变电站智能巡检机器人应用分析

陈小龙

摘 要： 变电站人工巡视存在占用人员，效率低，耗时长，当站内存在多档工作时，人员无法及时调配等问题。分析了智能巡检机器人的应用背景及机器人的功能特点；详细分析了变电站巡检机器人的硬件结构及网络实现方法；给出了人机界面实现的主要功能。针对目前变电站巡视维护工作中存在的难点，广州500kV 某变电站引入了巡视机器人，通过自主或遥控的方式，在无人值守的环境中，对站内高压设备进行红外测温、仪表识别、噪声识别和数据采集等功能，具有全自动、无轨化、智能化的优点。

关键词： 变电站；智能巡检机器人；功能分析

1.应用背景

根据《南方电网公司设备运维策略及管控机制建设指导意见》关于变电站巡视维护的要求，广东某变电站按照日常巡视周期，特巡安排对所下辖变电站进行巡视维护，根据周期维护安排对站内相关设备定期进行红外测温。500kV xx变电站设备场地大，巡视工作需四个运行人员花费一个小时才能完成，效率低，耗时长，当站内存在多档工作时，人员无法及时调配。此外500kV 某变电站主供广州市区，设备运维等级高，时常需要进行各类特巡，红外测温工作，对运行人员的巡视维护工作提出了较高要求[1]。

针对目前变电站巡视维护工作中存在的难点，广州500kV 某变电站引入了巡视机器人，通过自主或遥控的方式，在无人值守的环境中，对站内高压设备进行红外测温、仪表识别、噪声识别和数据采集等功能，具有全自动、无轨化、智能化的优点。根据设定要求，巡视机器人可在规定时间内完成对全站所有设备的巡视，也可根据特巡要求，重点对特定设备进行巡视。采集的数据时时无线上传到主控室客户端，发现异常时，客户端电脑自动发出告警信号，提醒运行人员及时进行处理。最终实现站内所有设备完全自动巡检，巡视过程中不遗漏任何故障，设备巡维工作效率大幅提高。

2.智能巡检机器人功能

智能巡检机器人系统以自主或遥控的方式，在无人值守的环境中，完成对室内（外）高压设备进行红外温度监测、表记拍摄识别、有毒有害气体分析等任务，替代人工完成巡检中遇到的繁、难、险和重复性的工作。智能巡检机器人基于无轨化导航技术和运动四驱底盘，并集多种高科技技术为一体，包含安全防护单元、底盘及驱动单元、供电单元、主控单元、通讯单元、导航单元、拾音对讲单元等模块，具备无轨化、可调配、智能化、集群化、耐高寒与高温、运行时长的优势。智能机器人在变电站巡检中具备表记、红外自动拍摄识别、越野运动无死角、报表自动生成并分析全自动功能；还具有单车部署快捷，可方便站间调配，减少施工，节约成本，缩短工期，巡检路径可定制修改等优点。

智能巡检机器人主要有定点定路径、指定点巡检、遥控巡检、高清可见光与红外实时视频监控、变压器和电抗器噪声监测、SF6泄露检测、红外测温与故障报警、可见光图像智能判别、巡检报表分析与历史数据分析等功能，以自主或遥控的方式，在无人值守的环境中替代人工执行巡检任务。另外智能机器人应用广泛，覆盖发电、输电、变电、用电等各电力相关环节，包括发电厂升压站、输电廊道、电网变电所、企业变电站、冶金整流室及解压槽等应用领域。

3.巡检机器人结构分析

3.1 巡检机器人主要构成

巡检机器人主体由激光传感器、云台，高清摄像头、红外热像仪、超声传感器、机器人核心控制机箱、安全停障模块、底盘模块等核心设备和其他辅助设备组成，如图1所示。图中给出了主要设备所在位置。 下图中标注如表1所示。

3.2主要硬件功能实现

机器人底盘模块由四个独立驱动的轮子组成，支持最高1m/s的直行速度和原地转弯，底盘驱动模块具有自身高压、低压、过流、短路、断路、过温、通讯实时监测功能，发生异常时自动停车并能上报错误状态。四轮独立驱动的底盘，具有强大的路况适应能力，结合激光雷达导航全站覆盖的特点，真正的做到在特殊复杂环境中检测无死角。防撞超声传感器使用德国施克（SICK）UM30系列，该系列产品专属配置于豪华轿车，实现自动泊车入位功能。国自智能巡检机器人一共配置6个超声传感器，在设计上同时兼顾了对高位以及低矮障碍物的识别。具有高灵敏度，稳定可靠，误触发防止机制等优点。激光传感器用于机器人扫描周围环境，采用180°实时扫描的工作方式。请操作人员注意对激光传感器的保护。另外，在机器人日常巡检工作时，请勿有大量人员围于激光传感器周围，以免干扰机器人的定位。機器人硬件开关按钮有两个，分别是电源开关按钮，急停开关按钮。电源开关按钮控制机器人各个设备上电，急停开关按钮可以强制停止机器人底盘运动。

云台用于控制高清摄像头与红外热像仪在巡检过程中的拍摄角度，该云台设备为全向型云台，支持垂直方向90°和水平方向360°旋转，云台配有补光灯和雨刷，以支持夜间和雨天的巡检。注意，每次云台上电后都会有一次全向旋转的自检过程。另外，请工作人员在巡检车日常检修保养过程中，及时清理云台镜面，以免干扰摄像头与红外热像仪的使用。云台自带的高清摄像头，具有200万像素，30倍光学变焦，聚焦快速，准确[2]。

红外热像具有基于标准以太网硬件和软件协议的创建单台或多台红外热像仪分布解决方案所需的所有特征和功能；能提供经济且精确的测温解决方案；能够提前发现异常情况，避免演变为严重故障，杜绝财产损失或对人身安全构成潜在威胁。

机器人采用PK-060H-A拾音器，该拾音器专为监仓、连锁店、审讯室等行业用户同步监控录音而设计，原装进口套件组装；采用坚固、耐用美观的金属全屏蔽结构设计，表面电镀处理，远离环境噪音、杜绝电磁的干扰；采用BOURNS专业高级镀银录音全向音头，60平方内高保真、高灵敏、高带宽、无噪音；适合多点式同步语音取样，可布局阵列式安装和环境降噪；数字降噪信号处理电路，内置语音激励功能，大大提高语音清晰度；采用D.A.D.S.（双层空气缓冲系统）结构，再现了语音伸缩自如；提高性噪比及能减低因相位移动而形成的失真，大大的改善音质；独特杜比全向逻辑环绕声标准设计，内置高速语音DSP处理单元，两级动态降噪处理；监听头内置雷击保护、电源极性反转保护和电源保护模块；超长音频信号传输技术，采用RVVP2×0.5 mm2屏蔽电缆传输3公里不失真；集成专业SMT音频处理器，可直接驱动有源音箱、硬盘录像机、录音机等。

机器人安全停障模块共有远距离超声停障和近距离碰撞停障两级停障装置，用于确保机器人在巡检过程中，不因撞击障碍物而受到伤害。超声停障的警界范围为50cm～100cm，在该范围内出现障碍物时机器人开始减速，当障碍物与机器人距离小于50cm后，进入超声停障区域，机器人底盘停止运动。若机器人已经撞到障碍物，碰撞开关闭合，底盘立即停止运动。

工作指示灯主要有警示灯和补光灯。警示灯在机器人检测到异常情况就会亮起，提示警告；补光灯是夜间巡检时，用于增强照明效果。机器人采用耳神ER151蓝牙音箱，该款音箱是一款专门为户外使用而设的蓝牙音响。它拥有着一个时尚又不缺乏酷感的外表，外观造型采用了用了稳定的等边三角形外观设计，两边均包裹有厚实的橡胶材质，具有非常给力的抗震能力，就算在户外带着它运动也不会觉得不放心。另外，耳神ER151蓝牙音响采用A2DP无线传输立体声技术，可以将立体声环绕效果随时随地展现出来。而作为主要特色的蓝牙技术当然也不能小看，有了它你就能驳接大多数智能手机以及便携的平板等数码设备聆听，使用操作起来也很方便。

自主充电装置用于机器人进行自主充电，装置有正负极触头和信号触头，当成功充电后，充电指示灯会变绿，且电流表显示当前充电电流。另外自主充电装置还能进行手动模式切换。当切换成手动充电模式情况下，只要车体充电正负极触头与充电座正负极接触就能直接充电。

3.3巡检机器人网络实现

无线通讯设备采用Rocket M2，该款设备是美国UbiquitiTM Networks公司推出应用于IEEE 802.11g/n的无线产品，是目前全球性价比最好的室外型无线网桥。

Rocket M2通过把专利天线技术与模块的完美组合，外部通过网线PoE方式供电，在不外接天线的情况下就，传输距离就能达到30公里。设备集成栅格天线的所有功能。

在变电站内架设无线网络需要根据巡检区域的大小，采用一个或多个无线AP对其进行覆盖： 一般情况下，为保证良好的无线网络覆盖效果（具体表现为实时高清视频播放流畅），关于电压等级110kV、220kV及500KV变电站采用1个无线AP，针对电压等级1000kV变电站将会采用2个无线AP，做到变电站无线网络无视角、全覆盖为实现巡检机器人设备巡视全覆盖提高良好基础。同时，在巡检车上布置一个工业级无线AP做为客户端，与站内的无线AP相连，车载的网络设备都通过该客户端接入到站内的无线网絡中。并且，当巡检区域内存在多个AP时，“零切换漫游”功能可以使多个AP构成一个AP网络，此时，巡检车可以在任何地点漫游，并不需要执行切换操作，实现巡检车在整个巡检区域与客户端无缝保持连接。无线AP架设在室外的AP箱内，与主控室的客户端通过光纤相连。一般情况下，变电站内的无线AP布置在巡检区域的中心位置；当巡检区域过大，或者存在有严重遮挡等需要布置2个AP的情况时，可以将巡检区域平均分为两个区域，则无线AP分别布置在各区域的中心位置，以达到良好的覆盖效果[3]。

本地监控平台通过网络实现与微气象站的数据交互，实时获取变电站户外环境数据。本地监控平台与微气象站采用TCP/IP协议工业网络进行数据交互，实时气象数据包括温度、湿度、风速及降水等信息，通过系统针对不同天气环境对巡检机器人的外部辅助硬件进行配置，能够有效的提高巡检机器人的任务适应性能。

3.4 人机界面功能实现

智能巡检机器人客户端软件的作用是让用户能更方便地使用智能巡检机器人。该软件人机界面友好、操作方便、信息显示清晰直观，并且具有一系列任务功能，包括编辑实时或定时巡检计划、下发巡检任务、监控巡检过程、形成巡检报表、查看历史巡检数据、远程遥控巡检机器人等。

4.结论

巡视机器人的引入将运行人员从巡视工作中解放出来，可专注于倒闸操作，现场安全管控、配合外来班组工作等，节约了时间，大大提高了工作效率和安全管控水平。另外结合倒闸操作后检查设备位置信号功能，为变电站最终实现远程顺控操作，解决日益增长的变电站数量与运行人员紧缺的问题，实现运行工作的精益化管理。

参考文献[1]高青，冯李军，张鹏.智能巡检机器人的研究[J].电气时代，2012（4）：71-73.

[2]张伟，龚娇龙，张惠芳，等.基于视觉导航的变电站智能巡检机器人的研究[J].陕西电力，2015， 43（6）：63-66.

[3]肖鹏，王海鹏，曹雷，等.变电站智能巡检机器人云台控制系统设计[J].制造业自动化，2012， 34（1）：105-108.