赵富强
国能包神铁路集团有限责任公司内蒙古包头014010
摘 要：介绍智能巡检机器人和辅助监控系统在牵引变电所内的应用，根据实际应用情况和效果，总结应用经验，提出改进建议。
关键词：智能巡检机器人；辅助监控系统 ；牵引变电所
Abstract：This paper introduces the application of intelligent inspection robot and auxiliary monitoring system in traction substation. According to the actual application situation and effect, it summarizes the application experience and puts forward improvement suggestions.
Key words: Intelligent inspection robot；Auxiliary monitoring system；Traction substation
0 引言
牵引变电所作为铁路系统特有的变电所，牵引负荷为一级负荷，对牵引供电设备运行状态、可靠性要求高，传统综和自动化监测方式只能对电气量和少量的非电量进行监测，存在一定局限性。牵引变电所智能巡检机器人与辅助监控能准确对牵引变电所内供电设备实现24小时不间断监测，有效的对传统电流、电压等主要电气监测数据进行补充，大大提高了牵引变电所供电设备监测的精准性和可靠性。通过对包神铁路万南牵引变电所内进行部分设备改造，实现了巡检机器人与辅助监控系统在铁路牵引变电所内的应用，完善了牵引变电所内的监测系统，提高了设备运行监测质量。改套系统的应用有效的预防了设备故障的发生，降低了值班人员劳动强度。同时根据现场应用情况总结应用经验，提出改进与发展建议。
1 传统牵引变电所监测、巡视系统概述
传统牵引变电所监测系统
包神铁路既有牵引变电所主要采用传统电磁式电流互感器、电压互感器对电流、电压数据进行采集。采集后的数据为低电压的模拟量，电压为100V，电流为5A。通过电缆传输之后微机保护测控装置，经过模拟-数字转换，经过计算传输至综合自动化系统实现对电流、电压数据、开关状态等信息的处理与分析。供电调度通过远动系统（SCADA系统）经过通信传输和远动通信协议对变电所实现不间断监测和控制，能实现供电设备基础供电功能的监测和控制，监控系统如图1。传统牵引变电所监测系统不能对设备外观、运行物理状态、各类表计指示、运行温度、绝缘性能等变化进行监控。设备发生故障前的各类外观、温度、变形量等物理变化不能被传统监控系统及时发现，前期隐患未及时发现容易逐渐扩大，造成较大的设备故障，损失进一步扩大。
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图1 既有牵引变电所运行监控系统
传统牵引变电所巡检
传统牵引变电所的运行维护普遍采用人工值班、定期巡视的方式对牵引变电所内设备进行巡视检查。通过人工测量、记录、分析保证牵引变电所设备的正常运行。对巡检人员的要求较高，要求巡检人员有较高的业务技能水平和责任心。同时也增加了牵引变电所运行维护的人工成本。人工检测也存在较大的不确定性和检测盲区，部分设备隐患和设备故障不能及时有效的发现。
2 智能巡检机器人和牵引变电所辅助监控系统的组成和功能
随着科学技术以及供电设备监测手段的提升，传统监测方式已经不能满足牵引变电所智能化、无人化发展的要求。智能巡检机器人以及辅助监控系统等一些列新监控手段的发展迅速，在各个行业得到了广泛的应用。作为重要的监控手段，智能巡检机器人在牵引变电所的也有广泛的应用前景。智能巡检机器人和辅助监控系统主要构成和功能介绍如图2：
2.1 智能巡检机器人主要巡检功能
智能巡检机器人采用无轨激光导航技术，按照牵引变电所巡检要求提前设定巡检路线，通过人工提前设置可实现设备巡检的全方位覆盖。可以人工、遥控或自动的方式对设备进行巡检，能将巡检情况实时传输到牵引变电所监控后台和调度指挥中心。
自动巡视时系统根据预先设定的巡检内容、时间、周期、路线等参数信息，自主启动并完成巡视任务；人工特巡方式由操作人员选定巡视内容并手动启动巡视，机器人可自主完成巡检任务。遥控巡检模式由操作人员手动遥控机器人，完成巡视工作。
机器人配备可见光摄像机、红外热成像仪等检测设备，并能将所采集的视频上传至监控后台。通过高清可见光摄像机结合监控软件能够准确识别并判断变电所内如变压器油位、油温、断路器六氟化硫气体气压、避雷器计数器、电流表、电压表等各类表计并将表计读数保存至后台监控系统。通过视频识别，可以实现对变电所内断路器、隔离开关等各类开关量的分合状态的采集和判断。通过红外摄像机监测实现牵引变电所内设备温度的测量和高温报警。通过携带的各类传感器能实现环境温度、湿度、风速和大气压的实时监测。
智能巡检机器人具备设备检测数据的分析报警功能；报警发生时，应立即发出报警信息，并伴有声光提示，并能人工退出和恢复；报警信号能立即上传至调度指挥中心。
机器人巡检后台系统提供事项显示功能，事项应根据报警级别、事项来源等分类显示，同时系统提供历史事项查询功能。将巡检信息存储在本地监控后台的巡检数据库中，能按照巡检时间、巡检任务、设备类型、设备名称、最高温度等过滤条件查询巡检数据。系统自动生成设备缺陷报表、巡检任务报表等功能，并提供历史曲线展示功能。机器人后台要按照巡视路径展示巡检设备及巡检结果，每台设备巡检结果的多张照片统一归集于每台设备目录下。调度指挥中心通过远传通道，能够随时调取各类历史数据。巡检结果供运检人员使用，为设备的运行维护提供有效的技术依据。
2.1 辅助监控系统的构成和功能
辅助监控系统主要由视频监控、红外成像测温、运行设备在线监测、无线传感器测温、周界入侵报警、门禁、环境监测等系统组成。
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图2 升级后牵引变电所运行监控系统
红外成像、无线传感器测温系统
辅助监控中红外成像和无线测温系统通过红外成像测温摄像头和无线测温传感器可以实现对变电所内牵引变压器、断路器、隔离开关、母线、各连接线夹、主控室内各控制屏等主要设备进行实时测温。
针对牵引变电所户外110kV主变压器、断路器、互感器、隔离开关、母线、设备连接线夹等设备的温度监测，可采用非接触式红外热成像仪进行温度监测，实现电气设备全面监测。红外热成像双视监控主机的云台支持水平方向360°，垂直上下70°旋转等多方位旋转，内含高性能红外热像仪和CCD摄像机，可对监测区域内的电气设备实现实时在线的红外视频和可见光视频的同步监测。
针对27.5kV高压室内断路器、互感器、隔离开关、母线、设备连接线夹等设备，采用无源温度电流传感器对接点温度进行监测，同时在高压室内安装环境温湿度传感器，对高压室内环境温湿度进行监测。经过温度对比后，传感器采用无线方式传输上传温度数据至集中接收显示装置，集中接收显示主机可现场显示数据、设置报警值等，同时可通过传输线将数据上传至后台监控系统。
针对电容器和电抗器本体、设备接点采用无源无线双电源测温传感器进行温度、温升在线监测，每组安装6个传感器。同时对室内环境温湿度进行监测。传感器采用无线方式传输上传温度数据至集中接收装置，集中接收主机将数据上传至后台监控系统。
温度信息实时传输至监控后台，温度变化率超过一定范围后，后台系统立即报警。
在线监测系统
在线监测系统主要由变压器绝缘油在线监测系统和避雷器泄漏电流在线监测系统组成。
变压器绝缘油在线监测系统可以对绝缘油内各类气体含量进行在线分析，采用色谱分析原理，实现对变压器油中七种组分气体的检测。通过对绝缘油中溶解气体的测量和分析，与标准值进行对比，实现了对牵引变压器内部运行状态的在线监控，能够及时发现和诊断其内部故障，随时掌握牵引变压器的运行状况。弥补了试验室对变压器定期进行绝缘油色谱分析监测周期长的不足，为保证牵引变压器安全经济运行和状态检修提供了技术支持。
避雷器泄漏电流在线监测系统对避雷器运行时的泄漏电流实时进行测量，发现泄漏电流数据异常能及时报警。通过漏电电流监测，可以检查出避雷器的局部缺陷，也可以反映绝缘老化、受潮等缺陷，从而判断绝缘状况的好坏。也能反映避雷器绝缘劣化速率，弥补预防试验的不足，为避雷器设备实施状态检修提供依据。
高清视频监控系统
高清视频监控系统通过布置在牵引变电所内通过摄像头、红外监测系统，实现对站室场地、设备实时视频监视。实现对变电所内基本无死角的24小时视频监控，智能视频监控分析通过设备信息的突变实现视频信息在线综合处理、与推理，支持汇集和处理各类告警信息，对大量食品变化信息进行分类管理和综合压缩，采用形象直观的方式提供全面综合的视频告警提示。如设备发热变红、绝缘子损坏冒烟、设备放电变黑、设备螺母缺失等通过视频监控系统都能及时发现并报警。
门禁系统
门禁系统的电子围栏、玻璃破碎报警、防区入侵等功能可以及时发现外来入侵人员并能立即报警。结合牵引变电所实际需求，采用门禁系统对人员进出情况进行管理，并辅以视频监控对人员进出实现二次监测，确保牵引变电所的安全运行。视频监控可以与门禁系统联动，当维护人员进入站内后，自动开始人员定位，记录移动轨迹，一旦进入预先设定的安全区域，或监测到人员数量不符合安全规定，自动进行报警。
环监系统
环监系统能够对站内的综合环境参数，如：温度、湿度、烟雾、积水情况进行实时监测、联动控制和远程遥控。并可在本地保存监测数据，对现场监测数据进行分析，根据预设报警信息，产生报警事件。
3 牵引变电所内的设备改造
智能巡检机器人对变电所内改造较少，仅需要修建独立巡检机器人充电房，将变电所内机器人巡检通道门改造为电动卷帘门，根据配置安装本地监控后台软硬件、导航设施及其它辅助设施。调度指挥中心通过局域网远程访问后台。投资成本为购置巡检机器人费用及适配机器人改造费用。
辅助监控系统的改造较多，主要是增加各个监控子系统设备。红外成像测温系统需要在高压场地安装红外双视摄像机，在控制室内监控屏中安装测温摄像机。无线测温系统需要在测温设备处安装无线测温传感器。高清视频监控改造时需要重新根据摄像机范围合理安装球形摄像机。门禁系统改造需要在围墙处安装防入侵电子围栏，在入所大门处安装电子锁等。环监系统改造需要在变电所内安装各类温湿度、水浸报警等传感器等。在变电所控制室内设置各个系统的独立后台监控系统，通过局域网将数据传输至监测中心。投资成本主要为设备购置费用和改造费用两部分。
4 巡检机器人与智能辅助系统应用后与传统人工巡检方式对比
智能巡检机器人通过智能巡检系统，可以人工或遥控的方式自动对设备进行巡视。巡检程序中对每一台设备的巡视测量项目进行预先设置，巡视过程中机器人严格按照预先设置程序逐项进行巡检并保留影像记录和数值、状态信息等记录。将巡检值与报警值逐一比对，发现数据异常立即向后台报警。巡检质量高，巡检效果好，巡检原始记录完整，可追溯性强，有助于对设备运行全生命周期的状态管理。
智能辅助系统中温度测量系统实时监测设备运行温度，温度发生异常时能直接进行报警，红外成像系统可以实时保存设备运行红外温度影像，有助于设备运行质量分析。在线监测系统中变压器绝缘油在线监测可以不间断测量变压器油内气体含量，实时监测变压器内部绝缘状态，及时发现变压器内部小微故障，有效防止变压器故障扩大。避雷器泄漏电流在线监测系统可以对避雷器泄漏电流实时监测，发现泄漏电流过大及时报警，有效监测避雷器运行状态。
传统人工巡视时值班人员定期对设备全面巡视一次，劳动强度大，不能实时对设备进行全面监控。值班人员责任心不同、业务水平参差不齐，巡检完成质量不同，设备发生缺陷隐患时，巡检人员未必能及时发现，对设备的监控存在一定的盲区。
5 智能巡检机器人与智能辅助系统的应用效果
智能巡检机器人与辅助监控系统应用后对监测结果进行分析，能提前发现设备缺陷，防止设备缺陷转化为设备故障，有效防止小故障扩大成大事故。在实际运行过程中发现动补室内某设备线夹温度超标并发出黄色警戒报警。经停电检修发现该报警设备线夹接触电阻超标，线夹内部接触部位部分烧伤。辅助监控系统有效的防止了一起设备故障。智能巡检机器人与辅助监控系统应用后降低运行人员工作强度，减少因人员漏检漏巡发现不到的设备缺陷、隐患。智能巡检机器人与辅助监控系统对变电所内设备的监控数据存档并进行分析，有助于供电设备全生命周期管理，合理判断设备状态，有助于设备的状态化检修，改变传统检修方式，优化检修资源配置。
6 应用中存在的问题及改进
智能巡检机器人与辅助监控系统等各个监测系统独立运行，牵引变电所内放置了至少五套不同的监测后台系统，没有形成统一监测系统平台，各个系统操作方式不同，对调度中心指挥人员、监测中心的运行监测人员、变电所内值守人员要求高，增加了供电调度、监测人员、值守人员的工作难度。各个监控子系统之间未形成有效的通讯，之间没有相应的通讯协议，各类监测数据无法互相共享，例如综合自动化数据、机器人巡检数据、测温数据、视频监控、红外成像等数据不能共享互通。发生设备故障跳闸时需要人为调取其他有效信息，增加了供电调度、运维人员的数据处理工作难度。建议在未来系统开发中形成有效数据传输协议，数据互通共享功能。
智能巡检机器人与辅助监控系统各监控子系统之间未能形成有效的自动联动，还需要人工干预，如设备故障发生时，视频监控、红外成像测温系统不能迅速的根据故障数据迅速自动抓拍影像、测温资料。例如在线监测系统发出异常报警时，也不能自动调取历史电流电压变化曲线进行报警信息的分析判断。建议各系统之间根据报警级别加入联动程序，实现报警后各系统的联动功能。
7 结论
巡检机器人和智能辅助监控系统对牵引变电所内供电设备实现了有效的不间断有效监控，能够及时发现设备缺陷，有效防止设备故障扩大，提高设备运行维护质量，降低运行人员劳动强度和人工成本。随着科学技术和铁路智能化水平的不断提高，巡检机器人和智能辅助监控系统的应用将会越来越多。在运用过程中也存在着各监控子系统互相独立，标准不统一，系统操作复杂，各系统数据不能有效数据互通、报警联动等问题。这些问题的提出也为未来智能化、智慧化牵引变电所监控的发展提出了一点小小的建议。
作者简介：
赵富强 男 现任国能包神铁路集团有限责任公司 安全监察 工程师 内蒙古 鄂尔多斯 017000 18847748585