一种高压开关室悬挂轨道式智能巡检机器人的设计与应用

范李平，熊威，吴喜春，林锋

(湖北省宜昌供电公司,湖北 宜昌 443000)

1 引言

随着近年电网快速发展，设备规模大幅增长，电网设备安全运行风险和压力与日俱增。变电站多地处边远，长期以来，在传统运检业务中，变电运维人员对高压开关室的日常巡视工作，大多数依靠人工现场巡视、手工操作、经验判断等模式，费时、费力、效率低下，而且安全性也得不到保证。原因如下:一是由于高压开关柜内的开关触头和母线排连接处长时间处于高压、高温状态，加之受环境潮湿、通风不良、设备老化、安装不良等因素的影响，经常会出现放电、甚至爆炸，人工巡检存在安全风险；二是传统视频摄像头以安防为主，无法准确、清晰看到设备状态；三是室外机器人因受轨道道路及开关室门槛高度影响，无法翻越开关室防小动物的门槛，进入开关室进行巡检。目前，市面上的巡检机器人一般采取的是轮式巡线机器人，轨道部署复杂、适应能力弱、自主巡视避障能力差，且无法适应开关室相对狭小的复杂空间和温湿度环境的要求[1-3]。

本文主要针对变电站高压开关室的布局特点和室内设备巡视特要点，研制了一种室内悬挂式轨道智能巡视机器人，根据屏柜的布局部，在顶部署合适的轨道，不占用运维人员的巡视道路，安装有运动机构、运动驱动机构和检测机构；能够远方实现一键启动按照预定的预置点位自动进行巡检，实现对开关室环境、开关柜外观、保护测控装置面板、分合指示灯、压板、开关柜红外测温等数据进行巡检，并自动生成巡检报告，上传至集控站远方智能巡视系统进行分析，从而解决了开关室巡视困难、效率低下等问题。

2 轨道机器人的软硬件部分设计

2.1 总体系统架构

轨道机器人的系统架构包括移动站系统和后台系统构成的，包括悬挂式轨道、机械限位装置、轨道机器人本体、网络通讯部分、智能巡检系统部分，轨道机器人摄像头或者探测器的数量，可以根据开关柜的数量、空间距离、功能需求进行合理设计。巡检机器人在变电站内自主运行，采集传感器数据，如自然光图、红外热图、声音等，对数据进行简单分析处理后，把数据提交给后台系统再次进行处理分析。后台系统接到移动站发来的数据，根据智能分析算法，分析得到结果，并将结果存储到数据库中，结合历史数据进行统计分析。

图1 轨道机器人系统架构

2.2 悬挂式轨道设计

变电站高压开关柜一般按照单列或者双列进行布置，因此在设计开关柜轨道机器人时，应该按照实际电气空间进行合理的部署轨道。按照工程实际经验，悬挂式轨道机器人一般呈U型、S型或者一字型。

本文以220千伏某中型变电站以例，该变电站的高压室有24面开关柜，呈双列布置，整体柜子总长度为22m，考虑柜子部署整齐，室内前后大门两端各有1.7m裕度，因此设计该移动巡检轨道机器人的轨道为一字型即满足要求，轨道长为24m，吊装在两排高压柜中间部位，离地约为2.7m～2.8m，轨道的其中一端与前门上端墙壁固定，后门处不靠墙，做为检修通道。移动摄像头安装在轨道后，保证机器人摄像头略高于高压柜顶端100mm。

图2 220千伏某中型变电站巡视机器人轨道设计

2.3 轨道机器人的本体

轨道机器人的本体部分作为智能巡检部分的核心组成部分，包含有可见光高清视频摄像头、红外测温摄像头。每个轨道机器人分别有两个红外热成像镜头进行温度检测，有效预防开关柜设备发热异常。搭载高清视频设备、红外探头、臭氧监测、局放、温湿度等多种传感器的移动机器人沿着轨道对室内高压开关柜进行巡检，可自动分析各种仪表、开关、设备温度、环境温度和湿度等各种重要信息，并传输至变电站在线巡视处理平台，对电力设备进行在线实时监测，当发现异常，通过监控后台发送相关告警信息，及时调整巡检策略，大大提升运维效率。

图3 巡视机器人本体部分设计

2.4 供电及通讯电源部分的设计

在轨道式移动机器人上的应用研究，实现滑动式的移动供电的系统，电气部分设计美观、移动过程中又能让供电可靠，不发生电源中断故障。对于轨道通讯拖链的设计，采取的是通讯电源一体式，即轨道拖链既承担通讯部分的作用，又承担电源的作用。因此，设计轨道式滑链电力载波通讯，进行高清视频、可见光和红外测温等巡检信息的传输，做到整个通信过程的准确无误。本文在轨道的两侧还各设计一个光电限位器，主要为了防止机器人在轨道运转的过程中出现脱轨。设计时，需要注意拖链部分的输入和输出端，输出端安装在轨道上面，安装时将输出端的拖链平面朝下推进轨道内，从轨道一端推到另外一端，在轨道电源端将拖链固定在轨道上面。

2.5 智能巡检主机部分的设计

变电站轨道机器人巡检主机分为两部分：一是站端的中控主机，主要用来收集机器人的实时监控数据，进行存储、汇总、基础分析和边缘计算；二是主站端的在线分析主机，主要用于巡视任务制定、巡检信息展示、异常告警策略上传下达，智能分析研判等功能。站端的中控主机和主站的综合处理管理系统共同构成了智能巡检机器人的分析、控制、展示部分。具体功能如下：

(1)路线自主规划：按照预先设定的巡视路线，或根据巡视任务，进行规划路线巡视。

(2)远方自动巡视：运维人员远方启动巡视后，不需干预，系统自动按照巡视路线切换画面。

(3)周期定时巡视：能够根据设置的巡视周期，按照预定的巡检点位，采集图片，自动完成巡视任务，并生成巡视报告上传至主站。

(4)灯光智能联动：巡检时自动联动灯光控制系统，即使光线较差或在夜间操作及巡视时，也能看到清晰的彩色图像，可清楚地分辨设备的外观情况及压板的状态。

(5)精准自动避障：通过传感器进行距离测量，快速、准确地识别周围的物体，实现迅速、精确的避障。

(6)设备智能识别：在站端部署自动识别软件，对压板、仪表自动识别，并上传至主站。

图4 电源及通讯部分设计

(7)数据自动分析：采集的巡视数据已经接入综合处理分析系统，能够对红外测温数据进行趋势分析研判。

3 智能巡检机器人的核心技术

3.1 图像识别技术

图像识别子系统利用计算机对图像进行处理、分析和理解，以识别各种不同模式(仪表读数、开关位置、指示灯)的目标和对象，采用数字技术方法，对云台搭载的高清摄像头获取的图像按照特定目的进行相应的处理，最终得到我们所需的数据[4-5]。

图5 开关柜面板识别

图像识别子系统智能识别表计读数、指示灯状态、开关变位状态，自动记录和判断。以开关位置识别为例，平台采用专用的机器视觉算法使需要被识别的区域进行配准与提取，而后通过模式识别技术对开关进行识别与读数判别，并传到后台系统，读数误差小于5%。图6展示了对开关柜进行识别的流程。

图6 机器人识别流程图

3.2 精准避障技术

文中的轨道机器人设计了精准避障控制器，主要针对开关柜未知的物体、人员等进行感知，并采取及时避障，防止对开关柜、巡视人员造成伤害。其设计思路是：通过加装避障传感器，计算每个传感器的测距值，根据多元函数求极值理论，可以求得保证总方差最小时的最优加权因子。避障控制器的设计最核心的部分是输入不同方向的距离值，输出机器人的转向角度，根据一定的控制策略，建立对应的控制规则。该系统控制设置的停止、向前阈值为0.2m，机器人测距感知到阈值范围立即停止前进，并等待模糊推理，根据现场设置开关柜门开启、放置梯子等障碍物等试验表明，控制系统可以达到厘米级精度的避障定位测距要求。

3.3 红外及带电检测技术

红外检测、高清视频及局放检测均安装在球形工作区域。红外检测开关柜的温度分布，带电检测包括开关柜发出的超声波，暂态地电压检测器以及特高频振动检测器[6-7]。红外测温摄像头实时拍摄开关柜输出热呈像图，测定目标温度，并根据开关柜致热设备运行状况作出诊断分析，及时发现设备潜在缺陷并发出预警，提前进行开关柜发热预防，消除隐患，提高设备运行寿命和效率[8]。本文通过安装带电检测探头，如超声波、暂态地电压、特高频三种方式相互结合的方式对开关柜内部的局放现象进行检测，通过与设定的阈值及图谱进行对比，对异常检测数据进行告警处理。

4 应用情况

2021年，公司在远安、当阳、枝江共26座变电站安装了悬挂式轨道机器人，轨道机器人能够对开关柜保护状态灯识别：保护装置设备状态包含运行灯、异常灯、跳闸灯对保护装置运行状态进行展示。通过对灯的位置颜色等特征的提取，结合机器学习技术，与正常设备模板进行对比，准确判断设备运行情况。经过一年的实践应用表明，能够节约人工、车辆、器具使用费用，进一步降低生产成本，提高设备可用率。据统计，按照传统方法巡视每站耗时5人时，而采用远程智能巡视运维策略只需要1人时，时间上节约了4小时，巡视效率提升了90%，应急速度提升了75%，同时保障了运维人员人身安全。本项目能够大幅提高运维效率和设备消缺及时率，提升了设备可用率，降低了设备故障带来的损失，优化了人力、物力资源配置，有效的提高设备运维管理水平。

5 结论

本文通过设计一种变电站开关柜悬挂式轨道机器人，包括机器人本体和集中控制终端。机器人本体包括智能轨道，云台红外双光谱摄像机，通信模块，控制电机，温湿度传感器，SF6探测器。集中控制终端包括巡检任务管理模块，存储模块，图像显示模块，图像处理模块，报警模块等，能够实现自动巡视、红外测温、带电检测，满足日常的巡检要求。通过在轨道机器人加装高清视频，远方红外测温探头及带电检测模块，代替现有的人工现场压板、空开、红外测温、局放、臭氧检测的工作。通过增加远方视频巡视的周期，配合补充巡视等方式，在保证变电设备运维质量的同时，逐步降低一线班组工作强度，减少对日常巡视工作人员的投入，切实提升变电运维质效，具有一定的推广价值。