Tự động hóa công tác kiểm tra trạm biến áp: Làm thế nào Robotics tăng cường độ tin cậy và giảm chi phí

1. Bối cảnh Dự án và Tính cần thiết của Nghiên cứu và Phát triển

Với sự tiến bộ về công nghệ và việc cải cách sâu rộng hệ thống điện, mức độ tự động hóa của hệ thống điện đã được cải thiện đáng kể. Các trạm biến áp đang chuyển đổi sang mô hình hoạt động "không người trực" hoặc "ít người trực". Hiện nay, các trạm biến áp chủ yếu dựa vào chức năng "Bốn từ xa" (Từ xa đo, Từ xa tín hiệu, Từ xa điều khiển, Từ xa điều chỉnh) và hệ thống SCADA để giám sát các tín hiệu điện của thiết bị. Tuy nhiên, cách tiếp cận truyền thống này không thể đạt được nhận thức và nhận biết thời gian thực về tình trạng vật lý tại chỗ của thiết bị (như ngoại hình, nhiệt độ, tiếng ồn bất thường, v.v.).

Mô hình vận hành và bảo trì hiện tại có những hạn chế rõ ràng: khi xảy ra sự cố tại trạm biến áp, các điều phối viên phải thông báo cho đội vận hành trạm biến áp ở xa đến hiện trường, sau đó tổ chức sửa chữa. Quá trình này làm chậm đáng kể thời gian khắc phục sự cố, ảnh hưởng đến độ tin cậy cung cấp điện và chất lượng dịch vụ. Ngoài ra, giám sát video từ xa truyền thống chỉ thực hiện truyền số hóa âm thanh và video, thiếu khả năng phân tích thông minh và bị giới hạn bởi góc nhìn cố định của camera đơn và băng thông mạng hạn chế, khiến việc triển khai quy mô lớn gặp khó khăn.

2. Cấu trúc Tổng thể của Hệ thống Robot

Hệ thống này sử dụng kiến trúc hai tầng "Trạm cơ sở - Đại diện di động" để đạt được giám sát từ xa và hoạt động kiểm tra tại chỗ một cách phối hợp.

2.1 Hệ thống Trạm cơ sở

Hệ thống trạm cơ sở được triển khai tại trung tâm giám sát từ xa và đóng vai trò là lõi tương tác người-máy và chỉ huy của toàn bộ hệ thống.

2.2 Hệ thống Đại diện di động (Thân robot)

Đại diện di động là thiết bị đầu cuối thông minh thực hiện các nhiệm vụ kiểm tra tại chỗ, có mức độ tự chủ cao và khả năng thích ứng với môi trường.

• Thiết kế Khung di chuyển: Sử dụng cấu trúc dẫn động chênh lệch bốn bánh. Hai bánh trước là bánh dẫn động độc lập, mỗi bánh được cấp nguồn bởi một động cơ riêng, cho phép lái chênh lệch linh hoạt; hai bánh sau là bánh đúc. Cấu trúc này mang lại những ưu điểm như ổn định trong chuyển động thẳng, bán kính quay nhỏ (có thể quay xung quanh điểm giữa của bánh trước), khả năng thích ứng với đường tốt, không trượt ngang, và cấu trúc đơn giản, đáng tin cậy.
• Hệ thống Kiểm soát chuyển động: Lõi phần cứng là bo mạch chính PC104, được trang bị thẻ điều khiển chuyển động PCL-839 và bộ điều khiển động cơ. Hệ thống phụ này chịu trách nhiệm cho tất cả các hành vi chuyển động của robot. Bằng cách nhận lệnh từ bộ lập kế hoạch cấp trên và tích hợp mô hình động học của xe, nó phân giải chính xác các lệnh tốc độ thành từng động cơ dẫn động, đạt được kiểm soát chuyển động mượt mà và chính xác.
• Hệ thống Thực hiện nhiệm vụ: Đóng vai trò là "cảm giác" và "tay" của robot. Các chức năng chính bao gồm:
• Thu thập dữ liệu: Tích hợp camera CCD ánh sáng nhìn thấy, máy ảnh nhiệt hồng ngoại, và micro định hướng hiệu suất cao (MEMS) để thu thập dữ liệu hình ảnh (ánh sáng nhìn thấy và hồng ngoại) và âm thanh từ thiết bị điện.
• Sạc tự động: Có khả năng tự động trở về bến sạc để sạc, đảm bảo hoạt động không gián đoạn 7x24 giờ.

3. Công nghệ và Triển khai chức năng cốt lõi

3.1 Công nghệ lập kế hoạch đường đi thông minh thời gian thực

• Lập kế hoạch đường đi toàn cầu: Dựa trên bản đồ điện tử trạm biến áp được cài đặt sẵn, tính toán thứ tự tối ưu của các điểm dừng thiết bị để thăm trong nhiệm vụ kiểm tra và các đường đi khả thi theo chiến lược như "đường ngắn nhất", "số lượt rẽ ít nhất" hoặc "tối ưu tổng thể."
• Lập kế hoạch đường đi cục bộ:
• Tránh chướng ngại vật: Sử dụng thuật toán VFF (Histogram Trường lực ảo), kết hợp với dữ liệu cảm biến như LiDAR, để tạo lệnh tránh chướng ngại vật theo thời gian thực, đảm bảo điều hướng an toàn trong môi trường động.
• Theo dõi đường: Sử dụng thuật toán điều khiển PID kinh điển để đảm bảo robot theo đúng tuyến đường đã định.
• Thích ứng với môi trường: Áp dụng thuật toán EM và thuật toán nhóm để xử lý dữ liệu cảm biến, hiệu quả phù hợp với ranh giới đường và vượt qua sai lệch định vị.

3.2 Hệ thống phát hiện và chẩn đoán thiết bị đa chế độ

1. Hệ thống giám sát và chẩn đoán hồng ngoại từ xa
• Cấu hình: Máy ảnh nhiệt hồng ngoại trực tuyến, bao gồm các mô-đun thu thập, xử lý, hiển thị, lưu trữ và tạo báo cáo.
• Chức năng: Tự động phát hiện nhiệt độ bề mặt thiết bị, so sánh với ngưỡng đã đặt, và kích hoạt báo động âm thanh/hình ảnh ngay lập tức khi phát hiện bất thường; có thể tạo bản đồ nhiệt độ gradient, đường cong nhiệt độ-thời gian, v.v., để hỗ trợ phân tích lỗi; sử dụng công nghệ nén hình ảnh để hỗ trợ giám sát đồng thời các luồng hồng ngoại thời gian thực từ nhiều trạm biến áp tại trung tâm điều phối.
2. Hệ thống giám sát và chẩn đoán hình ảnh từ xa
• Cấu hình: Camera CCD ánh sáng nhìn thấy và máy chủ video.
• Chức năng: Hệ thống trạm cơ sở thực hiện phân tích thông minh (ví dụ: phân tích hình ảnh khác biệt, phân tích tương quan) trên hình ảnh ánh sáng nhìn thấy được trả về để tự động xác định tình trạng ngoại hình của thiết bị điện và đọc giá trị đồng hồ. Thông thường, nó tự động chuyển điểm giám sát; chỉ lưu trữ hình ảnh và kích hoạt báo động khi phát hiện bất thường, cải thiện đáng kể hiệu quả sử dụng kênh và giám sát.
3. Hệ thống giám sát và chẩn đoán âm thanh từ xa
• Cấu hình: Micro định hướng hiệu suất cao MEMS.
• Chức năng: Thu thập tiếng ồn hoạt động của thiết bị theo thời gian thực, nén và truyền ngược lại. Hệ thống đánh giá thông minh tình trạng hoạt động và loại bất thường (ví dụ: lỏng lẻo, phóng điện) của thiết bị như biến thế bằng cách so sánh tiếng ồn thời gian thực với dữ liệu bình thường lịch sử, và cung cấp giao diện tương tác cho nhân viên bảo trì để truy vấn và phân tích.
4. Hệ thống phát hiện và báo động xâm nhập đối tượng di chuyển
• Nguyên lý: Dựa trên thuật toán phát hiện mục tiêu di chuyển trong luồng video, tự động nhận dạng và trích xuất các khu vực trong video chứa các mục tiêu di chuyển so với nền.
• Chức năng: Khi phát hiện mục tiêu di chuyển bất thường, như xâm nhập trái phép, hệ thống ngay lập tức kích hoạt báo động và lưu trữ hình ảnh tại hiện trường, cung cấp bằng chứng cho việc truy vết an ninh, cho phép giám sát an ninh không người trực thực sự.

4. Kết quả Vận hành và Ứng dụng Thực tế

Giá trị Ứng dụng Cốt lõi: Hệ thống robot này sáng tạo tích hợp "kiểm tra di động không tiếp xúc" với "giám sát cố định tiếp xúc" hiện có trong trạm biến áp, tạo thành hệ thống giám sát toàn diện bao gồm cả không gian và trạng thái, hiệu quả bù đắp cho những hạn chế của mô hình kiểm tra truyền thống.

Kết quả Vận hành:

• An toàn và Độ tin cậy được nâng cao đáng kể: Có khả năng phát hiện kịp thời các lỗi tiềm ẩn như khuyết tật nhiệt, vật lạ trên bề mặt, rò rỉ dầu và tiếng ồn bất thường của thiết bị, ngăn chặn tai nạn ngay từ giai đoạn ban đầu.
• Nâng cao Hiệu quả Vận hành và Bảo trì: Thay thế các cuộc kiểm tra thủ công lặp đi lặp lại và nhàm chán, và cung cấp phản hồi thời gian thực và chính xác về tình trạng hiện trường cho các điều phối viên, cung cấp dữ liệu hỗ trợ quan trọng cho quyết định khẩn cấp, giảm đáng kể thời gian xử lý sự cố.
• Giảm Chi phí Vận hành: Là thiết bị công nghệ chính để thực hiện mô hình "không người trực" trạm biến áp, giúp các công ty điện tối ưu hóa việc phân bổ nguồn nhân lực và giảm chi phí vận hành lâu dài.