变电站巡检机器人监控系统实现技术与应用功能设计

 0 引言

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。

 1 三级巡检多机器人监控平台实现技术

1.1 三级监控平台

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。

1.2 变电站级通信控制平台

1.2.1 无线网络

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

1.2.2 信息安全防护

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。

1.3 集控站监控平台与变电站通信控制平台的通信

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。

1.4 集控站监控平台与省公司监管平台的通信

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。

 2 集控站监控系统功能及特点

2.1 系统功能框架

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

2.2 任务管理

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