0 引言

為了提高生產(chǎn)效率,變電站已大規(guī)模實(shí)現(xiàn)了無人化,并由集控站實(shí)現(xiàn)對所轄變電站的運(yùn)行監(jiān)視和維護(hù)^[1-2],變電站巡檢機(jī)器人（Inspection Robot, IR）應(yīng)運(yùn)而生^[3-8]。變電站巡檢機(jī)器人只是就地巡檢移動(dòng)平臺,其實(shí)時(shí)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?。由于目前尚沒有形成統(tǒng)一的變電站巡檢機(jī)器人信息接口標(biāo)準(zhǔn),也沒有形成統(tǒng)一的變電站機(jī)器人接入平臺,因此變電站和集控站側(cè)必須采用機(jī)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(jī)器人的應(yīng)用效果和工作效率。

機(jī)器人的接入和集中監(jiān)控,涉及到不同的無線通信技術(shù)以及通信協(xié)議：文獻(xiàn)[6]分析了變電站移動(dòng)機(jī)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(shù);文獻(xiàn)[7]提出了利用無線局域網(wǎng)（WLAN）建立機(jī)器人與變電站主機(jī)的通信,并建議以104協(xié)議作為其通信協(xié)議;文獻(xiàn)[8]探討了基于IEC 61850的信息模型擴(kuò)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(huì)話初始協(xié)議（Session Initiation Protocol,SIP）協(xié)議^[9-11]。

本文首先從省運(yùn)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(yùn)維平臺,在省運(yùn)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(jī)器人監(jiān)控運(yùn)維體系;對上述三級監(jiān)控平臺的關(guān)鍵實(shí)現(xiàn)技術(shù),以及監(jiān)控系統(tǒng)功能進(jìn)行了研究和介紹。

 1 三級巡檢多機(jī)器人監(jiān)控平臺實(shí)現(xiàn)技術(shù)

1.1 三級監(jiān)控平臺

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

由于運(yùn)行監(jiān)視在集控站進(jìn)行,因此機(jī)器人監(jiān)控平臺重點(diǎn)設(shè)置在集控站;通過集控站平臺,對所轄變電站進(jìn)行巡檢任務(wù)安排、特殊機(jī)器人的調(diào)度計(jì)劃安排等計(jì)劃性安排,同時(shí)對機(jī)器人上送的信息進(jìn)行分析和及時(shí)響應(yīng)。

在省電力運(yùn)檢中心建立機(jī)器人監(jiān)管平臺,在地區(qū)、縣設(shè)立監(jiān)管分中心,統(tǒng)一納入電力生產(chǎn)運(yùn)行監(jiān)管體系,與其他相關(guān)系統(tǒng)進(jìn)行信息集成和業(yè)務(wù)集成。

圖1給出了變電站巡檢機(jī)器人三級聯(lián)動(dòng)監(jiān)控監(jiān)管體系的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)及通信接口Fig.1 System structure and communication interface

具體說明如下。

1）標(biāo)準(zhǔn)化的機(jī)器人監(jiān)控后臺在變電站、集控站、各運(yùn)檢分中心、省級運(yùn)檢中心均進(jìn)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(jìn)行信息集成和業(yè)務(wù)集成,物理上均在省公司實(shí)現(xiàn),但具體操作可延伸到集控站的工作站上進(jìn)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(jī)器人與監(jiān)控電氣設(shè)備之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系,以此關(guān)聯(lián)關(guān)系將設(shè)備缺陷記錄數(shù)據(jù)存入PMS數(shù)據(jù)庫中,從而實(shí)現(xiàn)巡檢記錄驅(qū)動(dòng)PMS業(yè)務(wù)流程,比如缺陷消缺等。

3）在變電站設(shè)立機(jī)器人通信控制平臺,一方面統(tǒng)一管理與站內(nèi)機(jī)器人的信息流和控制流交互,另一方面統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)與集控站機(jī)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(jī)器人上傳的視頻信息。

4）集控站機(jī)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(jìn)行通信。A接口承載的數(shù)據(jù)包括視頻數(shù)據(jù)、視頻設(shè)備控制命令;集控站監(jiān)控后臺獲取所轄變電站內(nèi)各類輔助設(shè)備的報(bào)警、告警信息^[12],以便在報(bào)警發(fā)生時(shí)可聯(lián)動(dòng)機(jī)器人自動(dòng)對報(bào)警進(jìn)行遠(yuǎn)程或現(xiàn)場確認(rèn)。

1.2 變電站級通信控制平臺

1.2.1 無線網(wǎng)絡(luò)

巡檢機(jī)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(jī)器人客戶端路由器接入電力系統(tǒng)內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的交換機(jī)。路由器連接無線接入點(diǎn)（Access Point,AP）和無人站客戶端,巡檢機(jī)器人車載網(wǎng)絡(luò)設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)（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(luò)設(shè)備包括：

1）車載工控機(jī)：負(fù)責(zé)巡檢機(jī)器人導(dǎo)航系統(tǒng)、任務(wù)系統(tǒng)、傳感系統(tǒng)的調(diào)度;

2）高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)：1 080 P高清網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī),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(jī)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(hù)

任何自動(dòng)化及信息技術(shù)在變電站中應(yīng)用,均要確保變電站的信息安全^[13-15]。機(jī)器人無線網(wǎng)接入變電站有線網(wǎng)后或?qū)＞W(wǎng)運(yùn)行,或直接接入電力內(nèi)網(wǎng),雖然采取了服務(wù)集標(biāo)識（Service Set Identifier,SSID）不廣播、數(shù)據(jù)加密、綁定機(jī)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(nèi)網(wǎng)的安全要求,存在以下終端層、網(wǎng)絡(luò)層、應(yīng)用層風(fēng)險(xiǎn)：

1）終端層：機(jī)器人缺乏身份認(rèn)證,存在非法接入、非法操縱的風(fēng)險(xiǎn);

2）網(wǎng)絡(luò)層：站內(nèi)無線網(wǎng)絡(luò)存在口令被竊取、接入點(diǎn)偽造等風(fēng)險(xiǎn),站內(nèi)私網(wǎng)和站間私網(wǎng)存在信息被竊聽的問題;

3）應(yīng)用層：存在非授權(quán)訪問業(yè)務(wù)應(yīng)用的風(fēng)險(xiǎn)。

因此,機(jī)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(jìn)行身份認(rèn)證、數(shù)據(jù)加密,對數(shù)據(jù)實(shí)行“端到端”防護(hù),確保數(shù)據(jù)不被竊取、終端不被惡意操控。

巡檢機(jī)器人采用2.4 GHz Wi-Fi與后臺AP端進(jìn)行無線通信,將實(shí)時(shí)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(jìn)行處理之后,通過硬件防火墻接入電力系統(tǒng)內(nèi)網(wǎng)。

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

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

具體的安全防護(hù)措施包括：

1）巡檢機(jī)器人內(nèi)嵌安全芯片,與變電站側(cè)微型安全采集裝置通信,并進(jìn)行身份認(rèn)證;

2）巡檢機(jī)器人將實(shí)時(shí)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(jìn)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(jìn)行加密,并發(fā)送給巡檢機(jī)器人,巡檢機(jī)器人通過公用密鑰解密后進(jìn)行指令操作;

4）后臺AP端與巡檢機(jī)器人采用AirMAX技
術(shù)^[16]進(jìn)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(jī)器人內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的IP地址和MAC地址,防止其他無線設(shè)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(jìn)行加密,進(jìn)一步保證網(wǎng)絡(luò)安全;

7）為了進(jìn)一步保證巡檢機(jī)器人的無線網(wǎng)絡(luò)安全,在客戶端后臺另外加裝了一臺硬件防火墻,將巡檢機(jī)器人無線網(wǎng)絡(luò)與國家電網(wǎng)公司內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行隔離。硬件防火墻端同樣鎖定訪問設(shè)備的IP和MAC地址,與此同時(shí)啟動(dòng)硬件防火墻的多項(xiàng)防護(hù)功能,如：①對下聯(lián)用戶訪問進(jìn)行控制;②對用戶訪問的數(shù)據(jù)包進(jìn)行過濾;③對移動(dòng)用戶的身份進(jìn)行鑒別;④對用戶MAC地址進(jìn)行驗(yàn)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(jī)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(dòng)上送各類監(jiān)測數(shù)據(jù)、運(yùn)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(shè)備外觀、設(shè)備狀態(tài)信息等;運(yùn)行數(shù)據(jù)包括機(jī)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(biāo)準(zhǔn)SIP協(xié)議B接口進(jìn)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(yùn)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(shè)備臺帳,并獲取以下信息：

1）集控站監(jiān)控平臺提供的設(shè)備與機(jī)器人的關(guān)聯(lián)關(guān)系、監(jiān)測數(shù)據(jù)、儀表數(shù)據(jù)及運(yùn)行數(shù)據(jù)、圖片信息等;

2）設(shè)備缺陷記錄數(shù)據(jù)、臺賬信息等;

3）變電站站內(nèi)輔助平臺提供的站內(nèi)各類輔助設(shè)備報(bào)警、告警（如安防、消防、門禁、水浸等）信息;

WebService約定如下：設(shè)備編碼、機(jī)器人編碼以PMS中的17位編碼為準(zhǔn);關(guān)聯(lián)關(guān)系ID格式為：設(shè)備編碼_機(jī)器人編碼_設(shè)備部位編碼。

 2 集控站監(jiān)控系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)功能框架

機(jī)器人監(jiān)控系統(tǒng)總體功能框架如圖4所示,分為機(jī)器人管理、任務(wù)管理、實(shí)時(shí)監(jiān)控、巡檢分析、系統(tǒng)設(shè)置、系統(tǒng)調(diào)試維護(hù)六大模塊。

圖4 機(jī)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(wù)管理

1）巡檢任務(wù)管理。首先建立變電站巡檢機(jī)器人標(biāo)準(zhǔn)巡檢點(diǎn)位庫,用戶可在此基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際情況自行添加或減少點(diǎn)位;通過巡檢點(diǎn)設(shè)備樹的勾選及模糊查詢篩選功能,快速全面地確定巡檢點(diǎn)以及快速生成抄錄任務(wù);巡檢任務(wù)分為全面巡檢、例行巡檢、專項(xiàng)巡檢、特殊巡檢等4類。

2）缺陷跟蹤。對缺陷設(shè)備進(jìn)行自動(dòng)跟蹤或定點(diǎn)監(jiān)視。巡檢點(diǎn)位預(yù)設(shè)設(shè)備樹中有異常標(biāo)識的點(diǎn)位,用戶可在此基礎(chǔ)上根據(jù)實(shí)際情況自行添加或減