0 引言

為了提高生產(chǎn)效率,變電站已大規(guī)模實現(xiàn)了無人化,并由集控站實現(xiàn)對所轄變電站的運行監(jiān)視和維護^[1-2],變電站巡檢機器人（Inspection Robot, IR）應運而生^[3-8]。變電站巡檢機器人只是就地巡檢移動平臺,其實時采集的各類數(shù)據(jù)還需要在各變電站匯集,并通過光纖傳輸?shù)郊卣尽Ｓ捎谀壳吧袥]有形成統(tǒng)一的變電站巡檢機器人信息接口標準,也沒有形成統(tǒng)一的變電站機器人接入平臺,因此變電站和集控站側必須采用機器人廠商提供的各自不同的后臺系統(tǒng),系統(tǒng)功能乃至界面不統(tǒng)一,極大地影響了機器人的應用效果和工作效率。

機器人的接入和集中監(jiān)控,涉及到不同的無線通信技術以及通信協(xié)議：文獻[6]分析了變電站移動機器人的通信環(huán)境,推薦采用如Zigbee、RFID、Wi-Fi等短距離無線技術;文獻[7]提出了利用無線局域網(wǎng)（WLAN）建立機器人與變電站主機的通信,并建議以104協(xié)議作為其通信協(xié)議;文獻[8]探討了基于IEC 61850的信息模型擴展,但使用IEC 61850 MMS協(xié)議用于無線通信,其通信效率較低;對于視頻信息傳輸,一般統(tǒng)一采用會話初始協(xié)議（Session Initiation Protocol,SIP）協(xié)議^[9-11]。

本文首先從省運檢中心—集控站—變電站三級需求出發(fā),提出在變電站建立統(tǒng)一通信控制平臺,在集控站建立統(tǒng)一監(jiān)控運維平臺,在省運檢中心建立統(tǒng)一監(jiān)管和數(shù)據(jù)中心的三級縱向貫通、橫向集成的變電站巡檢機器人監(jiān)控運維體系;對上述三級監(jiān)控平臺的關鍵實現(xiàn)技術,以及監(jiān)控系統(tǒng)功能進行了研究和介紹。

 1 三級巡檢多機器人監(jiān)控平臺實現(xiàn)技術

1.1 三級監(jiān)控平臺

機器人巡檢場所均在變電站范圍內,因此必須也只能在變電站內才能建立機器人通信控制平臺。同時變電站仍是主設備的檢修場合,在發(fā)現(xiàn)重大問題后,運行檢修人員還需要到變電站進行復檢,因此在變電站設立機器人監(jiān)控系統(tǒng)仍然是必需的。

由于運行監(jiān)視在集控站進行,因此機器人監(jiān)控平臺重點設置在集控站;通過集控站平臺,對所轄變電站進行巡檢任務安排、特殊機器人的調度計劃安排等計劃性安排,同時對機器人上送的信息進行分析和及時響應。

在省電力運檢中心建立機器人監(jiān)管平臺,在地區(qū)、縣設立監(jiān)管分中心,統(tǒng)一納入電力生產(chǎn)運行監(jiān)管體系,與其他相關系統(tǒng)進行信息集成和業(yè)務集成。

圖1給出了變電站巡檢機器人三級聯(lián)動監(jiān)控監(jiān)管體系的系統(tǒng)結構及通信接口示意圖,體現(xiàn)了縱向貫通、橫向集成的基本原則。

圖1 系統(tǒng)結構及通信接口Fig.1 System structure and communication interface

具體說明如下。

1）標準化的機器人監(jiān)控后臺在變電站、集控站、各運檢分中心、省級運檢中心均進行部署。

2）由于取消了地、縣公司的數(shù)據(jù)部署,只有在省公司才能進行信息集成和業(yè)務集成,物理上均在省公司實現(xiàn),但具體操作可延伸到集控站的工作站上進行。在省公司,生產(chǎn)管理系統(tǒng)（Product Management System, PMS）通過Web Service接口接收由集控站定義的機器人與監(jiān)控電氣設備之間的關聯(lián)關系,以此關聯(lián)關系將設備缺陷記錄數(shù)據(jù)存入PMS數(shù)據(jù)庫中,從而實現(xiàn)巡檢記錄驅動PMS業(yè)務流程,比如缺陷消缺等。

3）在變電站設立機器人通信控制平臺,一方面統(tǒng)一管理與站內機器人的信息流和控制流交互,另一方面統(tǒng)一實現(xiàn)與集控站機器人監(jiān)控平臺的通信信息交互,并以B接口和SIP協(xié)議向集控站傳送機器人上傳的視頻信息。

4）集控站機器人監(jiān)控平臺以B/S客戶端方式,采用SIP協(xié)議A接口,與國網(wǎng)的視頻統(tǒng)一平臺進行通信。A接口承載的數(shù)據(jù)包括視頻數(shù)據(jù)、視頻設備控制命令;集控站監(jiān)控后臺獲取所轄變電站內各類輔助設備的報警、告警信息^[12],以便在報警發(fā)生時可聯(lián)動機器人自動對報警進行遠程或現(xiàn)場確認。

1.2 變電站級通信控制平臺

1.2.1 無線網(wǎng)絡

巡檢機器人由在變電站搭建的無線局域網(wǎng)連接入網(wǎng),典型無線組網(wǎng)方案如圖2所示,其中巡檢機器人客戶端路由器接入電力系統(tǒng)內部網(wǎng)絡的交換機。路由器連接無線接入點（Access Point,AP）和無人站客戶端,巡檢機器人車載網(wǎng)絡設備通過無線網(wǎng)絡（工業(yè)無線AC-AP連接）與無人站客戶端建立通信。車載網(wǎng)絡設備包括：

1）車載工控機：負責巡檢機器人導航系統(tǒng)、任務系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)的調度;

2）高清網(wǎng)絡攝像機：1 080 P高清網(wǎng)絡攝像機,傳輸H.264高清數(shù)字視頻;

3）紅外熱像儀：FLIR紅外熱像儀,傳輸640×480紅外視頻及單幀熱圖數(shù)據(jù)。

圖2 變電站巡檢機器人典型無線組網(wǎng)示意Fig.2 Substation typical wireless network for IRs

1.2.2 信息安全防護

任何自動化及信息技術在變電站中應用,均要確保變電站的信息安全^[13-15]。機器人無線網(wǎng)接入變電站有線網(wǎng)后或專網(wǎng)運行,或直接接入電力內網(wǎng),雖然采取了服務集標識（Service Set Identifier,SSID）不廣播、數(shù)據(jù)加密、綁定機器人MAC及IP等安全防范措施,仍不能完全滿足國家電網(wǎng)公司對終端通過無線接入內網(wǎng)的安全要求,存在以下終端層、網(wǎng)絡層、應用層風險：

1）終端層：機器人缺乏身份認證,存在非法接入、非法操縱的風險;

2）網(wǎng)絡層：站內無線網(wǎng)絡存在口令被竊取、接入點偽造等風險,站內私網(wǎng)和站間私網(wǎng)存在信息被竊聽的問題;

3）應用層：存在非授權訪問業(yè)務應用的風險。

因此,機器人需要通過集成接入代理模塊與變電站邊界的微型采集裝置進行身份認證、數(shù)據(jù)加密,對數(shù)據(jù)實行“端到端”防護,確保數(shù)據(jù)不被竊取、終端不被惡意操控。

巡檢機器人采用2.4 GHz Wi-Fi與后臺AP端進行無線通信,將實時巡檢記錄及視頻數(shù)據(jù)發(fā)送至后臺客戶端數(shù)據(jù)庫中;后臺客戶端將該數(shù)據(jù)進行處理之后,通過硬件防火墻接入電力系統(tǒng)內網(wǎng)。

Wi-Fi由于缺乏安全防護,存在一定的信息安全風險,如口令被竊取、接入點偽造等,需要通過內嵌安全芯片的無線控制器與微型采集裝置的認證與加密、無線控制器與無線接入點之間的認證與加密,建立網(wǎng)絡安全通道,以滿足變電站機器人接入的網(wǎng)絡安全需求。巡檢機器人信息安全加固如圖3所示。

圖3 巡檢機器人信息安全加固Fig.3 Cyber security measures for IRs

具體的安全防護措施包括：

1）巡檢機器人內嵌安全芯片,與變電站側微型安全采集裝置通信,并進行身份認證;

2）巡檢機器人將實時巡檢視頻數(shù)據(jù)通過安全芯片加密后發(fā)送至安全接入平臺微型裝置,通過微型裝置進行解密并發(fā)送給主站;

3）主站下發(fā)的指令通過安全接入平臺微型裝置進行加密,并發(fā)送給巡檢機器人,巡檢機器人通過公用密鑰解密后進行指令操作;

4）后臺AP端與巡檢機器人采用AirMAX技
術^[16]進行連接,并且相互鎖定MAC地址,從而保證兩者間創(chuàng)建唯一連接;

5）在AP端鎖定巡檢機器人內部網(wǎng)絡設備的IP地址和MAC地址,防止其他無線設備接入;

6）在后臺AP端,除了隱藏AP端SSID之外,還采用WPA2加密方式進行加密,進一步保證網(wǎng)絡安全;

7）為了進一步保證巡檢機器人的無線網(wǎng)絡安全,在客戶端后臺另外加裝了一臺硬件防火墻,將巡檢機器人無線網(wǎng)絡與國家電網(wǎng)公司內部網(wǎng)絡進行隔離。硬件防火墻端同樣鎖定訪問設備的IP和MAC地址,與此同時啟動硬件防火墻的多項防護功能,如：①對下聯(lián)用戶訪問進行控制;②對用戶訪問的數(shù)據(jù)包進行過濾;③對移動用戶的身份進行鑒別;④對用戶MAC地址進行驗證,防止MAC地址欺騙等。

1.3 集控站監(jiān)控平臺與變電站通信控制平臺的通信

變電站機器人通信控制平臺通過104協(xié)議與集控站監(jiān)控平臺通信,主動上送各類監(jiān)測數(shù)據(jù)、運行數(shù)據(jù)。其中監(jiān)測數(shù)據(jù)包括溫度數(shù)據(jù)、儀表數(shù)據(jù)、設備外觀、設備狀態(tài)信息等;運行數(shù)據(jù)包括機器人電量、信號、本體狀態(tài)、通信狀態(tài)等。視頻類數(shù)據(jù)采用標準SIP協(xié)議B接口進行數(shù)據(jù)交互。

1.4 集控站監(jiān)控平臺與省公司監(jiān)管平臺的通信

省電力運檢中心監(jiān)管平臺通過WebService接口與集控站監(jiān)控平臺交互PMS設備臺帳,并獲取以下信息：

1）集控站監(jiān)控平臺提供的設備與機器人的關聯(lián)關系、監(jiān)測數(shù)據(jù)、儀表數(shù)據(jù)及運行數(shù)據(jù)、圖片信息等;

2）設備缺陷記錄數(shù)據(jù)、臺賬信息等;

3）變電站站內輔助平臺提供的站內各類輔助設備報警、告警（如安防、消防、門禁、水浸等）信息;

WebService約定如下：設備編碼、機器人編碼以PMS中的17位編碼為準;關聯(lián)關系ID格式為：設備編碼_機器人編碼_設備部位編碼。

 2 集控站監(jiān)控系統(tǒng)功能及特點

2.1 系統(tǒng)功能框架

機器人監(jiān)控系統(tǒng)總體功能框架如圖4所示,分為機器人管理、任務管理、實時監(jiān)控、巡檢分析、系統(tǒng)設置、系統(tǒng)調試維護六大模塊。

圖4 機器人監(jiān)控系統(tǒng)總體功能框架Fig.4 Functions of IR monitoring control system

2.2 任務管理

1）巡檢任務管理。首先建立變電站巡檢機器人標準巡檢點位庫,用戶可在此基礎上根據(jù)實際情況自行添加或減少點位;通過巡檢點設備樹的勾選及模糊查詢篩選功能,快速全面地確定巡檢點以及快速生成抄錄任務;巡檢任務分為全面巡檢、例行巡檢、專項巡檢、特殊巡檢等4類。

2）缺陷跟蹤。對缺陷設備進行自動跟蹤或定點監(jiān)視。巡檢點位預設設備樹中有異常標識的點位,用戶可在此基礎上根據(jù)實際情況自行添加或減