基金项目： 国网浙江省电力公司科技项目“变电站智能巡检机器人标准化后台监控技术研究”（DWXX-XS-ZZFZ-1512274）;

文章编号: 2095-641X(2017)12-00-06 中图分类号: TP319

针对集控站所辖变电站内的多厂家巡检机器人各自使用功能简单且难以统一监控及信息共享的问题,提出在变电站建立统一通信控制平台,在集控站建立统一监控运维平台,在省运检中心建立统一监管和数据中心的三级纵向贯通、横向集成的变电站巡检机器人监控及运维体系;提出了变电站机器人通信控制平台通信组网方式及信息安全措施;提出了集控站监控平台功能框架,并对功能进行了介绍。该监控系统已实际投入运行,成功实现了对巡检机器人的高效统一监控。

关键词 : 变电站; 巡检机器人; 多机器人; 集控站; 统一监控与管控; 统一信息集成;

DOI：10.16543/j.2095-641x.electric.power.ict.2017.12.004

To solve the management problem of multi-vender's inspection robots with their monitoring control system in substations, which are difficult to be monitored and controlled, also affect information share, this paper presents an unified communication and control platform for substation, a centralized operation & maintenance platform in centralized control station, and an unified supervisory management platform in the provincial operation & maintenance center to forms a substation-based inspection robots supervisory and operation & maintenance system with three vertical layers information exchange and Horizontal integration management of related system. The network and the cyber security measures are also presented for the communication and control platform in substation. The function design of supervisory control platform in the centralized operation & maintenance centers is also provided. A whole system has been developed and putted into real operation successfully and effectively.

KEY WORDS : substation; inspection robot; multi-robots; centralized control station; unified supervisory control and management; unified information integration;

为了提高生产效率,变电站已大规模实现了无人化,并由集控站实现对所辖变电站的运行监视和维护[1-2],变电站巡检机器人（Inspection Robot, IR）应运而生[3-8]。变电站巡检机器人只是就地巡检移动平台,其实时采集的各类数据还需要在各变电站汇集,并通过光纤传输到集控站。由于目前尚没有形成统一的变电站巡检机器人信息接口标准,也没有形成统一的变电站机器人接入平台,因此变电站和集控站侧必须采用机器人厂商提供的各自不同的后台系统,系统功能乃至界面不统一,极大地影响了机器人的应用效果和工作效率。

机器人的接入和集中监控,涉及到不同的无线通信技术以及通信协议：文献[6]分析了变电站移动机器人的通信环境,推荐采用如Zigbee、RFID、Wi-Fi等短距离无线技术;文献[7]提出了利用无线局域网（WLAN）建立机器人与变电站主机的通信,并建议以104协议作为其通信协议;文献[8]探讨了基于IEC 61850的信息模型扩展,但使用IEC 61850 MMS协议用于无线通信,其通信效率较低;对于视频信息传输,一般统一采用会话初始协议（Session Initiation Protocol,SIP）协议[9-11]。

本文首先从省运检中心—集控站—变电站三级需求出发,提出在变电站建立统一通信控制平台,在集控站建立统一监控运维平台,在省运检中心建立统一监管和数据中心的三级纵向贯通、横向集成的变电站巡检机器人监控运维体系;对上述三级监控平台的关键实现技术,以及监控系统功能进行了研究和介绍。

机器人巡检场所均在变电站范围内,因此必须也只能在变电站内才能建立机器人通信控制平台。同时变电站仍是主设备的检修场合,在发现重大问题后,运行检修人员还需要到变电站进行复检,因此在变电站设立机器人监控系统仍然是必需的。

由于运行监视在集控站进行,因此机器人监控平台重点设置在集控站;通过集控站平台,对所辖变电站进行巡检任务安排、特殊机器人的调度计划安排等计划性安排,同时对机器人上送的信息进行分析和及时响应。

在省电力运检中心建立机器人监管平台,在地区、县设立监管分中心,统一纳入电力生产运行监管体系,与其他相关系统进行信息集成和业务集成。

图1给出了变电站巡检机器人三级联动监控监管体系的系统结构及通信接口示意图,体现了纵向贯通、横向集成的基本原则。

图1 系统结构及通信接口 Fig.1 System structure and communication interface

具体说明如下。

1）标准化的机器人监控后台在变电站、集控站、各运检分中心、省级运检中心均进行部署。

2）由于取消了地、县公司的数据部署,只有在省公司才能进行信息集成和业务集成,物理上均在省公司实现,但具体操作可延伸到集控站的工作站上进行。在省公司,生产管理系统（Product Management System, PMS）通过Web Service接口接收由集控站定义的机器人与监控电气设备之间的关联关系,以此关联关系将设备缺陷记录数据存入PMS数据库中,从而实现巡检记录驱动PMS业务流程,比如缺陷消缺等。

3）在变电站设立机器人通信控制平台,一方面统一管理与站内机器人的信息流和控制流交互,另一方面统一实现与集控站机器人监控平台的通信信息交互,并以B接口和SIP协议向集控站传送机器人上传的视频信息。

4）集控站机器人监控平台以B/S客户端方式,采用SIP协议A接口,与国网的视频统一平台进行通信。A接口承载的数据包括视频数据、视频设备控制命令;集控站监控后台获取所辖变电站内各类辅助设备的报警、告警信息[12],以便在报警发生时可联动机器人自动对报警进行远程或现场确认。

巡检机器人由在变电站搭建的无线局域网连接入网,典型无线组网方案如图2所示,其中巡检机器人客户端路由器接入电力系统内部网络的交换机。路由器连接无线接入点（Access Point,AP）和无人站客户端,巡检机器人车载网络设备通过无线网络（工业无线AC-AP连接）与无人站客户端建立通信。车载网络设备包括：

1）车载工控机：负责巡检机器人导航系统、任务系统、传感系统的调度;

2）高清网络摄像机：1 080 P高清网络摄像机,传输H.264高清数字视频;

3）红外热像仪：FLIR红外热像仪,传输640×480红外视频及单帧热图数据。

图2 变电站巡检机器人典型无线组网示意 Fig.2 Substation typical wireless network for IRs

任何自动化及信息技术在变电站中应用,均要确保变电站的信息安全[13-15]。机器人无线网接入变电站有线网后或专网运行,或直接接入电力内网,虽然采取了服务集标识（Service Set Identifier,SSID）不广播、数据加密、绑定机器人MAC及IP等安全防范措施,仍不能完全满足国家电网公司对终端通过无线接入内网的安全要求,存在以下终端层、网络层、应用层风险：

1）终端层：机器人缺乏身份认证,存在非法接入、非法操纵的风险;

2）网络层：站内无线网络存在口令被窃取、接入点伪造等风险,站内私网和站间私网存在信息被窃听的问题;

3）应用层：存在非授权访问业务应用的风险。

因此,机器人需要通过集成接入代理模块与变电站边界的微型采集装置进行身份认证、数据加密,对数据实行“端到端”防护,确保数据不被窃取、终端不被恶意操控。

巡检机器人采用2.4 GHz Wi-Fi与后台AP端进行无线通信,将实时巡检记录及视频数据发送至后台客户端数据库中;后台客户端将该数据进行处理之后,通过硬件防火墙接入电力系统内网。

Wi-Fi由于缺乏安全防护,存在一定的信息安全风险,如口令被窃取、接入点伪造等,需要通过内嵌安全芯片的无线控制器与微型采集装置的认证与加密、无线控制器与无线接入点之间的认证与加密,建立网络安全通道,以满足变电站机器人接入的网络安全需求。巡检机器人信息安全加固如图3所示。

图3 巡检机器人信息安全加固 Fig.3 Cyber security measures for IRs

具体的安全防护措施包括：

1）巡检机器人内嵌安全芯片,与变电站侧微型安全采集装置通信,并进行身份认证;

2）巡检机器人将实时巡检视频数据通过安全芯片加密后发送至安全接入平台微型装置,通过微型装置进行解密并发送给主站;

3）主站下发的指令通过安全接入平台微型装置进行加密,并发送给巡检机器人,巡检机器人通过公用密钥解密后进行指令操作;

4）后台AP端与巡检机器人采用AirMAX技术[16]进行连接,并且相互锁定MAC地址,从而保证两者间创建唯一连接;

5）在AP端锁定巡检机器人内部网络设备的IP地址和MAC地址,防止其他无线设备接入;

6）在后台AP端,除了隐藏AP端SSID之外,还采用WPA2加密方式进行加密,进一步保证网络安全;

7）为了进一步保证巡检机器人的无线网络安全,在客户端后台另外加装了一台硬件防火墙,将巡检机器人无线网络与国家电网公司内部网络进行隔离。硬件防火墙端同样锁定访问设备的IP和MAC地址,与此同时启动硬件防火墙的多项防护功能,如：①对下联用户访问进行控制;②对用户访问的数据包进行过滤;③对移动用户的身份进行鉴别;④对用户MAC地址进行验证,防止MAC地址欺骗等。

变电站机器人通信控制平台通过104协议与集控站监控平台通信,主动上送各类监测数据、运行数据。其中监测数据包括温度数据、仪表数据、设备外观、设备状态信息等;运行数据包括机器人电量、信号、本体状态、通信状态等。视频类数据采用标准SIP协议B接口进行数据交互。

省电力运检中心监管平台通过WebService接口与集控站监控平台交互PMS设备台帐,并获取以下信息：

1）集控站监控平台提供的设备与机器人的关联关系、监测数据、仪表数据及运行数据、图片信息等;

2）设备缺陷记录数据、台账信息等;

3）变电站站内辅助平台提供的站内各类辅助设备报警、告警（如安防、消防、门禁、水浸等）信息;

WebService约定如下：设备编码、机器人编码以PMS中的17位编码为准;关联关系ID格式为：设备编码_机器人编码_设备部位编码。

机器人监控系统总体功能框架如图4所示,分为机器人管理、任务管理、实时监控、巡检分析、系统设置、系统调试维护六大模块。

图4 机器人监控系统总体功能框架 Fig.4 Functions of IR monitoring control system

1）巡检任务管理。首先建立变电站巡检机器人标准巡检点位库,用户可在此基础上根据实际情况自行添加或减少点位;通过巡检点设备树的勾选及模糊查询筛选功能,快速全面地确定巡检点以及快速生成抄录任务;巡检任务分为全面巡检、例行巡检、专项巡检、特殊巡检等4类。

2）缺陷跟踪。对缺陷设备进行自动跟踪或定点监视。巡检点位预设设备树中有异常标识的点位,用户可在此基础上根据实际情况自行添加或减少点位。

3）远方异常告警确认。在获得PMS系统、站内辅助监控系统的告警信息后,机器人可自主或通过人工调用快速到达指定位置,及时查看并核实报警信息,以便迅速制定应对策略,巡检点位由用户根据异常告警进行设定。

4）远方状态确认。当设备状态发生变化（如设备倒闸操作、事故跳闸等）时,机器人可自主或通过人工调用到达指定位置,及时查看设备分合闸状态,核实设备的运行状态,巡检点位由用户根据操作、跳闸等情况进行设定。

5）安防联动。在获得安防系统的告警信息后,机器人可自主或通过人工调用到达指定位置,判别告警信号类型,启动相应安防巡视任务。用户可根据安防系统最近一次告警所对应的安防点位进行点位设定。

6）协助进行应急事故处理。当变电站内发生设备爆炸等突发情况时,远方运维人员可通过系统导航图点选指定设备建立特巡任务,并发送指令,机器人第一时间深入事故现场,到达指定位置后,将机器人切换至后台遥控模式,遥控调整车身位置,旋转云台方向,快速定位故障区域,并实时录制和读取现场数据,查看相邻设备,利用机器人视频传输向集控站传送现场信息,运维人员在远方可快速掌握现场动态,确定处理方案。

实时监控模块用于实时监视机器人巡检任务执行的整个过程,并可以对机器人做相应控制。任务路线将以不同颜色标示已巡和未巡设备。

1）机器人状态查询。状态显示包含各设备的运行信息、通信状态、电池状态、机器人自身模块信息、环境状态及控制状态等信息。

2）机器人告警查询。机器人告警查询主要实现机器人告警信息的查询、汇总等功能。

3）识别异常点位查询。识别异常点位查询实现识别异常点位的查看、汇总、输出功能。

系统配置管理模块主要实现告警阈值设置、告警消息订阅设置、权限管理、典型巡检点位库维护、巡检点位设置及检修区域设置等功能。

巡检点位库按设备类型共分为28类;按识别类型可分为表计读取、位置状态识别、设备外观查看（数据自动判断）、设备外观查看（可见光图片保存）、红外测温、声音检测等6类;按保存类型可分为红外+可见光图片、可见光图片、音视频3类;小类设备以及点位名称可参考PMS结构进行设置。

巡检点位设置原则要求如下：

1）所有表计类均需设点,并可识别实际结果;

2）所有存在位置状态变化的设备均应设点,并可识别位置状态;

3）所有设备外观均应设点（典型如主变、开关、闸刀等）,包括户外机构箱、端子箱等小箱,并保证清晰度、完整度,必要时可增加取点（如主变元件较多,应对所有元件单独设点）;注油设备应对地面设点;根据设备实际,设备外观查看可分为可识别（包括主变呼吸器硅胶,端子箱、机构箱箱门等）以及不可识别两类;

4）所有电气设备以及设备接头均需设点进行红外测温,保证点位清晰度、完整度,并可识别设备以及接头温度,可根据设备实际情况增设点位;

5）主变声音检测应设多点,结合整体巡检过程进行,保证各方位的声音检测;

6）通过检修区域设置,实现变电站设备检修时对所检修设备和占用的道路进行设置,任务编制时自动封闭相关巡检点位和道路,包括检修设备本身所有巡检点位以及定位在检修区域内对其他设备进行检测的所有巡检点位。检修区域设置应可手动框选,检修区域在巡检地图上以红色边框表示。

通过本文项目的实施,取得了以下具有一定创新性的成果,并取得了良好的效果：

1）在集控站集中存储、集中控制、集中使用多台机器人,可实现一台机器人覆盖集控站所辖变电站,可大大减少运维人员往返于变电站的巡视路程,最大程度地发挥机器人的使用效率;

2）统一开发一套符合无人值守运维实际需求,统一功能界面标准,具备与变电站内生产信息管理系统、站内视频、安防等辅助监控系统联动的变电站巡检机器人三级监控监管系统,有利于机器人后台系统统一标准,推进机器人巡检的深入应用。

(编辑:邹海彬)

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钱平（1979-）,男,浙江金华人,高级工程师,从事变电运检专业管理的研究工作;

徐街明（1980-）,男,浙江杭州人,高级工程师,从事变电站运维管理、智能巡检方面的研究工作;

张永（1984-）,男,山东滨州人,硕士,工程师,从事变电运检管理工作;

章坚民（1962-）,男,浙江杭州人,教授,通信作者,从事智能电网科研与教学工作;

徐晓敏（1990-）,男,浙江淳安人,工程师,从事智能电力系统智能监控开发与应用工作。