變電站機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和關(guān)鍵技術(shù)

研發(fā)了一套變電站機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)，從機(jī)器人本體、充電系統(tǒng)、無(wú)線傳輸系統(tǒng)、本地監(jiān)控后臺(tái)和環(huán)境適應(yīng)性等方面介紹了巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和各組成部分的關(guān)鍵技術(shù)。從現(xiàn)場(chǎng)勘查、設(shè)備安裝、巡檢規(guī)劃和巡檢應(yīng)用等方面介紹了工程實(shí)施步驟和在電網(wǎng)220 kV、500 kV變電站的實(shí)際應(yīng)用情況。分析了機(jī)器人巡檢調(diào)試過(guò)程中存在的行進(jìn)時(shí)出軌、無(wú)線通信不穩(wěn)定、表計(jì)讀取不準(zhǔn)確、行走轉(zhuǎn)彎卡澀等問(wèn)題，并提出了解決措施。該巡檢系統(tǒng)具有部署快速、適應(yīng)性強(qiáng)、采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、定位精度高、超聲防撞等顯著優(yōu)點(diǎn)，各項(xiàng)性能指標(biāo)均滿足變電站智能巡檢需求，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

引言

隨著電網(wǎng)規(guī)模的增大、電壓等級(jí)的提高，對(duì)供電安全可靠性要求也更加嚴(yán)格，變電站正常運(yùn)行成為保障電力系統(tǒng)供電安全的重要環(huán)節(jié)[1-2]。目前中國(guó)電網(wǎng)主要采用人工巡檢作業(yè)方式，即采用人工巡視、手工記錄的模式對(duì)運(yùn)行中的變電設(shè)備進(jìn)行檢查。人工巡檢存在勞動(dòng)強(qiáng)度大、工作效率低、巡檢質(zhì)量不穩(wěn)定等缺點(diǎn)，惡劣氣象條件對(duì)巡檢人員身體也存在危害[3-5]。近年來(lái)，采用機(jī)器人巡檢代替人工巡檢模式已成為變電站巡檢發(fā)展的熱點(diǎn)方向[6-8]。

國(guó)外較早開(kāi)展變電站機(jī)器人研究工作。日本在20世紀(jì)80年代開(kāi)始研制的變電站巡檢機(jī)器人使用可見(jiàn)光和紅外傳感器對(duì)變電站設(shè)備進(jìn)行巡檢，實(shí)現(xiàn)對(duì)巡檢數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)處理[9-10]。加拿大魁北克研制的變電站巡檢機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控，可在后臺(tái)對(duì)機(jī)器人進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和遠(yuǎn)程操作[11]。巴西研制了在變電站高空行走軌道移動(dòng)的熱點(diǎn)監(jiān)測(cè)機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了變電設(shè)備異常發(fā)熱的紅外檢測(cè)[12]。

國(guó)內(nèi)山東省電力公司于1999年最早開(kāi)始變電站巡檢機(jī)器人研究，并于2004年研制成功第1臺(tái)功能樣機(jī)，后在國(guó)家863項(xiàng)目支持下研制出變電站巡檢機(jī)器人[13]。2012年重慶電力公司在500 kV巴南變電站成功應(yīng)用機(jī)器人進(jìn)行自主巡檢作業(yè)。2014年浙江國(guó)自機(jī)器人公司研制的機(jī)器人在瑞安變電站投運(yùn)。目前，中國(guó)在變電站機(jī)器人巡檢領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足進(jìn)展，但在多傳感器綜合探測(cè)、四輪驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)、綜合導(dǎo)航和精確對(duì)準(zhǔn)、故障精確診斷等技術(shù)方面還存在瓶頸[14-15]。

基于上述關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)，研發(fā)了一套變電站機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)。本文介紹巡檢系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案和組成部分，論述巡檢系統(tǒng)各部分關(guān)鍵技術(shù)，說(shuō)明變電站機(jī)器人巡檢工程實(shí)施細(xì)節(jié)和在220 kV清遠(yuǎn)站和500 kV五邑站巡檢應(yīng)用情況，分析巡檢應(yīng)用存在的問(wèn)題并提出解決措施。研發(fā)的變電站機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)在后續(xù)巡檢應(yīng)用中能較好地完成巡檢任務(wù)，取得良好的巡檢效果，具有良好的推廣應(yīng)用前景。

1 機(jī)器人巡檢系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 巡檢系統(tǒng)組成

機(jī)器人巡檢系統(tǒng)由機(jī)器人本體、充電系統(tǒng)、無(wú)線傳輸系統(tǒng)、本體監(jiān)控后臺(tái)及輔助設(shè)施組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：(1)使用無(wú)軌導(dǎo)航方式，實(shí)現(xiàn)快速部署，可方便站間調(diào)配;(2)采用四輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，適應(yīng)于各種復(fù)雜環(huán)境，提供高清晰度紅外及可見(jiàn)光視頻圖像，測(cè)溫精度達(dá)0.5 ℃;(3)采用基于激光雷達(dá)和慣導(dǎo)組合的精確地形匹配的導(dǎo)航方案，定位精度達(dá)到1 cm;(4)超聲防撞，提供高可靠性安全保障，可原地全方位運(yùn)動(dòng)，為巡檢提供更強(qiáng)的易用性。

1.2 機(jī)器人本體

機(jī)器人本體由外形結(jié)構(gòu)部件、運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、傳感器系統(tǒng)和導(dǎo)航系統(tǒng)組成。

1.2.1 外形結(jié)構(gòu)部件

機(jī)器人外形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以簡(jiǎn)潔實(shí)用、硬朗可靠為基本原則，配合良好的平面切割技術(shù)，兼顧重量、穩(wěn)定性和防護(hù)等級(jí)要求;表面采用噴塑和陽(yáng)極氧化工藝處理，具有較強(qiáng)的防腐性能;機(jī)器人結(jié)構(gòu)大量采用鋁合金材料，重量小于100 kg。

1.2.2 運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要由運(yùn)動(dòng)控制器、電機(jī)驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)、減速器、車輪、超聲波避障模塊、手動(dòng)遙控模塊、狀態(tài)指示燈等組成，如圖2所示。

運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控后臺(tái)的通信以及對(duì)車體及云臺(tái)的控制功能，實(shí)時(shí)接收車體、云臺(tái)狀態(tài)信息并上傳，其工作流程如圖3所示。

為適應(yīng)變電站戶外運(yùn)行需求，機(jī)器人車體選用輪式四輪驅(qū)動(dòng)，在運(yùn)動(dòng)控制中應(yīng)用PID控制及PMSM矢量控制算法進(jìn)行車體控制，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)速精確控制和轉(zhuǎn)矩快速響應(yīng)，保證了控制算法的成熟性和穩(wěn)定性。4輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)及柔性匹配控制實(shí)現(xiàn)了零轉(zhuǎn)彎半徑，原地360°旋轉(zhuǎn)，現(xiàn)場(chǎng)路徑規(guī)劃靈活，環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)。驅(qū)動(dòng)電機(jī)使用低磁阻大扭矩驅(qū)動(dòng)電機(jī)，系統(tǒng)調(diào)速范圍寬、效率高、可靠性好，機(jī)器人最大運(yùn)行速度可達(dá)1.1 m/s，可越過(guò)10 cm障礙物、爬坡能力達(dá)到25°。

1.2.3 供電系統(tǒng)

(1)電池選型。采用磷酸鐵鋰電池供電，電池額定電壓36 V，電池容量50 Ah，為滿足電池充放電及儲(chǔ)運(yùn)狀態(tài)下的安全要求，電池安裝在防爆、阻燃材料制作的專用電池箱內(nèi)。

(2)電源管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)。鋰電池組電源管理系統(tǒng)(BMS)采用集中式管理。BMS由主控單元(CMU)和若干個(gè)監(jiān)控單元(BMU)組成。BMU檢測(cè)和均衡管理電池模塊的電壓和溫度，并將數(shù)據(jù)傳給CMU。CMU檢測(cè)鋰電池組的總電壓、總電流及絕緣度，負(fù)責(zé)與機(jī)器人控制系統(tǒng)及充電機(jī)通信，對(duì)電池組充放電進(jìn)行保護(hù)。

(3)BMS性能改進(jìn)。鋰電池間各個(gè)參數(shù)不可避免地存在一些微小差異，由于內(nèi)阻、自放電影響及充放電次數(shù)增多，電池間參數(shù)差異會(huì)放大，將減少鋰電池壽命甚至產(chǎn)生電源安全隱患。通過(guò)BMS實(shí)施均衡管理，電池組將保持較好的一致性，可延長(zhǎng)電池壽命和降低成本，確保電池一次充電后續(xù)航能力不小于5 h，提高系統(tǒng)可靠性和穩(wěn)定性。

1.2.4 傳感器系統(tǒng)

(1)可見(jiàn)光探測(cè)?？梢?jiàn)光攝像機(jī)用于觀察設(shè)備外觀和讀取儀表數(shù)值，具備自動(dòng)或手動(dòng)對(duì)焦功能，視頻分辨率達(dá)1 080 p，光學(xué)變焦倍數(shù)達(dá)30倍。采用自動(dòng)光圈設(shè)計(jì)，通過(guò)檢測(cè)視頻信號(hào)平均值，自動(dòng)控制鏡頭光圈的擴(kuò)大或縮小，即可在不同照度下獲得標(biāo)準(zhǔn)視頻信號(hào)電平。機(jī)器人云臺(tái)上安裝了強(qiáng)光LED照明燈和雨刷器，實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光夜間和雨天探測(cè)。照明燈和雨刷器由本地監(jiān)控后臺(tái)或遠(yuǎn)程集控后臺(tái)進(jìn)行控制。

(2)紅外熱像探測(cè)。紅外熱像儀的紅外探測(cè)器接收物體輻射熱量，把它轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)后續(xù)放大、濾波、模數(shù)轉(zhuǎn)換，CPU處理后在圖像顯示器上顯示。在實(shí)際測(cè)溫中，首先采用高精度黑體進(jìn)行標(biāo)定，找出黑體溫度與圖像灰度值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。紅外熱成像儀具備自動(dòng)對(duì)焦功能，可在實(shí)時(shí)影像中疊加顯示溫度最高點(diǎn)位置及溫度值，紅外熱像儀熱靈敏度優(yōu)于50 mK，測(cè)溫精度優(yōu)于2 K。

(3)聲音探測(cè)。機(jī)器人安裝有擴(kuò)音器和麥克，可實(shí)現(xiàn)與監(jiān)控后臺(tái)雙向語(yǔ)音對(duì)講和現(xiàn)場(chǎng)聲音采集。同時(shí)，通過(guò)采集運(yùn)行設(shè)備的正常和異常聲音，提取出聲音的特征參數(shù)，建立正常和異常聲音模型庫(kù)。將機(jī)器人采集的噪聲數(shù)據(jù)傳送到控制后臺(tái)，基于音頻診斷軟件和模型庫(kù)進(jìn)行運(yùn)行狀態(tài)識(shí)別，判斷設(shè)備異常聲音，并發(fā)出警報(bào)。診斷流程如圖4所示。

聲音分析軟件主要由信號(hào)處理、信號(hào)特征提取和信號(hào)顯示等部分組成。信號(hào)處理部分包括端點(diǎn)檢測(cè)、分幀和加窗。端點(diǎn)檢測(cè)用來(lái)檢測(cè)輸入聲音信號(hào)中的有效語(yǔ)音成分，采用倒譜特征法;分幀是將原始語(yǔ)音信號(hào)分為小段，并做幀移處理;加窗是在分幀之后使頻譜平滑、防止高頻泄漏。信號(hào)特征提取過(guò)程包括FFT求取功率譜、帶通濾波器組、求取對(duì)數(shù)能量、離散余弦變換和提取一階差分MFCC系數(shù)。顯示部分能夠顯示被測(cè)聲音中各個(gè)頻率的數(shù)字化信號(hào)圖形。

(4)全方位智能云臺(tái)。云臺(tái)安裝在機(jī)器人平臺(tái)上方，用于承載可見(jiàn)光、紅外以及聲音傳感器。云臺(tái)以直流伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，使云臺(tái)具有水平和垂直2個(gè)相互獨(dú)立的旋轉(zhuǎn)自由度。云臺(tái)俯仰框裝有紅外和可見(jiàn)光光窗。云臺(tái)運(yùn)動(dòng)控制核心部分采用數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)芯片，該芯片負(fù)責(zé)水平和俯仰2個(gè)自由度的電機(jī)運(yùn)動(dòng)控制以及與接口轉(zhuǎn)換模塊通信。云臺(tái)主要性能指標(biāo)滿足如下要求：云臺(tái)預(yù)置位數(shù)量≥10 000個(gè)，垂直運(yùn)動(dòng)范圍–30°~+90°，水平運(yùn)動(dòng)范圍0°~+360°連續(xù)，定位精度±0.1°，水平旋轉(zhuǎn)速度0.01~60°/s，垂直旋轉(zhuǎn)速度0.01~30°/s。

1.2.5 導(dǎo)航系統(tǒng)

機(jī)器人依靠激光雷達(dá)、慣導(dǎo)、里程計(jì)綜合導(dǎo)航，利用多傳感器融合技術(shù)，得到車體定位信息，實(shí)現(xiàn)按照預(yù)設(shè)路線和?？课恢米灾餍凶吆屯？抗δ?。激光雷達(dá)選用SICK公司LMS511高性能室外型激光掃描雷達(dá)，測(cè)量距離達(dá)80 m，掃描范圍190°，分辨率0.166 7°，掃描頻率高達(dá)25 Hz?？稍讪C30 ℃~+55 ℃惡劣環(huán)境中工作。慣導(dǎo)可提供車體三軸姿態(tài)角(或角速率)以及加速度信息，分辨率0.05°，誤差1.5°。里程計(jì)信息包括車體當(dāng)前坐標(biāo)，由車體運(yùn)動(dòng)學(xué)模型和4輪轉(zhuǎn)速位移等信息計(jì)算得到，誤差在3%以內(nèi)。

1.3 充電系統(tǒng)

充電房由充電柜、充電座、無(wú)線通信設(shè)備和自動(dòng)卷簾門(mén)組成。充電柜和充電座用于機(jī)器人自動(dòng)對(duì)接充電，無(wú)線通信設(shè)備選用與本地監(jiān)控后臺(tái)相同的無(wú)線網(wǎng)橋和天線，天線安裝在充電房的頂部。

機(jī)器人工作狀態(tài)分為巡檢、充電、空閑等3種。收到巡檢命令后，機(jī)器人檢查電池電量是否充足，充足即進(jìn)入巡檢狀態(tài)，開(kāi)始執(zhí)行巡檢任務(wù)，否則拒絕執(zhí)行并報(bào)警。巡檢完成后，機(jī)器人返回充電房。機(jī)器人在巡檢中實(shí)時(shí)檢測(cè)電池電量，如果電量不足則返回充電房充電，充電過(guò)程完全自動(dòng)化。

1.4 無(wú)線傳輸系統(tǒng)

機(jī)器人通過(guò)無(wú)線網(wǎng)橋與本地監(jiān)控后臺(tái)實(shí)現(xiàn)雙向、實(shí)時(shí)信息交互。信息交互內(nèi)容包括機(jī)器人本體狀態(tài)和被檢測(cè)設(shè)備圖像、語(yǔ)音和指示性數(shù)據(jù)。機(jī)器人采用5.8 GHz頻段高質(zhì)量等級(jí)的室外專用數(shù)字無(wú)線網(wǎng)橋，實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離多路視頻、音頻以及數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸，最長(zhǎng)傳輸距離達(dá)10 km，數(shù)傳誤碼率≤10-6，數(shù)傳時(shí)延≤20 ms，圖傳時(shí)延≤300 ms，由于此頻段的無(wú)線網(wǎng)橋無(wú)需申請(qǐng)無(wú)線執(zhí)照，比其他有線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備更方便部署。機(jī)器人通過(guò)無(wú)線網(wǎng)橋接收監(jiān)控后臺(tái)的控制指令，進(jìn)行云臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)、設(shè)備檢測(cè)、車體運(yùn)動(dòng)和自動(dòng)充電，并檢測(cè)機(jī)器人狀態(tài)和各類預(yù)警、告警信息并進(jìn)行上報(bào)。在通信中斷、接收的報(bào)文內(nèi)容異常等情況下，圖像、語(yǔ)音、數(shù)據(jù)不丟失，同時(shí)系統(tǒng)將發(fā)出告警信息，并在通信恢復(fù)后自動(dòng)續(xù)傳。

1.5 本地監(jiān)控后臺(tái)

本地監(jiān)控后臺(tái)由計(jì)算機(jī)、無(wú)線通信設(shè)備、監(jiān)控分析軟件和數(shù)據(jù)庫(kù)等組成。機(jī)器人與監(jiān)控后臺(tái)通過(guò)無(wú)線局域網(wǎng)連接，采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，傳輸內(nèi)容如圖5所示。

監(jiān)控后臺(tái)軟件采用C++語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，基于.NET架構(gòu)，可以在Windows的各個(gè)版本操作系統(tǒng)跨平臺(tái)運(yùn)行，軟件組成如圖6所示。

(1)實(shí)時(shí)監(jiān)控模塊負(fù)責(zé)查看機(jī)器人運(yùn)行過(guò)程中的圖像信息、車體狀態(tài)信息、車體行進(jìn)信息、電池狀態(tài)信息、巡檢現(xiàn)場(chǎng)氣象信息、巡檢任務(wù)信息等。

(2)任務(wù)規(guī)劃模塊分為例行、特巡任務(wù)規(guī)劃和遙控巡檢3種模式，可隨時(shí)進(jìn)行任務(wù)模式的切換。根據(jù)變電站巡檢需求，例行任務(wù)規(guī)劃可提前生成若干巡檢任務(wù)，每天定期巡檢;特巡任務(wù)規(guī)劃可實(shí)時(shí)生成臨時(shí)巡檢任務(wù)，執(zhí)行特殊巡檢任務(wù)。

(3)遠(yuǎn)程遙控模塊可以實(shí)時(shí)遙控機(jī)器人到規(guī)定地點(diǎn)做規(guī)定動(dòng)作。該模塊可通過(guò)手柄控制云臺(tái)方位和俯仰，控制車體速度和方向。

(4)配置中心模塊包括設(shè)備配置、地圖配置和基本配置3個(gè)子界面。設(shè)備配置界面包括紅外配置、可見(jiàn)光配置、車體配置和云臺(tái)配置。

(5)歷史查詢和數(shù)據(jù)分析模塊可實(shí)現(xiàn)可見(jiàn)光圖像、紅外圖像、聲音及表計(jì)讀數(shù)、設(shè)備位置狀態(tài)、注油設(shè)備油位等信息的存儲(chǔ)、診斷和查詢。

1.6 環(huán)境適應(yīng)性

機(jī)器人按照全國(guó)各地區(qū)變電站極端環(huán)境氣候設(shè)計(jì)，針對(duì)暴風(fēng)大雨、濕熱、高海拔、寒冷等惡劣氣候條件，變電站強(qiáng)電場(chǎng)、強(qiáng)磁場(chǎng)環(huán)境，通過(guò)“三防”設(shè)計(jì)、防風(fēng)設(shè)計(jì)、電磁兼容性、抗震設(shè)計(jì)以及溫度適應(yīng)性等設(shè)計(jì)，確保機(jī)器人在不同氣候條件下長(zhǎng)期可靠、安全穩(wěn)定運(yùn)行。

1.6.1 “三防”設(shè)計(jì)

機(jī)器人外殼采用靜電噴涂工藝，具有防腐蝕、防水、防氧化三防功能，機(jī)器人內(nèi)部傳感、控制均采用模塊化設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)。機(jī)器人采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，具有防水、防塵功能。整機(jī)滿足GB 4208中IP54的設(shè)計(jì)要求，最大涉水深度大于10 cm。

1.6.2 防風(fēng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人采用四輪驅(qū)動(dòng)底盤(pán)結(jié)構(gòu)，設(shè)備重心低，有利于機(jī)器人在地面上穩(wěn)定運(yùn)行。機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)緊湊設(shè)計(jì)和密封性高，具備抵抗10級(jí)風(fēng)能力。

1.6.3 電磁兼容設(shè)計(jì)

機(jī)器人電子元器件，電源、通信等模塊采用屏蔽、隔離處理，關(guān)鍵信號(hào)通過(guò)阻抗匹配設(shè)計(jì)、各設(shè)備模塊采用等電勢(shì)共地設(shè)計(jì)，輸入輸出接口的濾波和保護(hù)設(shè)計(jì)等技術(shù)確保各模塊的信號(hào)完整性、安全和可靠性。

1.6.4 防振動(dòng)設(shè)計(jì)

機(jī)器人在變電站巡檢過(guò)程中，由于受路面環(huán)境的影響，不可避免地會(huì)有一定程度的振動(dòng)，針對(duì)可能出現(xiàn)的固定螺絲松動(dòng)、部件斷裂等問(wèn)題，采取以下防振措施：(1)對(duì)所有緊固件增加彈墊、齒形墊圈、涂加螺紋膠及采用防松螺母等設(shè)計(jì)提高螺栓螺釘緊固效果及緊固強(qiáng)度;(2)對(duì)部件斷裂部分優(yōu)化設(shè)計(jì)提高部件強(qiáng)度;(3)增加防護(hù)套、減振彈簧等措施，減緩?fù)饬?duì)管路連接部位的作用。

1.6.5 溫度適應(yīng)性設(shè)計(jì)

為保證在炎熱或寒冷環(huán)境下正常工作和長(zhǎng)期儲(chǔ)藏，機(jī)器人所有部件和元器件均選用寬溫度范圍的工業(yè)級(jí)產(chǎn)品;在云臺(tái)護(hù)罩內(nèi)安裝排熱風(fēng)扇和加溫板，可自動(dòng)對(duì)護(hù)罩內(nèi)環(huán)境進(jìn)行排熱或加溫，有利于護(hù)罩內(nèi)可見(jiàn)光相機(jī)和紅外探測(cè)器在不同溫度環(huán)境下正常工作。機(jī)器人工作環(huán)境溫度為–25 ℃~+55 ℃，存儲(chǔ)環(huán)境溫度為–30 ℃~+65 ℃，工作和存儲(chǔ)環(huán)境相對(duì)濕度為5%~95%(無(wú)冷凝水)。

2 變電站機(jī)器人巡檢工程實(shí)施

2.1 變電站現(xiàn)場(chǎng)勘查

變電站機(jī)器人巡檢工程實(shí)施的現(xiàn)場(chǎng)勘查階段分為以下幾個(gè)步驟：(1)根據(jù)站內(nèi)設(shè)備分布、特征物和巡檢便利性等信息選取充電房最優(yōu)安裝位置;(2)根據(jù)變電站建筑物實(shí)際情況選擇無(wú)線通信設(shè)施安裝位置;(3)視道路連通性、臺(tái)階高度等決定道路是否需要改造;(4)根據(jù)站內(nèi)設(shè)備布置情況，初步確定巡檢路線。

2.2 巡檢設(shè)備安裝

2.2.1 充電房安裝

機(jī)器人充電房?jī)?nèi)設(shè)有自動(dòng)充電裝置，配有能夠自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉的門(mén)禁系統(tǒng)。充電房外形尺寸2.0 m (寬)×2.5 m (長(zhǎng))×2.8 m (高)，采用一體化箱式結(jié)構(gòu)，安裝在變電站高壓設(shè)備區(qū)的空地上，所在位置比站內(nèi)主干道高，修筑的地基自然放坡與站內(nèi)道路相連。充電房選址原則：(1)靠近主控室，基建和調(diào)試方便;(2)選擇平整地面，避免坑洼明顯地帶;(3)不宜過(guò)于遠(yuǎn)離巡檢區(qū)域。

2.2.2 無(wú)線網(wǎng)橋和氣象傳感器安裝

無(wú)線網(wǎng)橋和微氣象傳感器是機(jī)器人巡檢輔助設(shè)備，分別承擔(dān)著無(wú)線通信和氣象監(jiān)測(cè)功能，二者均采用戶外使用的環(huán)境設(shè)計(jì)，防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP55，為便于與后臺(tái)監(jiān)控設(shè)備進(jìn)行有線連接，將無(wú)線網(wǎng)橋和氣象傳感器安裝在站內(nèi)主控樓頂層，電源及數(shù)據(jù)線沿墻壁套管走線，連接至監(jiān)控后臺(tái)。

2.2.3 監(jiān)控后臺(tái)安裝

監(jiān)控后臺(tái)由計(jì)算機(jī)、路由器、鼠標(biāo)、鍵盤(pán)、擴(kuò)音器和麥克風(fēng)等組成。計(jì)算機(jī)和無(wú)線網(wǎng)橋連接至路由器上，路由器可連接至運(yùn)行單位局域網(wǎng)。

2.3 巡檢規(guī)劃

2.3.1 巡檢線路規(guī)劃

技術(shù)人員根據(jù)待巡檢設(shè)備分布位置、巡檢道路情況，以充電房為起點(diǎn)進(jìn)行站內(nèi)巡檢路線的規(guī)劃，實(shí)現(xiàn)巡檢路徑最優(yōu)的方案規(guī)劃。

2.3.2 巡檢地圖構(gòu)建

巡檢地圖通過(guò)機(jī)器人本體行走，借助后臺(tái)控制軟件自動(dòng)生成，不需要改動(dòng)變電站內(nèi)部環(huán)境，不需改動(dòng)變電站路面，不影響變電站設(shè)備設(shè)施正常運(yùn)行。變電站巡檢地圖構(gòu)建步驟如下。

(1)選擇地圖原點(diǎn)：原點(diǎn)選取一般靠近充電房。

(2)初始化激光雷達(dá)設(shè)備：開(kāi)啟機(jī)器人激光雷達(dá)傳感器傳輸功能，完成激光雷達(dá)初始化。

(3)采集地圖構(gòu)建數(shù)據(jù)：遙控機(jī)器人按照規(guī)劃的巡檢線路，繞整個(gè)變電站中行走一圈，機(jī)器人自動(dòng)記錄所有設(shè)備以及建筑物地理信息，進(jìn)而完成整個(gè)地圖構(gòu)建數(shù)據(jù)的采集。

(4)自動(dòng)生成地圖：完成地圖構(gòu)建數(shù)據(jù)采集后，開(kāi)啟地圖生成程序，自動(dòng)生成變電站巡檢地圖。

(5)設(shè)定巡檢點(diǎn)與巡檢路線：地圖構(gòu)建完成后，根據(jù)變電站巡檢設(shè)備類型及數(shù)量，設(shè)定巡檢點(diǎn)，并優(yōu)化巡檢路線。

(6)巡檢測(cè)試：按照標(biāo)定完成的最優(yōu)路線，對(duì)變電站設(shè)備的巡檢點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，查找遺漏，調(diào)整巡檢路線，保證設(shè)備巡檢點(diǎn)的全覆蓋。

機(jī)器人巡檢流程如圖7所示。

2.4 巡檢應(yīng)用

2.4.1 220 kV清遠(yuǎn)站應(yīng)用

2015年12月完成機(jī)器人充電房、無(wú)線網(wǎng)橋和監(jiān)控后臺(tái)在220 kV清遠(yuǎn)站的布置，2016年1月機(jī)器人開(kāi)始進(jìn)行激光導(dǎo)航地圖掃描、巡檢地圖制作及巡檢任務(wù)點(diǎn)采集，4月完成巡檢應(yīng)用。經(jīng)過(guò)4個(gè)月的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試應(yīng)用，完成了機(jī)器人部署和任務(wù)點(diǎn)采集，隨后執(zhí)行全站巡檢調(diào)試。巡檢任務(wù)包含主變區(qū)域、220 kV區(qū)域、110 kV區(qū)域的2 490個(gè)巡檢任務(wù)點(diǎn)，覆蓋率達(dá)94.1%。巡檢任務(wù)點(diǎn)分布如圖8所示。

2.4.2 500 kV五邑站應(yīng)用

2016年9月完成機(jī)器人充電房、無(wú)線網(wǎng)橋和監(jiān)控后臺(tái)的布置，10月完成站內(nèi)主變和500 kV區(qū)域的巡檢部署并開(kāi)展巡檢。經(jīng)過(guò)2周的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試，解決了機(jī)器人在500 kV區(qū)域強(qiáng)電磁場(chǎng)環(huán)境下的通信干擾問(wèn)題，機(jī)器人在全部500 kV區(qū)域均可與后臺(tái)系統(tǒng)可靠通信。同時(shí)完成了主變和500 kV第一串區(qū)域部署和任務(wù)點(diǎn)采集，隨后執(zhí)行部署區(qū)域巡檢。巡檢任務(wù)包含64個(gè)可見(jiàn)光巡檢任務(wù)點(diǎn)、273個(gè)紅外巡檢任務(wù)點(diǎn)和10個(gè)高清輔助觀測(cè)點(diǎn)。高清輔助觀測(cè)點(diǎn)包含開(kāi)關(guān)控制箱、主變等設(shè)備外觀圖像。

3 巡檢應(yīng)用問(wèn)題分析與解決措施

在變電站進(jìn)行機(jī)器人巡檢調(diào)試過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)尚有待解決的技術(shù)問(wèn)題，例如機(jī)器人運(yùn)行中受外物干擾出軌、無(wú)線信號(hào)連接不穩(wěn)定、表計(jì)讀取準(zhǔn)確率不夠、機(jī)器人行走轉(zhuǎn)彎卡澀等。

3.1 機(jī)器人巡檢中出軌

機(jī)器人巡檢過(guò)程中，受到外部干擾，例如人員圍觀時(shí)，發(fā)生機(jī)器人脫離巡檢路線問(wèn)題，經(jīng)分析導(dǎo)航計(jì)算機(jī)記錄的傳感器、通信等數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)機(jī)器人里程計(jì)的輸出數(shù)據(jù)在出現(xiàn)異常時(shí)刻偶發(fā)一次跳變，由于跳變數(shù)值大于40 m，恰好達(dá)到下個(gè)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)設(shè)定坐標(biāo)，造成程序誤判使得機(jī)器人誤認(rèn)為已到達(dá)轉(zhuǎn)彎點(diǎn)并執(zhí)行轉(zhuǎn)彎動(dòng)作。此后隨著機(jī)器人移動(dòng)，里程數(shù)據(jù)仍按照跳變后的數(shù)值繼續(xù)累加，導(dǎo)致轉(zhuǎn)彎后機(jī)器人繼續(xù)前行的問(wèn)題。

解決措施如下：(1)在車體控制板和導(dǎo)航計(jì)算機(jī)增加里程數(shù)據(jù)跳變判別和異常情況下處理數(shù)據(jù)程序，當(dāng)里程數(shù)據(jù)變化量大于設(shè)定應(yīng)用變化量時(shí)，車體控制板濾除異常數(shù)據(jù)，導(dǎo)航計(jì)算機(jī)按照前一幀正常數(shù)據(jù)累加預(yù)測(cè)值替代異常數(shù)據(jù);(2)將迭代最近點(diǎn)算法用于巡檢機(jī)器人的前期地圖拼接和導(dǎo)航過(guò)程中的機(jī)器人定位，該算法具有邏輯簡(jiǎn)單、精度較高、易實(shí)現(xiàn)、自身具有穩(wěn)定性和魯棒性的特點(diǎn)。采用以上措施后，機(jī)器人運(yùn)行中的抗干擾能力大大增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)了任意角度折線路徑的行走。

3.2 無(wú)線通信不穩(wěn)定

機(jī)器人運(yùn)行調(diào)試初期，存在部分巡檢路段后臺(tái)顯示畫(huà)面卡澀、數(shù)據(jù)回傳速度降低等現(xiàn)象。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)觀察和分析，發(fā)現(xiàn)原因是該路段處于定向接收天線覆蓋的死角，接收通信信號(hào)太弱，造成后臺(tái)畫(huà)面停頓，數(shù)據(jù)回傳速度降低。

通過(guò)更換大功率、大發(fā)射角天線，并且調(diào)整信號(hào)增益、信號(hào)頻率、通信模式等參數(shù)，大大改善了通信質(zhì)量，確保了機(jī)器人正常運(yùn)行。

3.3 表計(jì)讀取不準(zhǔn)確

巡檢任務(wù)中有較多的SF6壓力表需要識(shí)別讀取，但機(jī)器人對(duì)此類儀表的識(shí)別準(zhǔn)確率較低，經(jīng)分析發(fā)現(xiàn)是由于該變電站內(nèi)安裝的SF6壓力表的指針細(xì)小，指針下半部為白色，上半部為黑色，而表盤(pán)刻度也為黑色，造成了儀表識(shí)別軟件難以區(qū)分指針和刻度，從而使得判讀不準(zhǔn)確。

經(jīng)過(guò)對(duì)站內(nèi)全部SF6壓力表樣本的大量采集，重新優(yōu)化儀表識(shí)別軟件的指針讀取算法，在后續(xù)的巡檢任務(wù)中，機(jī)器人SF6壓力表計(jì)識(shí)別準(zhǔn)確率大大提升。

3.4 行走轉(zhuǎn)彎卡澀

機(jī)器人在原地轉(zhuǎn)向過(guò)程中，出現(xiàn)個(gè)別車輪懸空，轉(zhuǎn)彎動(dòng)作卡澀現(xiàn)象。經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)觀察和分析，原因是巡檢現(xiàn)場(chǎng)路面不平整，機(jī)器人安裝的是實(shí)心輪胎，輪胎彈性小，造成原地轉(zhuǎn)彎中個(gè)別車輪懸空。由于機(jī)器人原地轉(zhuǎn)彎是依靠4個(gè)輪子同時(shí)驅(qū)動(dòng)完成的，車輪懸空造成轉(zhuǎn)彎動(dòng)力不足，產(chǎn)生轉(zhuǎn)彎卡澀。

通過(guò)將實(shí)心輪胎更換為彈性較好的充氣輪胎，大大減小了路面不平造成的個(gè)別車輪懸空幾率，在后續(xù)巡檢過(guò)程中未曾出現(xiàn)此類問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

變電站機(jī)器人智能巡檢是電力巡檢模式發(fā)展的重要方向，實(shí)際應(yīng)用中仍存在不少技術(shù)瓶頸。本文研發(fā)了一套變電站機(jī)器人智能巡檢系統(tǒng)，從機(jī)器人本體、充電系統(tǒng)、無(wú)線傳輸系統(tǒng)、本地監(jiān)控后臺(tái)和環(huán)境適應(yīng)性等方面介紹了巡檢系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案和各組成部分的關(guān)鍵技術(shù)。該巡檢系統(tǒng)具有部署快速、適應(yīng)性強(qiáng)、采集數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、定位精度高、超聲防撞等顯著優(yōu)點(diǎn)，各項(xiàng)關(guān)鍵性能指標(biāo)均滿足變電站智能巡檢任務(wù)需求。

從現(xiàn)場(chǎng)勘查、設(shè)備安裝、巡檢規(guī)劃和巡檢應(yīng)用等方面介紹了變電站機(jī)器人巡檢工程實(shí)施步驟，通過(guò)在電網(wǎng)220 kV、500 kV變電站實(shí)際巡檢，指出了機(jī)器人巡檢調(diào)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題，并進(jìn)行分析解決，在后續(xù)巡檢應(yīng)用中較好地完成了各類巡檢任務(wù)，取得了顯著效果，研發(fā)的巡檢系統(tǒng)具有良好的推廣應(yīng)用前景。

作者：彭向陽(yáng) , 金亮 , 王柯 , 錢(qián)金菊 , 岳衛(wèi)兵

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