引言
近年来，随着风电、光伏等新能源的大量并网，电网频率稳定受到了新的挑战。电化学储能具有响应速度快（ms级）、有功、无功独立调节、选址范围广、建设周期短、扩容容易等优点，可有效解决高比例可再生能源发电带来的电力系统安全和稳定问题，清洁的可再生能源发电与储能技术相结合是解决环境污染、减少碳排放和用电安全可靠性等问题的关键[1-3]。
电化学储能电站主要由若干个储能单元并联组成，储能单元一般由电池组和储能变流器构成，在储能电站内电池和储能变流器以预制舱的形式出现[4]。随着储能电站规模的扩大，预制舱的数目会不断增加，巡检人员的工作量会大幅增加。电池组是一种含高能物质的部件，具有危险性的本质。国内外均有个别储能电站出现着火、爆炸事故的案例[5-6]。随着电池比能量和比功率的提高，发生事故的危险性将增大。传统人工巡检巡检方式，在很大程度上依赖于巡检人员的感官判断和现场经验，存在效率偏低，及时性、安全性不高，可靠性、稳定性偏弱等问题，特别是很难发现存在缺陷和隐患的设备[7-8]。
针对上述问题，本文将开发一套电化学储能舱智能巡检系统，主要以智能巡检机器人为核心，替代传统人工巡检方式，可以有效地检测电池舱内温度、运行状态、可燃气体等，防止电池舱异常爆炸造成人身和设备伤害。该智能系统集移动视频巡检、红外测温、可燃气体检测、环境监控、数据智能分析等功能于一体，实现电化学储能舱的智能管控，提高巡检工作效率，降低巡检成本，增强巡检作业的安全性。
1 智能巡检系统构成
智能巡检系统主要由数据信息采集层、数据传输层以及数据应用管理层三个方面组成，主要包括智能巡检机器人、轨道系统、供电系统、导航定位系统、通讯系统和后台监控管理系统等，如图1所示。
图1 智能巡检系统
1.1 数据信息采集层
轨道式巡检机器人是整个巡检系统的核心组成部分，机器人本体搭载360°双光云台、红外热像仪、可燃气体（主要包括H2、CH4、CO等气体）传感器、烟雾、环境监测等传感器，用于采集电化学储能舱内设备图像、红外温度、可燃气体浓度、温度、湿度等环境信息。
轨道系统采用自动行走的悬挂轨道式设计，轨道竖向尺寸小，整体安装尺寸需求空间小，工程施工方便。轨道材料为铝合金型材，具备优良的表面抗腐蚀能力和表面硬度，在满足机器人顺畅通行的前提下，增加了耐磨性。此外，轨道可根据现场实际情况进行0～90°弯曲。
供电系统采用高性能锂电池为智能巡检机器人本体供电，充电桩安装在铝型材轨道上，供电系统直接从储能舱配电柜取电，输入电压220V/50Hz。机器人供电模块采用滤波技术，滤除外界电网的高频脉冲对电源的干扰，使机器人获得稳定的电源。具备自主充电功能，可以实现当机器人检测到电量不足时，自主返回充电桩进行充电。
导航定位系统在巡检机器人运动过程中通过伺服电机里程码盘（脉冲）和RFID结合的方式进行定位和路径校核，保证智能巡检机器人控制器和后台监控管理系统可以实时了解机器人的位置信息。
1.2 数据传输层
通讯系统主要是智能巡检机器人本体采集的信息与后台监控管理系统之间的网络连接。在电化学储能舱部署无线通讯设备，机器人与无线通讯设备之间通过无线网络通讯，在无线通讯设备与后台监控管理系统敷设光缆，通过光缆与后台监控管理系统实时通讯。通信系统可提供不小于200Mbps有效网络带宽，可以保证巡检机器人系统所有的控制信号、视频数据、音频数据及报警信息等各类数据传输。
1.3 数据应用管理层
数据应用管理层主要包含后台服务器、显示器、交换机等硬件及后台软件等，即后台监控管理系统。机器人后台监控管理系统包括机器人系统管理、机器人任务管理、机器人运行实时监控、巡检结果确认、巡检结果分析、用户设置、机器人系统调试维护等模块。
2 智能巡检系统主要功能
2.1 视频识别
如图2所示，视频识别是挂轨式巡检机器人系统的核心功能之一，通过机器人自身携带的360°双光云台摄像机，完成视频图像的数据采集，通过自主开发的高精度图像识别算法，对视频数据进行智能分析处理，识别视频内容。目前，视频识别功能能够准确识别电池舱内的仪表、开关、指示灯、设备外观等多种信息，从而全面掌握电池舱电力设备及环境的状态信息。
图2 视频识别图
2.2 红外测温
如图3所示，巡检机器人利用自身携带的红外热成像仪对电池舱内电力设备温度数据进行采集，然后将采集的数据进行分析，进而诊断出致热型设备故障及热缺陷，触发相应报警。巡检任务执行完成后会自动生成任务报表，实现对储能舱设备及环境温度的高密度、高颗粒度检测与多维度分析管理。
图3 红外测温图
2.3 可燃气体检测
巡检机器人自身携带的环境监测模块，具备监测环境中的温度、湿度、烟雾、可燃气体（主要包括H2、CH4、CO等气体）等环境信息。机器人将实时采集的环境信息及时传输到后台监控管理系统，为运行检修人员提供现场环境信息，当监测到可燃气体超标时，系统将进行报警，以提示运维人员及时处理。
2.4 机器人任务管理
如图4所示，在后台监控管理系统中，将任务管理分成全面巡检、例行巡检、专项巡检、特殊巡检、自定义任务、以及任务展示等6大模块，每个大模块又拆分为不同的小模块，可以根据各种情况建立不同类型的任务。在任务系统中既可以手动进行任务的执行也可按照日程进行任务分配执行实现自动巡检功能。
图4 后台监控管理系统
2.5 巡检功能
（1）自动巡检
自动巡检是巡检机器人按照预设规划路径自动巡视方式，具有高度自动化和智能化的特征，从而代替人工巡检，流程图如图5所示。自动巡检的模式主要有：定时巡检、例行巡检、特殊巡检、单次巡检等，各种模式支持互相切换。机器人按照既定的规则完成储能舱各处设备可见光拍照、视频识别、红外测温及环境监测等巡检活动并将巡检数据自动传输到后台管理系统保存，生成检测分析报告。针对特定的巡检点，可由巡检人员根据储能舱巡测需要的检测点，实现特定的巡检需求。
图5 自动巡检流程图
（2）人工遥控巡检
巡检机器人除自动巡检外，还可以通过人工遥控巡检的方式对机器人进行实时遥控。该项应用模式适用于运维人员以及管理单位需要对某类设备的状态进行锁定与监测，尤其对于在机器人自主巡检过程中如检测到设备、环境状态异常并向运维人员告警时，运维人员可以在第一时间使用管理后台的人工遥控界面，操控机器人快速到达异常设备位置，及时对异常设备进行查看并核实报警信息，以便迅速制定响应策略。
2.6 安全预警
巡检机器人在巡检过程中，通过数值分析、阈值对比、趋势分析、数据库等相关技术，对异常数据进行自动预警。预警信息通过界面告警和声光告警两种方式呈现。当后台分析数据显示为异常时，后台监控软件界面会出现告警信息列表，同时系统通过巡检机器人告警音频及灯光闪烁，提醒运维人员注意。
2.7 数据统计
如图6所示，后台监控管理系统具备对监控数据进行储存、分析、统计、检索的功能。监控系统对数据进行标准化的整理与排序，支持excel报表导出保存。运维人员可根据任务或监控点在监控平台内对数据进行检索，快速查看监控数据。
图6 数据统计图
2.8 报表输出
巡检机器人在执行完一个任务之后都会自动生成报表，运维人员可以在监控平台根据时间、巡检类型、任务名称等进行检索并查看报表，包括巡检任务报表、数据报表、报警记录报表、环境信息报表等。
3 智能巡检系统关键技术分析
3.1 红外热成像AI智能测温算法
采用基于K最邻近法（KNN）机器学习算法的红外图谱识别技术，机器人在现场巡检拍摄完成设备红外图谱后，将拍摄图谱照片传入后台监控系统，系统会根据传入的图谱，进行图谱的自动识别并读取图谱温度，将每次图谱读取数据进行保存，在下次同一设备测温读取数据后进行2次数据的自动对比诊。
3.2 基于深度学习的图像识别算法
采用基于卷积神经网络（CNN）深度学习算法的图像识别技术，卷积神经网络（CNN）由若干个卷积层及全连接层组成，并且包括相关权值和池化层，CNN的这种结构能够充分利用数据的二维结构，使得识别图像具有较高的准确率。CNN还使用标准的反向传播算法进行训练，具有较少的参数估计，相较其他深度模型也更容易训练。
3.3 基于HMM与神经网络技术的特征声音识别算法
HMM的特点是能够有效地提取时序特征，但仅能够用到各个模型中的累积概率最大的状态，而并没有充分利用其它状态的累积概率，同时还忽略了各个模式之间相似特征，从而影响了HMM识别的性能。将自组织神经网络改进后用于HMM声音识别，并利用自组织神经网络能够确定样本空间概率聚类中心的自组织能力对声音进行识别，提高了识别速度。
4 应用效果
在某电厂电化学储能舱安装智能巡检系统，如图7所示。实施效果表明，智能巡检系统具有视频识别、红外测温、环境监测、可燃气体检测、安全预警等功能，能够实现智能巡检、数据统计分析、报表输出等功能，为运维人员全面掌握储能舱状态提供可靠数据。
图7 巡检机器人安装效果图
5 结语
电化学储能舱智能巡检系统的应用解决了传统人工巡检方式效率偏低，及时性、安全性不高，可靠性、稳定性偏弱等问题，可以有效地检测电池舱内温度、运行状态、可燃气体等，防止电池舱异常爆炸造成人身和设备伤害，增强巡检作业的安全性，实现电化学储能舱的智能管控，提高了电化学储能电站的安全可靠性。
参考文献：
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