发电厂升压站智能巡检机器人安全监测研究

秦 源

（国电投河南工程运维有限公司，河南郑州 450000）

随着科技的不断发展，机器人技术在各个领域得到了广泛应用。在能源行业中，发电厂升压站是一个至关重要环节，其负责将发电厂产生的电能升压并送往输电网。然而，由于升压站通常位于偏远或危险的地区，人工巡检存在一定的困难和风险。为解决这个问题，研究人员开始探索利用智能巡检机器人进行安全监测的可能性，发电厂升压站智能巡检机器人的研究应运而生，智能巡检机器人可通过搭载各种传感器和摄像头，实时监测升压站的工作状态和安全状况。它们可自主巡检，并能够在检测到异常情况时立即发出警报。智能巡检机器人的研究不仅可提高升压站的安全性和稳定性，还可提高巡检效率和减少人力物力的投入，并且机器人的通信和数据传输系统也需具备高度的安全性和可靠性，以保证巡检数据的准确性和机密性。

1 智能巡检机器人系统硬件设计

1.1 发电厂升压站智能巡检机器人系统构成

利用红外热成像技术对火力发电厂的电气设备进行实时监控，以达到及时诊断和处理故障的目的。该系统的架构分为客户端和服务端，如图1所示。客户端装置安装在后台监视主机上，用于获取被监视设备的信息和图像，并在监视屏幕上进行实时显示。后台工作人员会根据屏幕上显示的信息，给机器人发出相应的巡检命令，由机器人执行巡检任务。服务端安装在机器人上，通过控制单元控制机器人的移动、巡检及对障碍物的清理。

图1 发电厂升压站巡检机器人系统构成

1.2 检测模块选择

在进行电气设备巡视时，机器人搭载了多种传感器，如红外热像仪、可见光照相机、红外广域传感器和超声波探测器，以采集电气设备的多源数据并进行辨识和分析，了解电厂升压站电气设备的工作状况。在检测模块选择中，选择了FLIRA310型红外温度计和DS-2CD1201D-I3型可视化照相机，以实现对变压器的监测和故障识别。这种方法可避免与电力设备直接接触，提高巡视工作的安全性，并避免停电带来的不便。

1.3 控制模块设计

控制模块采用了STM32中央处理器作为系统核心，其拥有充足的存储器和逻辑资源，具备良好的扩展性。在中央控制器的控制下，驱动模块根据PWM波的宽度来控制车辆的行驶速度。机器人配备的电厂升压站智能巡视机器人有4个关节，每个关节都配备了微型操纵器，这些操纵器的驱动采用了MWN 波形。舵机的供电电压范围在3～7V，其扭矩和角度范围为0°～90°。因为两个系统间的通讯接口不同，为实现电厂升压站巡视机器人和中央控制系统的串行通讯，需要切换通讯接口，该设备通过无线装置向中央控制器发送控制命令，并通过转发模块对云台进行控制。发电厂升压站智能巡检机器人控制单元如图2所示。

图2 发电厂升压站智能巡检机器人系统控制单元

1.4 通信模块设计

为确保巡检机器人与监测中心间的畅通通信，需采用可提供良好信号传输的无线通信技术；同时当信号质量不佳时需采取措施保障其不受影响，以保证控制中心能够接收到正确的探测数据。

同时，电网设计充分考虑了国计民生，对发电厂升压站的网络安全进行了考虑，在通信过程中可实时监控通信网络的稳定性和安全性。针对电厂升压站特殊环境，文章采用了多网桥模式建立无线通信系统，以防止高压磁场对通信信号的影响，确保通信网络的稳定性和安全性。

电厂升压站巡视机器人通过无线设备来完成数据信号的传输工作。由于图像信息和数据具有连续性和沉杂性，因此须对资料进行压缩处理才能传输到后台。①巡检机器人会采集影像资料信息并进行压缩，将其传输到布线装置；②在布线装置中解压这些压缩影像资料，并将其传输到主机端；③由后勤部的员工进行监控。在中央控制器方面，其使用无线网络与主机连接，并在主机上实现了发送和接收功能，直接对主机进行驱动和控制。通过使用通信转换模块，中央控制器与路由间实现了连接，以确保指令的顺畅接收，使发电厂升压站巡检机器人能够成功完成相应的巡检任务。

2 智能巡检机器人系统软件设计

2.1 软件系统结构设计

文章采用TCP/IP 技术构建的电网调控系统，包括警钟控制器模组、巡视追踪模块、工作调度管理系统、控件与通信接口部分等。该系统的具体结构如图3所示。

图3 发电厂升压站智能巡检机器人系统结构

2.2 巡检机器人工作流程

文章描述的电厂升压站智能巡检机器人具备自主巡检的能力，可按照预设的轨道进行定期检查。若轨道上有无法通过的障碍物，机器人将停止运行，并将信息发送给后端，以供相关人员处理。当给定路线上没有障碍物干扰时，智能巡检机器人将按照给定路线对发电厂升压站进行巡检和监控，并将采集到的图像传输到上位机，由上位机识别设备的运行状态。若发现设备异常，将自动报警，并使用机械手臂清除异物。若未找到异物，机器人将返回初始位置，结束巡检。具体工作流程如图4所示。

图4 发电厂升压站巡检机器人工作流程

2.3 智能巡检子系统

视频监控子系统包括视频处理单元、高清IP 摄像机、标清IP 摄像机、高清模拟摄像机、标清模拟摄像机及各种摄像机的控制、传输附件。视频处理单元是视频监控子系统的核心，起到承上启下的关键作用。通过网络与站端智能巡检辅助平台进行通信，接收站端智能辅助平台的控制命令，向站端智能辅助平台传输视频信息。视频处理单元和IP 摄像机都接入网络交换机，通过以太网实现视频处理单元对摄像机的管理及视频的传输、控制。环境监控子系统包括环境处理单元、安全警卫子系统、灯光控制子系统、门禁子系统、动力环境监测子系统及消防子系统。

2.3.1 巡检机器人

巡检机器人的构造较为复杂，主要包括巡检机器人、主机、操作室、安全接入模块和交换机等组件。安全接入模块可有效地将巡检机器人和主机连接起来，在传输协议时可使用DL/T 634.5104。

2.3.2 摄像头布点

在布设摄像头时，须满足变电站周围的环境、出入口、制高点和设备的监视要求，以提高摄像机的监控范围，可采用全景摄像头。

3 智能巡检机器人的安全监测

3.1 红外线检测功能

在升压站内，每台装置都安装了对应的红外探测器，以便智能巡视机器人可检测装置的温度。此外，为适应不同装置的特性，它们都设定了不同的温度敏感值。当巡视机器人发现设备异常工作时，相应的报警系统会被启动。若机器人的温度检测超过设定的范围，后台软件将立即做出反应，并将异常温度信息传输到监控控制界面，供运维人员分析并处理。

3.2 仪表识别功能

发电厂拥有各种复杂的仪器设备，这些设备分布在广阔的区域内，这导致了人工巡视的耗时。若能够精确识别各类仪器，就可大幅减少巡检的频率。借助CCD 彩色摄像机具有的噪声抑制能力，可对图像进行采集与抑制，有效解决外部因素导致图像模糊的问题。采集完成后，借助红外热成像技术和计算机技术，可对图像进行分析和处理。此外，由于图像所处的环境，如风、雪等，极易导致图像质量下降，因此可使用粒子滤波器对图像中的噪声进行过滤，以达到提高图像清晰度的目的。其算法的具体过程如下。

设图像噪声的原始坐标为（x0、y0），噪声的具体位置可用以下公式进行表示：

通过建立数据模型，设备的工作状态和噪声点可用方程形式表达。利用这种方法，可得到装置的运行状态运动矩阵和噪声点移动矩阵的初始状态。在图像信息中，图像易受到高斯噪声的影响。因此，可将用于获取图像的装置工作状态变量函数设置为而装置的工作状态运动矩阵可表示为：

采集到的设备的噪声点移动矩阵G可表示为：

式中，T为图像的采样间隔。

在图像信息中，图像极易受到γ噪声干扰。因此，在进行噪声测量时，应考虑设备的工作角度R。若采集设备的工作角度是θ，角速度是α，不同设备的采集周期为1，则可将工况移动矩阵表示为系列矩阵：

设备工况的噪声点移动矩阵G可表示为：

在使用上述方法对不清晰图像进行过滤后，可使图像转变为清晰图像。

3.3 局部放电检测功能

智能化巡查配备了监控设备，包括升降平台和传感器等。其使用电波和超声检测技术，可检测设备的放电。同时，利用测量技术对设备进行实时监测，并对设备的运行状态进行分析，可为维修人员提供重要的数据参考。

3.4 巡检功能

智能机器人主要由以下两种巡检方式：①自动巡检模式。自动化巡检是指通过在机器中设定巡检路线的方式来实现巡检。这种方式的巡检又可分为普通巡检与特别巡检两种类型，并能灵活地应用于实际的检查工作当中。②人工遥控巡检。通过手动巡检的方式，维护人员可对智能机器人进行控制，并用手动方式锁定设备，由机器人实时监测设备运行情况。当机器人设备出现异常工作状态时，其所携带的报警系统会向运维人员报警，运维人员可第一时间手动将机器人送至设备处，利用机器人判断设备是否正常，从而提高设备故障处理的效率。

3.5 实时监控与环境检测功能

巡逻车可使用无线网络终端将采集到的升压站数据发送到服务器内存中，然后对数据进行处理并将其传送到客户机，并在管理界面上显示所收集的数据。此外，由于该机器人配备了各种侦测设备，其可实时探测升压站的各种环境信息并将其传输到系统后台。同时，在机器人内部可设定警报器阈值，当提升站内环境条件发生改变时，警报器可立即启动，从而在一定程度上防止操作人员判断错误并减少危险。

4 应用效果

为进一步评估智能巡检机器人在发电厂升压站中的监督效果，将智能巡检机器人应用于某发电厂升压站，并为其设置巡检路线。该升压站位于某地东南侧，毗邻矿工路铁路，交通便利。该风电场总装机容量为450MW，其中包括1～4号主要变压器和1～9号连接变压器，以及位于220kV 开关厂内部的开关和刀闸等设备。

通过表1可知，升压站的气候条件相当恶劣，极端最高温度为39℃，极端最低温度为-37.9℃，雷雨天气为24.3d。因此，使用机器人进行巡视非常必要。

表1 区域条件

在本项目中，将智能机器人巡检技术引入现场，以应对传统的人工巡检方式存在的安全隐患，如工作量大、效率低、误差大、无法全面、及时地检测设备隐患等问题。该系统在提升巡检质量、缩短巡检周期、减轻工人劳动强度等方面发挥了积极作用。在此基础上，增设了巡视机器人，突破了以往巡视方式的局限，对升压站的异常现象进行了有效的处理。因此，实现了从传统存储模式到系统存储模式的转换，而系统的存储模式将直接影响整个装置的使用寿命。

5 结束语

在发电厂升压站智能巡检机器人的安全监测研究中，焦点集中在传感器和监测设备的开发上，旨在实现对机器人周围环境条件的全面监测。这些环境条件包括但不限于气体泄漏、温度、湿度等，它们是评估工作场所安全性的关键因素。同时，研究还着力于智能算法和机器学习模型的开发，以对监测到的数据进行高效分析，实时识别潜在的安全威胁。这种技术的融合使得机器人系统能够更精确地感知和响应危险，从而提高了升压站巡检的效率和安全性。