7x24 години.

3. Основні технології та реалізація функцій

3.1 Інтелектуальна технологія реального часу планування шляху

• Глобальне планування шляху: На основі передзавантаженої електронної карти підстанції, розраховує оптимальну послідовність точок зупинки обладнання для відвідування під час інспекційного завдання та можливі шляхи згідно зі стратегіями, такими як "найкоротший шлях", "найменша кількість поворотів" або "комплексний оптимум".
• Локальне планування шляху:
• Уникнення перешкод: Використовує алгоритм VFF (Віртуальне поле сили), поєднаний з даними датчиків, такими як LiDAR, для генерації реального часу команд уникнення, забезпечуючи безпечне навігацію в динамічних середовищах.
• Слідкування за лінією: Використовує класичний алгоритм PID для забезпечення точного слідкування робота за попередньо визначеними маршрутами.
• Адаптація до середовища: Використовує алгоритм EM та кластеризації для обробки даних датчиків, ефективно відтворюючи границі доріг та подолання відхилення визначення положення.

3.2 Багатомодальна система виявлення та діагностики обладнання

1. Віддалена інфрачервона система моніторингу та діагностики
• Конфігурація: Онлайн інфрачервоний тепловізор, включає модулі збору, обробки, відображення, зберігання та генерації звітів зображень.
• Функції: Автоматично виявляє поверхневу температуру обладнання, порівнює її з попередньо встановленими порогами, і негайно активує звукові/візуальні сигнали тривоги при виявленні аномалій; може генерувати градієнтні карти температури обладнання, графіки температури-часу тощо, для допомоги в аналізі дефектів; використовує технології компресії зображень для підтримки одночасного моніторингу реального часу інфрачервоних потоків з багатьох підстанцій у центрі диспетчерського керування.
2. Віддалена система відеомоніторингу та діагностики
• Конфігурація: Камера CCD видимого світла та відеосервер.
• Функції: Система базової станції виконує інтелектуальний аналіз (наприклад, аналіз різниці зображень, кореляційний аналіз) повернутих зображень видимого світла для автоматичного визначення зовнішнього вигляду енергетичного обладнання та показників приладів. У нормальних умовах вона автоматично перемикає точки моніторингу; зберігає зображення та активує сигнали тривоги лише при виявленні аномалій, значно покращуючи використання каналів та ефективність моніторингу.
3. Віддалена система аудіомоніторингу та діагностики
• Конфігурація: Високопродуктивний направленний МЕМС-мікрофон.
• Функції: Збирає робочий шум обладнання в реальному часі, компресує його та передає назад. Система інтелектуально оцінює робочий стан та типи аномалій (наприклад, зовнішнє відкривання, розряд) обладнання, таких як трансформатори, порівнюючи реальний шум з історичними нормальними даними, та надає інтерактивний інтерфейс для обслуговуючого персоналу для запиту та аналізу.
4. Система виявлення та сигналізації про вторгнення рухомих об'єктів
• Принцип: На основі алгоритмів виявлення рухомих цілей в потоках відео, автоматично виявляє та витягує області відео, що містять об'єкти, що рухаються відносно фону.
• Функції: Коли виявлений аномальний рухомий ціль, наприклад, незаконне вторгнення, система негайно активує сигнал тривоги та зберігає зображення на місці, надаючи докази для безпеки, що дозволяє справжнє безлюдне безпекове спостереження.

4. Полеві операції та результати застосування

Основна цінність застосування: Ця роботизована система інноваційно інтегрує "безконтактне мобільне виявлення" з існуючим "контактним фіксованим моніторингом" на підстанціях, формуючи комплексну систему моніторингу, що охоплює як простір, так і стан, ефективно компенсуючи недоліки традиційних моделей інспекції.

Результати операцій:

• Значно підвищена безпека та надійність: Має здатність своєчасного виявлення потенційних дефектів, таких як теплові дефекти, поверхневі сторонні предмети, витічки олії та звуки аномалій обладнання, що усуває аварії на ранніх стадіях.
• Покращена ефективність операційного та технічного обслуговування: Замінює ручні повторювані та нудні рутинні інспекції, та надає диспетчерам реальний час та точні зворотні зв'язки щодо умов на місці, надаючи ключові дані для прийняття рішень у надзвичайних ситуаціях, значно скорочуючи час обробки дефектів.
• Зниження операційних витрат: Слугує ключовим технологічним обладнанням для реалізації моделі "безперсональної" підстанції, допомагаючи енергетичним компаніям оптимізувати розподіл людських ресурсів та знизити довгострокові операційні витрати.