變電站智能巡檢機器人應用分析

陳小龍

摘 要： 變電站人工巡視存在占用人員，效率低，耗時長，當站內存在多檔工作時，人員無法及時調配等問題。分析了智能巡檢機器人的應用背景及機器人的功能特點；詳細分析了變電站巡檢機器人的硬件結構及網絡實現方法；給出了人機界面實現的主要功能。針對目前變電站巡視維護工作中存在的難點，廣州500kV 某變電站引入了巡視機器人，通過自主或遙控的方式，在無人值守的環境中，對站內高壓設備進行紅外測溫、儀表識別、噪聲識別和數據采集等功能，具有全自動、無軌化、智能化的優點。

關鍵詞： 變電站；智能巡檢機器人；功能分析

1.應用背景

根據《南方電網公司設備運維策略及管控機制建設指導意見》關于變電站巡視維護的要求，廣東某變電站按照日常巡視周期，特巡安排對所下轄變電站進行巡視維護，根據周期維護安排對站內相關設備定期進行紅外測溫。500kV xx變電站設備場地大，巡視工作需四個運行人員花費一個小時才能完成，效率低，耗時長，當站內存在多檔工作時，人員無法及時調配。此外500kV 某變電站主供廣州市區，設備運維等級高，時常需要進行各類特巡，紅外測溫工作，對運行人員的巡視維護工作提出了較高要求[1]。

針對目前變電站巡視維護工作中存在的難點，廣州500kV 某變電站引入了巡視機器人，通過自主或遙控的方式，在無人值守的環境中，對站內高壓設備進行紅外測溫、儀表識別、噪聲識別和數據采集等功能，具有全自動、無軌化、智能化的優點。根據設定要求，巡視機器人可在規定時間內完成對全站所有設備的巡視，也可根據特巡要求，重點對特定設備進行巡視。采集的數據時時無線上傳到主控室客戶端，發現異常時，客戶端電腦自動發出告警信號，提醒運行人員及時進行處理。最終實現站內所有設備完全自動巡檢，巡視過程中不遺漏任何故障，設備巡維工作效率大幅提高。

2.智能巡檢機器人功能

智能巡檢機器人系統以自主或遙控的方式，在無人值守的環境中，完成對室內（外）高壓設備進行紅外溫度監測、表記拍攝識別、有毒有害氣體分析等任務，替代人工完成巡檢中遇到的繁、難、險和重復性的工作。智能巡檢機器人基于無軌化導航技術和運動四驅底盤，并集多種高科技技術為一體，包含安全防護單元、底盤及驅動單元、供電單元、主控單元、通訊單元、導航單元、拾音對講單元等模塊，具備無軌化、可調配、智能化、集群化、耐高寒與高溫、運行時長的優勢。智能機器人在變電站巡檢中具備表記、紅外自動拍攝識別、越野運動無死角、報表自動生成并分析全自動功能；還具有單車部署快捷，可方便站間調配，減少施工，節約成本，縮短工期，巡檢路徑可定制修改等優點。

智能巡檢機器人主要有定點定路徑、指定點巡檢、遙控巡檢、高清可見光與紅外實時視頻監控、變壓器和電抗器噪聲監測、SF6泄露檢測、紅外測溫與故障報警、可見光圖像智能判別、巡檢報表分析與歷史數據分析等功能，以自主或遙控的方式，在無人值守的環境中替代人工執行巡檢任務。另外智能機器人應用廣泛，覆蓋發電、輸電、變電、用電等各電力相關環節，包括發電廠升壓站、輸電廊道、電網變電所、企業變電站、冶金整流室及解壓槽等應用領域。

3.巡檢機器人結構分析

3.1 巡檢機器人主要構成

巡檢機器人主體由激光傳感器、云臺，高清攝像頭、紅外熱像儀、超聲傳感器、機器人核心控制機箱、安全停障模塊、底盤模塊等核心設備和其他輔助設備組成，如圖1所示。圖中給出了主要設備所在位置。 下圖中標注如表1所示。

3.2主要硬件功能實現

機器人底盤模塊由四個獨立驅動的輪子組成，支持最高1m/s的直行速度和原地轉彎，底盤驅動模塊具有自身高壓、低壓、過流、短路、斷路、過溫、通訊實時監測功能，發生異常時自動停車并能上報錯誤狀態。四輪獨立驅動的底盤，具有強大的路況適應能力，結合激光雷達導航全站覆蓋的特點，真正的做到在特殊復雜環境中檢測無死角。防撞超聲傳感器使用德國施克（SICK）UM30系列，該系列產品專屬配置于豪華轎車，實現自動泊車入位功能。國自智能巡檢機器人一共配置6個超聲傳感器，在設計上同時兼顧了對高位以及低矮障礙物的識別。具有高靈敏度，穩定可靠，誤觸發防止機制等優點。激光傳感器用于機器人掃描周圍環境，采用180°實時掃描的工作方式。請操作人員注意對激光傳感器的保護。另外，在機器人日常巡檢工作時，請勿有大量人員圍于激光傳感器周圍，以免干擾機器人的定位。機器人硬件開關按鈕有兩個，分別是電源開關按鈕，急停開關按鈕。電源開關按鈕控制機器人各個設備上電，急停開關按鈕可以強制停止機器人底盤運動。

云臺用于控制高清攝像頭與紅外熱像儀在巡檢過程中的拍攝角度，該云臺設備為全向型云臺，支持垂直方向90°和水平方向360°旋轉，云臺配有補光燈和雨刷，以支持夜間和雨天的巡檢。注意，每次云臺上電后都會有一次全向旋轉的自檢過程。另外，請工作人員在巡檢車日常檢修保養過程中，及時清理云臺鏡面，以免干擾攝像頭與紅外熱像儀的使用。云臺自帶的高清攝像頭，具有200萬像素，30倍光學變焦，聚焦快速，準確[2]。

紅外熱像具有基于標準以太網硬件和軟件協議的創建單臺或多臺紅外熱像儀分布解決方案所需的所有特征和功能；能提供經濟且精確的測溫解決方案；能夠提前發現異常情況，避免演變為嚴重故障，杜絕財產損失或對人身安全構成潛在威脅。

機器人采用PK-060H-A拾音器，該拾音器專為監倉、連鎖店、審訊室等行業用戶同步監控錄音而設計，原裝進口套件組裝；采用堅固、耐用美觀的金屬全屏蔽結構設計，表面電鍍處理，遠離環境噪音、杜絕電磁的干擾；采用BOURNS專業高級鍍銀錄音全向音頭，60平方內高保真、高靈敏、高帶寬、無噪音；適合多點式同步語音取樣，可布局陣列式安裝和環境降噪；數字降噪信號處理電路，內置語音激勵功能，大大提高語音清晰度；采用D.A.D.S.（雙層空氣緩沖系統）結構，再現了語音伸縮自如；提高性噪比及能減低因相位移動而形成的失真，大大的改善音質；獨特杜比全向邏輯環繞聲標準設計，內置高速語音DSP處理單元，兩級動態降噪處理；監聽頭內置雷擊保護、電源極性反轉保護和電源保護模塊；超長音頻信號傳輸技術，采用RVVP2×0.5 mm2屏蔽電纜傳輸3公里不失真；集成專業SMT音頻處理器，可直接驅動有源音箱、硬盤錄像機、錄音機等。

機器人安全停障模塊共有遠距離超聲停障和近距離碰撞停障兩級停障裝置，用于確保機器人在巡檢過程中，不因撞擊障礙物而受到傷害。超聲停障的警界范圍為50cm～100cm，在該范圍內出現障礙物時機器人開始減速，當障礙物與機器人距離小于50cm后，進入超聲停障區域，機器人底盤停止運動。若機器人已經撞到障礙物，碰撞開關閉合，底盤立即停止運動。

工作指示燈主要有警示燈和補光燈。警示燈在機器人檢測到異常情況就會亮起，提示警告；補光燈是夜間巡檢時，用于增強照明效果。機器人采用耳神ER151藍牙音箱，該款音箱是一款專門為戶外使用而設的藍牙音響。它擁有著一個時尚又不缺乏酷感的外表，外觀造型采用了用了穩定的等邊三角形外觀設計，兩邊均包裹有厚實的橡膠材質，具有非常給力的抗震能力，就算在戶外帶著它運動也不會覺得不放心。另外，耳神ER151藍牙音響采用A2DP無線傳輸立體聲技術，可以將立體聲環繞效果隨時隨地展現出來。而作為主要特色的藍牙技術當然也不能小看，有了它你就能駁接大多數智能手機以及便攜的平板等數碼設備聆聽，使用操作起來也很方便。

自主充電裝置用于機器人進行自主充電，裝置有正負極觸頭和信號觸頭，當成功充電后，充電指示燈會變綠，且電流表顯示當前充電電流。另外自主充電裝置還能進行手動模式切換。當切換成手動充電模式情況下，只要車體充電正負極觸頭與充電座正負極接觸就能直接充電。

3.3巡檢機器人網絡實現

無線通訊設備采用Rocket M2，該款設備是美國UbiquitiTM Networks公司推出應用于IEEE 802.11g/n的無線產品，是目前全球性價比最好的室外型無線網橋。

Rocket M2通過把專利天線技術與模塊的完美組合，外部通過網線PoE方式供電，在不外接天線的情況下就，傳輸距離就能達到30公里。設備集成柵格天線的所有功能。

在變電站內架設無線網絡需要根據巡檢區域的大小，采用一個或多個無線AP對其進行覆蓋： 一般情況下，為保證良好的無線網絡覆蓋效果（具體表現為實時高清視頻播放流暢），關于電壓等級110kV、220kV及500KV變電站采用1個無線AP，針對電壓等級1000kV變電站將會采用2個無線AP，做到變電站無線網絡無視角、全覆蓋為實現巡檢機器人設備巡視全覆蓋提高良好基礎。同時，在巡檢車上布置一個工業級無線AP做為客戶端，與站內的無線AP相連，車載的網絡設備都通過該客戶端接入到站內的無線網絡中。并且，當巡檢區域內存在多個AP時，“零切換漫游”功能可以使多個AP構成一個AP網絡，此時，巡檢車可以在任何地點漫游，并不需要執行切換操作，實現巡檢車在整個巡檢區域與客戶端無縫保持連接。無線AP架設在室外的AP箱內，與主控室的客戶端通過光纖相連。一般情況下，變電站內的無線AP布置在巡檢區域的中心位置；當巡檢區域過大，或者存在有嚴重遮擋等需要布置2個AP的情況時，可以將巡檢區域平均分為兩個區域，則無線AP分別布置在各區域的中心位置，以達到良好的覆蓋效果[3]。

本地監控平臺通過網絡實現與微氣象站的數據交互，實時獲取變電站戶外環境數據。本地監控平臺與微氣象站采用TCP/IP協議工業網絡進行數據交互，實時氣象數據包括溫度、濕度、風速及降水等信息，通過系統針對不同天氣環境對巡檢機器人的外部輔助硬件進行配置，能夠有效的提高巡檢機器人的任務適應性能。

3.4 人機界面功能實現

智能巡檢機器人客戶端軟件的作用是讓用戶能更方便地使用智能巡檢機器人。該軟件人機界面友好、操作方便、信息顯示清晰直觀，并且具有一系列任務功能，包括編輯實時或定時巡檢計劃、下發巡檢任務、監控巡檢過程、形成巡檢報表、查看歷史巡檢數據、遠程遙控巡檢機器人等。

4.結論

巡視機器人的引入將運行人員從巡視工作中解放出來，可專注于倒閘操作，現場安全管控、配合外來班組工作等，節約了時間，大大提高了工作效率和安全管控水平。另外結合倒閘操作后檢查設備位置信號功能，為變電站最終實現遠程順控操作，解決日益增長的變電站數量與運行人員緊缺的問題，實現運行工作的精益化管理。

參考文獻[1]高青，馮李軍，張鵬.智能巡檢機器人的研究[J].電氣時代，2012（4）：71-73.

[2]張偉，龔嬌龍，張惠芳，等.基于視覺導航的變電站智能巡檢機器人的研究[J].陜西電力，2015， 43（6）：63-66.

[3]肖鵬，王海鵬，曹雷，等.變電站智能巡檢機器人云臺控制系統設計[J].制造業自動化，2012， 34（1）：105-108.