煤矿35KV变电站自动巡检系统可行性研究报告

1、阳泉煤业（集团）股份有限公司煤矿35KV变电站自动巡检系统 可行性研究报告结论：1. 国民经济的不断发展对电力能源的需求也不断增大，致使变电站数量增加，电压等级提高，供电范围扩大及输配电容量增大，采用传统的变电站一次及二次设备已经越来越难以满足变电站少人值班或者无人值班的要求。随着变电站综合自动化技术的不断发展与进步，变电站综合自动化系统取代或更新传统的变电站二次系统，继而实现“无人值班”变电站已成为电力系统新的发展方向和趋势。 2本项目应用最新室内外轨道式巡检机器人，可实现室内外长距离的水平方向弯轨巡回移动，通过搭载视频设备和各类传感器，沿轨道对电力设备进行巡检，能够实现变电站室内外设备全方

2、位、全自主智能巡检和监控，也可以人工操作，获取需要监测设备的重要信息。本监测系统可以到达人工不能到达的区域，做到全面覆盖，大大提高了监测的范围，完全可以代替人工完成巡检工作，提高了巡检的效率和智能化水平3、项目投资41.44万。通过实施本项目解决通常的巡检方式受安装位置、摄像头数量限制，难以判断开关位置、保护屏异常报警、设备过热等信息，无法满足视频监控全方位覆盖的要求，而且安装布线工作量大，因此故障率较高，维护难度较大等问题。提高煤矿供电系统的供电可靠性。4 建议：本项目尽快实施。编制单位：阳泉煤业（集团）股份有限公司 编制时间：2013年12月 23 / 23文档可自由编辑打印一、项目提出的

3、必要性随着现代工业的发展，电能在工业中越来越显示其作用的巨大，而作为接受和分配电能的变电站更是在工业企业占据十分重要的位置，因此，变电站的日常运维是一项很重要的任务。 阳煤各矿普遍采用电源电压等级为35kV，经主变电站和井下变电站两级变压。主变电站将35kV电压变为610kV电压，然后经配电线路引至井下中央变电所，井下中央变电所送到各采区的移动变电站将610kV电压变为660V、1140V、3300V的低电压供用电设备使用。 国民经济的不断发展对电力能源的需求也不断增大，致使变电站数量增加，电压等级提高，供电范围扩大及输配电容量增大，采用传统的变电站一次及二次设备已经越来越

4、难以满足变电站安全及经济运行，少人值班或者无人值班的要求。随着变电站综合自动化技术的不断发展与进步，变电站综合自动化系统取代或更新传统的变电站二次系统，继而实现“无人值班”变电站已成为电力系统新的发展方向和趋势。变电站设备故障引起的停电事故会带来巨大经济损失，而经济的发展也促使电网不断提高供电质量，这对变电站设备的巡检质量和管理水平提出了更高的要求。变电站设备巡检既包括室外设备，也涵盖了继电保护室、开关室等室内设备，随着智能变电站和无人值守变电站模式的推广，巡视工作量越来越大，人工巡检的到位率、及时性无法保证，这些都对变电站巡检工作特别是室内设备巡检提出了更高的要求，迫切需要一种更为先进、智能

5、的巡检模式和系统解决方案。室内轨道式巡检机器人，可实现室内长距离的水平方向弯轨巡回移动，通过搭载视频设备和传感器，沿轨道对电力设备进行巡检，能够实现变电站室内设备全方位、全自主智能巡检和监控，也可以人工操作，获取需要监测设备的重要信息。本监测系统可以到达人工不能到达的区域，做到全面覆盖，大大提高了监测的范围，完全可以代替人工完成巡检工作，提高了巡检的效率和智能化水平室内轨道式巡检机器人系统的应用可有效降低设备维护成本，提高设备巡检、设备管理的自动化和智能化水平，为智能变电站和无人值守站提供新型的技术检测手段和可靠的安全保障，具有巨大的社会效益、经济效益和安全效益，市场前景广阔。二、 国内、外技

6、术水平及发展趋势在机器人研究领域中，电力系统机器人属于典型的特种机器人,其研究应用范围越来越广，在国际上形成了独特的电力特种机器人应用研究领域。国内外研究和应用较多的电力特种机器人有：高压带电作业机器人、变电站设备巡检机器人、超高压巡线机器人、变电站瓷瓶清扫机器人、核电站作业机器人、锅炉承压部件检测机器人、电缆管道检测机器人等。国外由于起步较早，在移动机器人、高压带电机器人和巡线机器人方面都取得了很大的成功，尤其以移动机器人技术为主开发的电力检测机器人是国内外机器人领域研究的热点。相对先进国家来说我国移动机器人的研究起步较晚，但是在国家的支持下，通过“七五”、“八五”科技攻关，已经有了很大的进

7、步。国内已经研制出各种消防机器人、反恐防爆机器人等移动机器人。在国内，机器人在电力系统内的应用研究正处于起步阶段，主要为超高压带电清扫机器人及带电维护作业机器人。2010年6月，国内首个750千伏变电站机器人巡检系统在西北电网公司750千伏陕西乾县变电站正式投入运行，这也是目前国内应用电压等级最高的变电站机器人巡检系统。国内外，变电站智能巡检机器人研究方面还是空白。国内已经开始采用机器人进行室外设备巡检，其应用水平处于国际领先，但室内设备使用机器人巡检的仍属空白，通常的实现方案是在室内安装部署多个固定点监控，对设备运行状态进行监测。该方式受安装位置、摄像头数量限制，难以判断开关位置、保护屏异常

8、报警、设备过热等信息，无法满足视频监控全方位覆盖的要求，而且安装布线工作量大，因此故障率较高，维护难度较大。随着机器人技术与人工智能技术的发展，采用室内轨道移机器人代替人工进行设备巡检已成为可能。室内轨道巡检机器人属于电力特种机器人研究范畴，它集机电一体化、多传感器融合、导航定位、机器视觉、智能控制，以及电磁兼容等技术于一体，能够实现变电站室内设备全方位、全自主智能巡检和监控，有效降低劳动强度，更适应智能变电站和无人值守变电站发展的实际需求。三、项目任务来源及设计依据1、任务来源国民经济的不断发展对电力能源的需求也不断增大，致使变电站数量增加，电压等级提高，供电范围扩大及输配电容量增大，采用传

9、统的变电站一次及二次设备已经越来越难以满足变电站安全及经济运行，少人值班或者无人值班的要求。随着变电站综合自动化技术的不断发展与进步，变电站综合自动化系统取代或更新传统的变电站二次系统，继而实现“无人值班”变电站已成为煤矿电力系统新的发展方向和趋势。2、设计依据GB/T 12642-2001 工业机器人 性能规范及其试验方法GB 11291-1997 工业机器人 安全规范GB/T 12644-2001 工业机器人 特性表示GB/T 14284-1993 工业机器人通用技术条件GB/T 7353-1999 工业自动化仪表盘、柜、台、箱GB/T 4064-1983 电气设备安全设计导则GB/T 5

10、226.1-1996 工业机械电气设备 第1部分: 通用技术条件GB/T 16855.1-1997 机械安全 控制系统有关安全部件 GB 16754-1997 机械安全 急停 设计原则。DL/T 6641999 带电设备红外诊断技术应用导则DL 4081991 电业安全工作规程（发电厂和变电站电气部分）GB 4208-93 外 壳 防 护 等 级 （ IP 代 码）GB/T 2423.101995 电工电子产品基本环境试验规程GB/Z19397-2003工业机器人电磁兼容性试验方法和性能评估准则指南JB/T 88961999 工业机器人 验收规则GB-T 24231.1-2001电工电子产品环

11、境试验国家电网生2003387号 国家电网公司变电站运行管理规范（试行）国家电网公司2005172号 输变电设备运行规范国家电网公司 无人值守变电站管理规范(试行)（2008.11）国家电网公司 无人值守技术变电站及监控中心技术导则（2008.12）华北电网有限公司 变电站标准化管理条例（2008.12）四、项目研发的主题内容及创新点1、研发的主题内容1.1 室外机器人常规巡检变电站智能机器人巡检系统能够以全自主、本地或远方遥控模式代替或辅助人工进行变电站巡检，巡检内容包括设备温度、设备外观、刀闸开合状态、仪表、设备噪声等，具有检测方式多样化、智能化、巡检工作标准化、客观性强等特点。同时，系统

12、集巡视内容、时间、路线、报表管理与一体，实现了巡检全过程自动管理，并能够提供数据分析与决策支持。 图1-4-1机器人执行巡检任务1.1.1 巡检内容Ø 电流及电压致热型设备的热缺陷变电站智能机器人巡检系统的红外检测系统能够对变压器、互感器等设备本体以及各开关触头、母线连接头等的温度进行实时采集和监控，并采用温升分析、同类或三相设备温升对比、历史趋势分析等手段，对设备温度数据进行智能分析和诊断，实现对设备故障的判别和自动报警。参照标准：DLT664-2008带电设备红外诊断应用规范图1-4-2三相设备温差对比分析图1-4-3 设备检测报告机器人进行红外测温时，采用模式识别技术，首先识别

13、出需要进行温度检测的设备或区域，再进行最高温度的检测，有效提高了设备红外测温的精确度。 图 图 未对设备进行识别，最高温度点在某无关区域中 识别出设备后，就可准确获得设备的最高温度Ø 设备外观及状态检测变电站智能机器人巡检系统具备视觉功能。经图像预处理和滤波技术，消除室外环境雨雪、光照等对设备图像清晰度的影响，再通过设备图像精确匹配和模式识别技术，可进行设备外观状态的自动识别（包括外观异常、分合状态、仪表读数以及油位计位置等）。图1-4-4 刀闸的识别过程图1-4-5 变压器油位计识别及仪表数值读取处理过程图1-4-6 异物检测过程Ø 设备运行异常声音检测变电站智能机器人巡

14、检系统还具备听觉功能。在机器人巡检过程中，通过拾音器采集设备运行中发出的声音，经对声音的时域和频域分析并比对设备异常声音特征库，识别设备内部异常。图1-4-7 主变噪声分析图1-4-8 主变噪声特征提取1.1.2 运行模式自主巡检运行人员根据巡检时间、周期、路线、目标、类型（红外、可见光等）灵活进行任务定制，机器人按照定制任务进行自主巡检。定点巡检运行人员选择部分设备进行巡检，系统自动生成最佳巡检路线并执行定点任务。遥控巡检运行人员通过后台手动控制界面，控制机器人执行巡检任务。1.2 室外特殊巡检高原、寒冷等地理条件或大风、雾天、冰雪、冰雹、雷雨等恶劣天气条件下，代替或辅助人工完成变电站设备的

15、巡检，对有效降低工作人员安全风险，具有不可替代的作用和价值。1.3 设备操控时与站内监控系统协同联动变电站智能机器人巡检系统提供与站内监控系统和信息一体化平台接口，能够实现与监控系统的协同联动，在设备操控和事故处理时，通过最优路径规划自动移至目标位置，实时显示被操作对象的图像信息，进一步保证整个过程的可靠实施，减轻工作人员劳动强度。在进行一键式顺控操作时，机器人可通过模式识别技术，对开关位置进行自动识别，实现被控设备控前及控后位置的自动校核。图1-4-9 顺控操作示意图1.4 就地和远程视频巡检和远程视频工作指导变电站智能机器人巡检系统可通过视频远传、远程控制功能，实现变电站巡检的远程可视化；

16、当变电站进行现场作业时，机器人可灵活移至作业位置，借助该系统的双向语音对讲功能，实现变电站远程视频工作指导。图1-4-10 工作指导示意图1.5 支持集控管理模式变电站智能机器人巡检系统远程集控中心，可实现对多个变电站机器人系统的统一协调和集中控制，为变电站无人值守模式的推广打下坚实的基础。图1-4-11集控模式示意图1.6 设备缺陷管理自动生成设备红外测温和外观异常报表，并自动将巡检数据（温度、分合状态、仪表读数等）和缺陷报警信息上传其它信息管理系统；按设备类型提供设备红外图像库、设备缺陷或故障原因分析及处理方案，协助运行人员积累运行经验，提高设备缺陷识别和处理能力。 图1-4-12设备红外

17、图像库 图1-4-13设备检测报告（部分）1.7 室内机器人巡检结合开关室、保护室、电容室、室内变电站等室内设备实际情况，主要包括可见光视频巡视、红外热象仪视频巡视、自动定点设备照片存档、自动定点设备红外热图存档、自动定点设备温度检测存档（自动温度越限报警），设备历史温度分析等。巡检设备可以包括以下内容（但不完全限于所列项目，具体可根据现场情况增加）：（1） 可见光检测l 断路器、隔离开关、接地开关位置指示； l 各气室SF6压力指示；l 气动机构气压指示；l 接地装置接地状态；l 各汇控柜指示灯的指示情况；l 各间隔内带电显示器的指示情况；l 开关柜外观、状态、灯光和信号指示l 直流屏外观、

18、运行方式、屏内开关位置及信号指示l 二次设备运行状态、显示信号、保护压板位置l 低压盘开关及刀闸位置、信号指示l 设备外观；l 管型母线外观；l 交直流避雷器外观；l 接地刀状态；（2） 红外热成像检测(开关柜可采用无线温度传感器)l 断路器、CT、CVT设备温度；l 隔离开关、接地开关触头温度；l 各设备、母线连接接头温度；l 换流阀、阀塔温度；l 管型母线及接头温度；l 交直流避雷器本体及接头温度；l 刀闸触头温度；l 换流变套管本体及接头温度；2、创新点1） 设计思路创新室外设备巡检方案：变电站室外智能机器人巡检系统为网络分布式架构，整体分为三层，分别为基站层、通讯层和终端层。基站层由机

19、器人后台、硬盘录像机、硬件防火墙及智能控制与分析软件系统组成；通讯层由网络交换机、无线网桥等设备组成，负责建立基站层与智能终端层的网络通道；终端层包括变电站智能巡检机器人、充电室和固定监测点等。系统支持集控模式，可通过集控中心对多个变电站的变电站智能巡检机器人实现远程监控。系统架构图l 集控层介绍变电站智能机器人巡检系统，支持集控模式，可以实现跨地域远程指挥、控制和监视变电站智能巡检机器人，能同时完成对多个变电站智能巡检机器人的监控，创新的低流量实时监控、主辅切换等技术，可以为多个站区设备的远程检测提供有效的辅助手段。l 基站层介绍变电站智能机器人巡检系统的基站层由机器人后台、硬盘录像机、硬件

20、防火墙及智能控制与分析软件系统组成。后台监控系统作为整个巡检系统的就地指挥、控制和监视中心，能够对设备的可见光、红外视频和机器人运行状态进行实时监视，并通过任务管理和遥控等手段对机器人实施有效的管理和控制，提供巡检报表打印、实时数据存储、历史数据查询以及检测数据的分析诊断功能，同时提供与站内监控系统和远方监控中心接口。基站连接示意图后台系统由一台计算机和一台无线网桥组成，计算机上的后台软件通过无线网桥连接移动机器人，达到控制机器人的目的，并且采集的数据通过无线网桥传送到计算机上，分析并存储到计算机的数据库中。l 终端层介绍变电站智能机器人巡检系统的终端层包括变电站智能巡检机器人、充电室和辅助固

21、定监测设备等。室内设备巡检方案：室内机器人巡检系统为网络分布式架构，整体可分为两层，分别为基站层和终端层。基站层由后台机及智能控制与分析软件系统组成；通讯由网络交换机、电力载波仪等设备组成，负责建立站控层与智能终端层间透明的网络通道；终端层为直流场内的组合式轨道机器人。² 系统硬件平台整个巡检机器人系统的硬件组成如图所示。室内巡检机器人系统硬件组成示意图² 系统软件平台软件平台采用分层的模块化结构，基于Windows XP/Server 2003操作系统和.NetFramework 2.0运行平台；采用纯面向对象的编程语言C#进行托管代码编程；以面向对象的内存实时数据库和大

22、型商用关系型数据库相结合；通过多线程进行耗时任务的后台处理，避免阻塞用户的界面操作；系统性能和可靠性高、维护和扩展方便。提供基于角色的安全权限控制；越变化死区和定周期采集相合的实时数据存储机制；无损压缩的巡检数据存储技术等。软件系统的体系结构共分为层，分别为数据层、功能层、逻辑层和表示层，如图所示。各模块基于接口编程，广泛应用设计模式，降低模块间的耦合，系统架构清晰，功能扩展方便。室内巡检机器人系统软件体系结构² 实时通信考虑到室内内设备的运行安全，无法采用普通无线通信，因此考虑采用电力载波、漏波电缆以及微波通讯等的方式。可视现场具体情况进行配置。基站和移动站的连接采用无线通信设备或

23、光缆，实现数据的远传和命令的遥控。在此基础上，可以方便接入电力系统生产专用光纤通信网络，实现与调度中心的数据交换。根据室内空间及设备布置情况，轨道式运动平台具有效率高、结构紧凑、成本低、可靠性高等优势，因此，降压站所有室内机器人均采用水平式轨道式运动平台，具体方案如下： ² 设计要求运动方向：某一特定高度，运动轨迹平行于水平地面；运动范围：根据巡检要求，轨道安装于室内垂直墙壁上（1至4面墙壁），或者单根直线导轨，或两根、三根直线导轨组合成拐角方式，或四根直线导轨组合成闭合方式。载重：30公斤； 固定方式：直接固定在墙壁上或依靠辅助架构安装；运动速度：0-2米/秒；定位精度：5mm；供

24、电方式：拖缆或者滑触线；运动控制系统：驱动、控制、位置检测等集成；² 设计方案水平式轨道运动平台如下图所示：水平式轨道运动平台结构示意图（侧装、小范围升降）水平式轨道运动平台结构示意图（定装、伸缩）水平轨道由一根或者两根轨道组成，安装时可考虑侧装或者定装，同时，也可根据现场具体视角，侧装轨道可携带一根垂直轨道，机器人可在垂直轨道上做小范围（0-1米）运动；定装机器人可携带伸缩臂，通过机构动作，机器人可实现不同高度巡检。该方案适应保护室、开关室、电容器室等室内的设备巡检。2）技术创新：Ø 智能性通过自动充电、最优路径规划和自主导航定位实现巡检任务的全自主运行，无需人工干预；采

25、用模式识别技术，进行设备外观异常检测、刀闸分合状态识别、仪表读取、设备噪声的采集与分析；采用温升分析、同类或三相设备温升对比、历史趋势分析等手段，对设备温度数据进行智能分析和诊断，实现对设备故障的判别和自动报警，并为今后实现变电站全寿命周期管理和故障信息综合分析决策提供必要的数据和技术支撑。Ø 客观性传统的人工巡检方式因巡检人员的不同而巡检效果各异，采用机器人巡检不但提高了工作效率，解决了巡检质量分散、手段单一等问题，而且机器人每次巡检定时、定点、定角度的程序化作业也保证了巡检到位率和及时性，大大提高了巡检的客观性。Ø 灵活性相对于固定视频监控系统，机器人可根据需要灵活移动

26、至任意检测区域，进行设备检测和远程视频工作指导，真正实现变电站全方位监测。系统配置和任务设置灵活：巡检任务可根据时间、内容、路径等进行随意配置。Ø 开放和互动性系统可提供与站内监控系统、远方监控中心、PMS等系统接口，并可根据需要提供与安防等其他子系统之间的接口，实现与站内监控系统、远方监控中心以及与其他系统的联动。系统还可通过短距离无线通讯方式，作为移动无线通讯中继，采用开放和标准协议，与站内各种在线监测设备和传感器进行通讯，作为信息收集终端，构建起设备与设备之间的信息联络和共享平台。为无线传感器测控网络和站域物联网的实现提供一种简单、灵活的技术手段和工具。Ø 集成度高，

27、检测手段多样相比于其他解决方案，本系统基于一套检测设备，实现全站视频、红外、声音采集与监测，实现了检测手段和工具的集成化和多样化。2、研制方式、方法：（1）聘请行业内具有影响力的专家参与项目研发，缩短研发进程，培养带动技术骨干成长。（2）组建项目课题攻关小组，深入煤矿调研，分工分难点攻关突破，相互合作协调动作，分阶段实施。（3）联合有先进成功技术的高等院校进行技术合作。（4）充分发动现有技术研发人员积极创新，配合项目圆满投入实践。（5）增补购买先进和特定的、专用的测检仪器设备，完善测检手段，保证试制产品质量水平。（6）大力培训现场组装试验人员，提高工艺安装水平及员工素质。四、项目主要技术指标及性能1室外移动机器人表1：移动机器人指标与参数类别技术条目指标参数移动平台外形（长宽高：mm）1000*550*1200防护等级IP54环境温度-20- 50运行速度0 - 4km/h最小转弯半径0.8m爬坡能力1