換流站組合式軌道巡檢機器人的設(shè)計

劉志遠，王化玲，王宏麗，劉 婷

（1.國網(wǎng)寧夏電力公司檢修公司，寧夏銀川750000；2.山東魯能智能技術(shù)有限公司，山東濟南250002）

0 引 言

在智能電網(wǎng)快速發(fā)展的形勢下，變電站的智能化已經(jīng)成為一種趨勢［1］。變電站的檢測經(jīng)歷了三個階段：傳統(tǒng)的人工巡視和紙質(zhì)記錄的方式；利用監(jiān)控與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、繼電保護等裝置；變電站巡檢機器人。變電站巡檢機器人不僅減輕了人員的工作負擔(dān)，而且可以對大量數(shù)據(jù)進行保存、處理、實時顯示、報警等。文獻［2］對變電站巡檢機器人的結(jié)構(gòu)、功能等進行了介紹。依據(jù)變電站面積大、設(shè)備處于露天狀態(tài)及施工簡單等特點，變電站巡檢機器人大多采用速度快、效率高、運動噪聲低的輪式結(jié)構(gòu)。但是輪式機器人存在越障能力、地形適應(yīng)能力差等缺點，一般只適用于野外且地形不太復(fù)雜的地區(qū)，這阻礙了智能電網(wǎng)的普及。

高壓直流輸電線與交流輸電線相比具有容量大，線路造價低、運行可靠等優(yōu)點，因而得到廣泛的應(yīng)用［3］。而換流閥作為高壓直流換流站的核心器件，當(dāng)其周期性導(dǎo)通和阻斷過程中，電壓和電流的急劇變化會產(chǎn)生頻譜較寬的電磁干擾，在閥廳內(nèi)距墻壁1 m處150 k Hz～1 GHz頻段的電磁干擾水平最大值范圍為102～105 dB（基準(zhǔn)1μV／m，下同）；在9～150 k Hz的低頻段換流閥廳內(nèi)距墻壁1 m處的電磁干擾最大值為140 dB［4］。同時，相對于交流變電站，高壓直流換流站的噪聲源更多，聲功率級更大［5］。因此，直流換流站相比變電站存在更多的電磁干擾、噪聲等問題。

本文有針對性的研制了一種組合式軌道巡檢機器人，采用組合式工字型軌道及各種抗干擾措施克服直流換流閥廳強電磁、多噪聲的影響。本文重點設(shè)計及實現(xiàn)了直流換流閥自動巡檢機器人的各項功能，提高了工作效率，減輕人員的勞動強度及直流換流站的智能化水平。該設(shè)計針對銀川東直流廳巡檢，進行大跨距組合式軌道巡檢機器人應(yīng)用，具有一定的實踐價值。

1 組合式軌道巡檢機器人系統(tǒng)

結(jié)合室內(nèi)換流閥廳、直流廳等室內(nèi)設(shè)備實際情況，巡檢機器人硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示，采用工業(yè)級PC104主板、具有PC104總線結(jié)構(gòu)的PM511板卡及串口擴展板，PM511板卡接收聲音和有毒氣體傳感器、電機控制、OLM線性條碼測距傳感器的電信號，進行處理，利用104總線傳送到主板；可見光圖像采集攝像機、紅外圖像采集攝像機的視頻信號通過串口接到PC104主板進行處理；最后經(jīng)過電力載波發(fā)送到基站，同時接受基站的命令，調(diào)節(jié)運動控制卡調(diào)整電機1實現(xiàn)巡檢機器人在軌道上左右移動，調(diào)整電機2實現(xiàn)巡檢機器人的上下移動。

圖1 硬件總體結(jié)構(gòu)圖

1.1 云臺系統(tǒng)的設(shè)計

巡檢機器人檢測主要依靠可見光與紅外視頻設(shè)備，云臺作為兩者的載體，防護等級需要在IP43以上的要求。云臺系統(tǒng)采用雙通道，即可見光通道和紅外通道，進行實時視頻信息傳輸。云臺驅(qū)動核心是通過內(nèi)裝的電動機，負責(zé)水平方向的轉(zhuǎn)動。水平電機驅(qū)動減速器以增大驅(qū)動扭矩并降低輸出轉(zhuǎn)速，信息采集系統(tǒng)及其附件安裝于支撐板上，隨云臺的水平電機驅(qū)動而轉(zhuǎn)動，進而完成水平旋轉(zhuǎn)的動作［6］。為此，云臺為整個系統(tǒng)的檢測提供重要的支撐作用。

1.2 紅外熱成像儀的設(shè)計

巡檢機器人設(shè)計的一個核心項目就是檢測設(shè)備的溫度，紅外熱成像系統(tǒng)作為本系統(tǒng)核心器件，利用紅外探測器，接收物體按其表面的溫度自然輻射的紅外線，在不接觸的情況下，得到與物體表面熱分布相對應(yīng)的“實時熱圖像”。當(dāng)處于較強的磁場中時，紅外熱像儀可能會有屏幕變形或漂移到一邊、色彩退去不均勻、屏幕顯示波動或不穩(wěn)定的情況。為了使可見光攝像機和紅外熱成像儀攝像機所觀測到的空間區(qū)域盡可能一致，把2個攝像頭左右平行緊湊放置于防護罩內(nèi)使之結(jié)合成一體機。同時，減少強電磁干擾對紅外熱成像儀的影響，機器人垂直距離地面的高度不小于4 m，如圖2所示。

圖2 巡檢機器人實物圖

1.3 定位系統(tǒng)的設(shè)計

變電站巡檢機器人普遍采用的定位方式有：磁導(dǎo)軌、慣性、GPS等［7-9］。本系統(tǒng)采用OLM線性條碼測距傳感器，該傳感器采用視覺原理進行測量，預(yù)先在組合式軌道貼置條碼帶，傳感器通過檢測條碼帶實現(xiàn)系統(tǒng)的精確定位，可達到毫米級的高測量精度。本定位系統(tǒng)屬于非接觸式測量，提高了設(shè)備的使用壽命，是同等級激光測距使用壽命的兩倍。

2 組合式軌道的設(shè)計

結(jié)合換流站強電磁、多噪聲和封閉環(huán)境的特點，巡檢機器人采用組合式工字型軌道結(jié)構(gòu)。圖3為組合式導(dǎo)軌圖，軌道由水平導(dǎo)軌和垂直移動導(dǎo)軌組成。在水平導(dǎo)軌上，巡檢機器人通過檢測條碼帶精確定位到水平的預(yù)置位；在垂直軌道上下移動對換流設(shè)備進行檢測，同時云臺進行水平轉(zhuǎn)動，實現(xiàn)對設(shè)備的全方位檢測。依據(jù)換流站電磁干擾的強度，水平軌道與地面垂直距離不低于4 m，水平軌道水平距離不低于90 m，能夠最大程度的避免強電磁的干擾。

圖3 組合式軌道圖

導(dǎo)軌安裝時直接在直流場墻壁內(nèi)承重鋼結(jié)構(gòu)上打孔攻絲或者鉚裝螺母，將鋼結(jié)構(gòu)件的力引到波紋板外面的轉(zhuǎn)接板上，然后在轉(zhuǎn)接板上打孔，將導(dǎo)軌安裝在轉(zhuǎn)接板上。這樣安裝對直流場結(jié)構(gòu)改變不大，僅需現(xiàn)場配打孔即可，而且轉(zhuǎn)接板和襯墊的結(jié)構(gòu)設(shè)計較為靈活，不受直流場本體結(jié)構(gòu)設(shè)計的影響。

2.1 軌道供電方式

電源系統(tǒng)是整個巡檢機器人的“心臟”，它為整個系統(tǒng)提供電能。目前，變電站的巡檢機器人大多采用輪式結(jié)構(gòu)，其移動屬性決定其適合采用無纜化的電池供電。電池存在容量有限、重量大等特點。為保證巡檢機器人的正常工作，需要對電池電壓、電流、電量進行實時檢測，實現(xiàn)自動充電。這使得巡檢機器人系統(tǒng)存在更多的不穩(wěn)定性，而且體積大［9］。組合式軌道巡檢機器人采取軌道滑觸供電方式，利用電刷直接接觸供電線，電源穩(wěn)定，不存在輪式結(jié)構(gòu)復(fù)雜的電源監(jiān)測與控制系統(tǒng)，車體不需要攜帶電池，體重減輕，控制系統(tǒng)簡單，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.2 低壓電力載波通訊方式

基于組合式軌道，本系統(tǒng)采用低壓電力線載波通信方式，是以低壓配電線（380 V／220 V電力線）作為信息傳輸媒介進行數(shù)據(jù)或語音等傳輸?shù)囊环N特殊通信方式［10］。此方案可以避免電磁干擾的影響，其原理框圖如圖4所示。該系統(tǒng)由三個部分組成：終端設(shè)備部分、管理中心部分和低壓電力線部分。終端設(shè)備的信號經(jīng)過采集等處理后再調(diào)制成適合在電力線上傳輸?shù)碾娏π盘枺ㄟ^耦合電路耦合到電力線上進行傳輸。管理中心有專門的接收設(shè)備，對接收的電力信號先進行解調(diào)及其它處理，再通過串口方式將其送到主控計算機。

圖4 低壓電力載波結(jié)構(gòu)圖

3 通信系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

為實現(xiàn)變電站主設(shè)備的遠程監(jiān)控，即“五遙”（遙測、遙信、遙控、遙調(diào)、遙視）功能［12］。機器人系統(tǒng)為網(wǎng)絡(luò)分布式架構(gòu)，整體分為基站層和終端層，如圖5所示。基站層由后臺機及智能控制與分析軟件系統(tǒng)組成；終端層為閥廳內(nèi)的軌道式巡檢機器人本體及軌道。基站層和終端層通訊由網(wǎng)絡(luò)交換機、通信線纜等設(shè)備組成，負責(zé)建立基站層與終端層間透明的網(wǎng)絡(luò)通道。

4 軟件設(shè)計

換流站巡檢機器人是一種集各種視頻、音頻、控制的數(shù)據(jù)流的通信軟件系統(tǒng)，是一個復(fù)雜的軟件體系工程。為了簡化開發(fā)過程中的復(fù)雜關(guān)系，易于開發(fā)，實現(xiàn)程序的模塊化設(shè)計思想，引入了實時數(shù)據(jù)庫的概念。使用動態(tài)鏈接庫創(chuàng)建實時數(shù)據(jù)暫存區(qū)域，在通信實時主動更新數(shù)據(jù)的情況下，實現(xiàn)了各個執(zhí)行模塊之間的數(shù)據(jù)交互功能。

圖5 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)示意圖

4.1 移動站軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

移動站軟件的設(shè)計主要包括：運動控制子程序和工作子程序兩大部分。采用組合式軌道結(jié)構(gòu)，運動控制子程序可以避免輪式結(jié)構(gòu)的全局路徑規(guī)劃與局部行為規(guī)劃算法［13］，提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。通過設(shè)定不同的速度、方向，發(fā)送不同的信號驅(qū)動交流伺服電機，實時監(jiān)測條碼帶達到預(yù)定位置。啟動巡檢機器人上下運動對設(shè)備進行檢測。工作子程序?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)進行打包，通過電力載波實時發(fā)送到動態(tài)數(shù)據(jù)庫。

4.2 基站軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計

基站軟件系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)共分為4層，分別為數(shù)據(jù)層、功能層、邏輯層和表示層，如圖6所示。數(shù)據(jù)訪問層基于數(shù)據(jù)庫平臺，分類儲存不同的數(shù)據(jù)文件，包括底層發(fā)送的數(shù)據(jù)、處理的數(shù)據(jù)、控制數(shù)據(jù)等。業(yè)務(wù)邏輯層、服務(wù)層和表示層都是基于.NET FrameWork框架，業(yè)務(wù)邏輯層主要進行數(shù)據(jù)處理、命令控制等；服務(wù)層主要完成巡檢的各種服務(wù)，例如：視頻服務(wù)、控制服務(wù)、數(shù)據(jù)服務(wù)、基礎(chǔ)服務(wù)等。表示層是最頂層，包括用戶人機交互界面、定制報表、機器人控制、數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析、數(shù)據(jù)查詢等。

圖6 基站監(jiān)控后臺軟件體系結(jié)構(gòu)

5 現(xiàn)場運行

本系統(tǒng)針對寧東站直流廳進行巡檢測試，如圖7所示，圖中左上方為檢測的可見光視頻，能清晰看出設(shè)備的開關(guān)狀態(tài)、各項指示與外觀。左下方為紅外視頻，分析設(shè)備、觸頭與接頭的溫度，達到預(yù)警值會自動報警，實時檢測設(shè)備的運行狀態(tài)。右邊區(qū)域為換流閥廳的示意圖，可以看出巡檢機器人的位置及設(shè)定的預(yù)置位，實時檢測機器人，保證工作正常進行。右下方為信息欄，標(biāo)示巡檢機器人正在進行的動作，運行狀態(tài)等。經(jīng)過現(xiàn)場測試，組合式軌道機器人特別適合于換流閥廳的特殊工作環(huán)境。

圖7 巡檢系統(tǒng)主界面

6 結(jié) 論

針對換流站設(shè)備，本文研制的組合式軌道巡檢機器人系統(tǒng)，實現(xiàn)了巡檢機器人在強電磁干擾環(huán)境下的工作。已經(jīng)對銀川東直流廳進行巡檢測試，測試結(jié)果表明本機器人系統(tǒng)的非接觸式移動檢測與換流站綜合自動化的接觸式監(jiān)控結(jié)合，真正形成了全監(jiān)控方式，提高了換流站設(shè)備運行的安全可靠性。

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