220kV变电站电缆隧道智能巡检机器人研究与应用.pdf

电力系统72丨电力系统装备 2023.6Electric System2 0 2 3 年第6 期2023 No.6电力系统装备Electric Power System Equipment近年来，随着我国对电力供应的需求不断提升，电缆隧道得到了广泛的应用，而人工巡检是电缆隧道点检的一种普遍方式。但是由于电缆隧道内环境复杂，人工巡检主要依靠感官和使用简单仪器进行判断，容易忽略产生的异常情况，从而不能及时有效地发现隐患并做出反应。为了提升电缆隧道的管理水平，提高电力电缆隧道的巡检频次，减少工作人员的劳动强度，降低电缆隧道设备的事故率，电缆隧道智能巡检机器人应运而生。智能巡检机器人替代人工巡检不但提高了电缆运行管理的智能化水平，而且有效地缓解了隧道巡检人员压力，减少点检过程中可能发生的人身安全隐患，便于定制化管理，为电缆隧道设备设施安全运行提供有利保障1。1 智能巡检机器人在220 kV变电站的应用现状电缆隧道智能巡检机器人系统的核心是巡检机器人。智能巡检机器人需要同时具备智能设备巡检、远红外成像、环境监测、大数据智能分析等功能，可实现对摘 要随着科学技术的迅猛发展，越来越多的高新技术运用到了智能变电站的建设上，为了保证电缆隧道内设备设施的安全稳定运行，隧道智能巡检机器人得到了广泛的应用。文章简要介绍了电缆隧道智能巡检机器人在220 kV 智能变电站的应用现状，对智能巡检机器人的关键技术和巡检要点进行了阐述，对提高隧道巡检工作效率、降低人工成本具有借鉴指导作用。关键词智能巡检机器人；220 kV 变电站；关键技术和巡检要点；隧道巡检；降低人工成本中图分类号TM75；TP242 文献标志码A 文章编号1001523X（2023）06007203Research and Application of 220 kV Substation Cable Tunnel Intelligent Inspection RobotGOU JuntaoAbstractWith the vigorous development of science and technology and intelligent substation,in order to ensure the safe and stable operation of equipment and facilities in cable tunnel,intelligent tunnel inspection robot has been widely used.This paper briefly introduces the application status of intelligent inspection robot for cable tunnel in 220 kV substation.The key technologies and inspection points of the intelligent inspection robot are expounded.It can improve the efficiency of tunnel inspection and reduce labor cost.Keywordsintelligent inspection robot;220 kV substation;key technologies and inspection points;tunnel inspection;reduce labor cost220kV变电站电缆隧道智能巡检机器人研究与应用苟俊涛（张宣高科科技有限公司，河北宣化075100）不同的。溧阳抽水蓄能电站在满足行业相关技术规范要求、保证现场设备安全稳定的前提下，根据自身实际情况，通过对系统架构设计完善、逻辑优化开发、策略配置调整，兼顾各系统的独立性、可靠性、易用性。随着抽水蓄能电站自动化程度的不断提高，AVC 继 AGC 之后将成为一种必不可少的自动化控制手段，让抽水蓄能电站充分发挥其“稳定器、调节器、平衡器”的作用。参考文献1 黄杨梁，邵霞.自动电压控制在抽水蓄能电站应用研究 J.水电与抽水能，2016，2（2）：78-82.2 叶华.桐柏抽水蓄能电站自动电压控制 AVC 研究与应用J.水电站机电技术，2012，35（4）：4-5，119.电力系统2023.6 电力系统装备丨73Electric System2 0 2 3 年第6 期2023 No.6电力系统装备Electric Power System Equipment电缆隧道巡检区域设备设施实时状态全程监控，整合收集数据信息分析与管理2。在隧道巡检过程中克服遇到的困难，完成烦琐及危险的工作是智能机器人的主要作用。智能巡检机器人可适应隧道内环境的复杂程度，实现了隧道环境的智能化、无人化巡检。智能巡检机器人采用多个控制模块，具有独立的伺服控制系统和信息采集系统，对隧道内的电缆等设备实现了红外测温、定位、防碰撞、移动视频巡检、周边环境监测等，成功化解了变电站运维人员的巡检压力。电缆隧道巡检机器人系统还安装了履带行走的硬软件系统，实现了电缆隧道巡检各项任务需求，有助于变电站的智能化建设。智能巡检机器人基本构成如图1所示。后台控制模块电机驱动模块导航定位模块自检维护模块图像采集模块声音采集模块信息采集系统巡检机器人无线通讯设备控制主机以太网伺服控制系统图1 智能巡检机器人基本构成220 kV 智能变电站采用电缆隧道智能巡检机器人的主要目的是隧道内周围环境狭窄，灯光照度不足、活动范围小以及隧道点检过程中路面积水或存在其他障碍物，人员在点检过程中由于注意力集中在两侧的运行设备上，这就可能给人员的安全造成一定的隐患。而智能巡检机器人就能够克服这一困难。它代替人工进行隧道点检，可自主完成隧道内电缆检损、异常温升、气体监测、漏水检测、侵入识别、联动报警等任务3。2 电缆隧道智能巡检机器人关键技术2.1 智能巡检机器人主要功能220 kV 智能变电站采用的电缆隧道智能巡检机器人，通过搭载高清视频监控、精准导航定位、红外热成像仪、烟雾/温湿度/气体检测仪等多组先进监测仪器，对220 kV 变电站电缆隧道内设备设施进行巡检、拍摄、检测、隐患诊断、预警报警、噪声及环境监测等4。其中，智能巡检、导航定位、红外测温、图像识别是其主要功能。表1为隧道智能巡检机器人设备参数。2.1.1 智能自主巡检智能巡检机器人系统投入使用后，一旦发生维修改造、严重缺陷、过负荷或负载异常及恶劣天气等特殊情况，可以根据现场的实际情况，针对性地选取合理的巡检方式，如全面巡检、特殊巡检、风险防范巡检等，进一步提高了巡检工作的安全性。2.1.2 导航定位电缆隧道智能巡检机器人采用导航定位。其原理是应用定位技术判断智能巡检机器人在电缆隧道内的位置及行进轨迹，也是电缆隧道巡检机器人先进化、智能化的重要体现。通常国内比较先进的定位技术主要包括GPS、北斗卫星定位、射频识别定位、基站定位等5，通过获取隧道智能巡检机器人周围复杂环境的信息，并反馈回监控中心，进行数据分析判断、下达控制指令，利用不同的传感器完成自主导航定位，从而实现智能巡检任务。隧道智能巡检机器人能够在复杂的隧道环境中成功规划出最佳行程路线，并借助自身的导航定位系统完成各种障碍的跨越或躲避，如弯道、水坑等。2.1.3 红外测温电缆隧道智能巡检机器人还配备了由红外图像采集装置、红外图像处理模块和图像显示、存储、查询、报表生成模块组成的在线式红外热成像仪（IR）。通过巡检机器人可多维度对电缆设备本体和接头进行集成温度扫描，采集该点位的红外热图及温度数据。该诊断系统可根据预先设定的设备温度阈值，自行分析并判断是否超出阈值，一旦超出报警值时，会在监控后台发出告警并形成报文。红外摄像头还具备自动对焦功能，热成像仪分辨率为640512，测温范围-20+550。红外线图像为伪彩显示，能显示最高温度位置和采集图像中的温度值。同时具备热图资料6，能够对电流制热型与电压制热型缺陷或故障进行自动分析判断，并提出预警。2.1.4 图像识别智能巡检机器人搭载了超高清摄像头，可实现对电缆隧道内的运行全程的设备图像的拍摄。通过可见光摄像头、红外热像仪等光电传感器对隧道电缆、电缆桥架等监控标识物进行视频/图像拍摄，形成对标识物的监控显示，将图像照片的视觉通过反馈数据信息到监控后表1 隧道智能巡检机器人设备参数序号名称参数描述1控制方式自主/手动巡检2可见光摄像机采集可见光图像，图像分辨率 19201080；可见光变焦倍数 30 倍3防撞雷达机器人前后方是否有障碍物4红外成像量程-20550 ；伪彩5环境检测模块具有检测巡检区内有害气体的环境检测装置，如 H2S、CO、CO26行走机构控制机器人的行走机构7升降机构具有云台机械结构8检测机构单筒型，携带检测设备，支持垂直 90旋转9续航能力持续运行 8 h;充电时间 8 h10交互触摸屏机器人交互控制终端，支持基本控制交互及常规检测结果、报警信息等实时展示电力系统74丨电力系统装备 2023.6Electric System2 0 2 3 年第6 期2023 No.6电力系统装备Electric Power System Equipment台进行分析，有效判断电缆垂挂异常情况、电缆破损、电缆发热等异常情况，并发出系统警示。2.2 电缆隧道智能巡检机器人的巡检要点2.2.1 机器人巡检路径规划220 kV 变电站电缆隧道智能巡检机器人通过图像分析和情景模式识别进而判别电缆的运行状态。隧道智能巡检机器人通过采用边缘检测提取边缘轮廓，结合Hough 识别算法判断电缆状态，对采集隧道电缆图片进行灰度化、二值化、均值滤波等预处理。具体流程见图2。以张宣高科科技有限公司220 kV 智能变电站电缆隧道智能巡检系统机器人为例，其采用的是挂轨式机器人。机器人的安装和固定是通过巡检机器人专用的轨道支架实现的。二值化灰度处理原始图像均值滤波处理Hough直线检测边缘检测图2 机器人巡检路径规划2.2.2 智能巡检机器人在隧道内的巡检内容隧道智能巡检机器人根据现场实际情况，设定巡检路线以及关注的重点部位，按照既定的巡检内容进行数据信息的采集，收集的数据会反馈到监控后台进行智能分析处理。运用可见光图像识别技术自行判断设备运行的实时状况，一旦发现问题能够做出反应并及时处理。隧道内的巡检内容主要包括电缆状态识别、电缆桥架状态识别、电缆接头温度识别和环境监测。（1）电缆状态识别。巡检机器人可以巡检设置好的隧道电缆，实时监控所分布的点，通过巡检的方式实现对隧道电缆的巡检。系统通过可见光图像识别技术，当损伤面积大于50 mm50 mm 或电缆线路存在明显弯折异常缺陷时，就会发出警报，提醒并通知巡视人员及时采取有效措施，消除隧道电缆存在的明显破损部位。（2）电缆桥架状态识别。由于隧道环境复杂，部分电缆桥架受到复杂环境影响，可能发生不同程度的损坏或变形，因此，对电缆桥架的状态识别是非常必要的。智能巡检机器人通过可见光图像识别相机，结合 Hough识别算法，进而判断电缆桥架是否出现明显的结构异常、移位、垂悬状况，一旦发现异常状况，立即发出告警。（3）电缆接头温度识别。电缆隧道智能巡检机器人还可以对电缆接头处的温度进行识别，借助可见光图像识别功能，对设定的电缆头处产生异常温升的部位进行检测识别，将采集的实时温升数据与阈值进行分析比对，超出限定值时会发出告警。3 智能巡检机器人的优势智能巡检机器人在使用过程中较人工巡检方式的优势在于，其实现了全天候在线巡检、提高了点检效率，降低了运维成本，同时消除了人员点检过程中可能发生的安全隐患。3.1 提高巡检效率及准确性，降低运维成本智能巡检机器人可以对隧道内电缆进行24h 不间断巡逻，对提前设定的电缆中间头位置实时收集设备及环境数据，并将信号反馈回后台控制中心，读取主要设备的异常情况并自动报警，大幅提升了巡检的可靠性和规范性。后台设定每台机器人指定巡检特定的场景，不但提高巡检的效率而且降低了人工巡检的频次和所需人员数量，有效降低运维成本。3.2 提升巡检运维人员的安全指数，消除安全隐患智能巡检机器人系统的建设，用机械设备代替了人工巡检，克服了因隧道有限空间的复杂环境给人工巡检过程中带来的威胁，通过机械设备使巡检只需使用少量的人工进行周期性的巡视，有效降低了人工巡检的劳动强度，避免高危环境。4 结束语220 kV 变电站电缆隧道内采用智能机器人巡检，实现了隧道内设备监测的智能化、自动化。巡检机器人对隧道内电缆等关键设备的全天候检测、监控，有效地降低了巡检人员的安全风险，提高了点检效率，保障了电缆隧道设备的正常运行，实现了220 kV 变电站安全可靠供电。参考文献1 赵群辉，张发刚，胡斌，等.电力电缆隧道综合监控系统的设计与实现 J.电工技术，2019（16）：61-63.2 孙晓诚.配备无线定点传感器的吊轨式电缆隧道智能巡视机器人的研发与应用 D.济南：山东大学，2020.3 王晓，许慧华.钢铁企业电缆隧道智能巡检机器人的设计及应用 J.冶金管理，2021（9）：55-56.4 杜益刚.电缆隧道巡检机器人的研制 D.呼和浩特：内蒙古工业大学，2014.5 杨森，董吉文，鲁守银.变电站设备巡检机器人视觉导航方法 J.电网技术，2009（5）：6.6 唐圣华，孙琨，张勇涛，等.智能巡检机器人系统在首钢股份变电站的应用 J.冶金动力，2020（8）：70-73.