基于OpenWrt的變電站巡檢機器人系統設計

鄭州理工職業學院 趙瑞芹

針對智能變電站無人值守的實際需求，本文設計一種基于Open-Wrt的變電站巡檢機器人。該巡檢機器人是以OpenWrt無線路由系統為核心的移動式無線基站，具備小型化、多功能、完全自主運行功能的履帶式機器人，可攜帶網絡高清攝像機、紅外測溫儀、拾音器等傳感器通過巡檢機器人運動控制系統實現自主導引。在站內無線局域局域網環境下完成巡檢數據上載，同時由巡檢監控管理中心實時反饋現場信息并自動生成巡檢報告。通過無線充電樁，實現設備的自主充電。實驗結果表明，該設備不僅能夠有效降低人工巡檢的勞動強度，提高現場實際巡檢效率；而且滿足電網現場實際應用的需求。

1 概述

隨著電子技術的迅速發展，特別是計算機技術和“五遙”功能的實現。電網無人化值守發展程度不斷提高，現代電氣自動化技術和遠程測控技術已基本可以實現變電站內設備遠程監控，無人值守的管理制度極大的提高生產效率、降低電網的運維成本。實現智能變電站無人值守的關鍵環節之一就是智能巡檢終端的應用。

智能變電站巡檢機器人能夠有效的解決人工巡檢過程中存在的工作效率低、巡檢質量良莠不齊、運維成本高等不足之處。對此國內外許多研究機構開展了關于無人值守變電站智能巡檢機器人應用的研究。圣西保羅大學研制的懸掛式移動機器人，由高空鋼索導引對電氣一次設備實時溫度監測，但是線路設計成本高且監測項目單一。新西蘭電網公司和梅西大學聯合研發的全地形變電站巡檢機器人，能夠識別現場四周環境，但是智能化程度不高只能滿足遠程遙控方式工作。國網電力機器人技術實驗室研制的第四代巡檢機器人基本能夠實現對變電站設備的智能化巡檢①，讀取各個監測點RFID標簽信息完成對各個電力一次設備的數據采集，但是裝置結構復雜、存在信息采集易缺失、受限于監測點視角以及監測軌跡、無法實現對電力設備的全方位監測。

針對上述研究結果分析可知，現階段變電站巡檢機器人巡檢內容單一、機械電氣結構冗雜，無法完全實現自動導引、故障診斷分析等復雜功能。對此本文設計一種基于OpenWrt的變電站巡檢機器人，該設備符合未來電網智能化、小型化、工具化的標準②，能夠實現完全自主運行并且可配合后臺監控中心平臺通過攜帶相應的傳感器設備實現對一次電力設備的遙控監測，同時自動生成巡檢報告；變電站內裝設有柔性無線充電樁，實現自主充電。目前，該巡檢機器人現場模擬運行效果表明，基本滿足傳統變電站內所需人工巡檢的功能要求。

2 基于OpenWrt的變電站巡檢機器人系統總體結構

根據目前現場變電站巡檢機器人的實際運行情況以及相關的性能指標要求，本文提出一種基于OpenWrt的變電站巡檢機器人。該裝置可攜帶網絡高清攝像頭、紅外測溫儀、拾音器等多路傳感器，通過機器視覺、紅外測溫、音頻識別等方法，監測并記錄電氣一次設備的溫度、圖像以及噪聲等信息，并且能夠識別設備的部分電氣問題，如外觀異常、開關或刀閘的位置、儀表讀數、油位計位置等，最終由后臺巡檢監控管理中心處理并生成統一規范的巡檢報告，自動按巡檢時間保存到信息管理系統。模擬規劃現場最優巡檢路徑，采用磁導引以及超聲波避障的方法實現自主巡檢。當裝置在電量不足或者完成巡視任務后，巡檢機器人能夠自行返回充電室自動充電并且上載數據。

變電站巡檢機器人系統設計采用服務器/客戶端模式。系統總體結構分別由巡檢監控管理中心（Client模式，客戶端）、站內無線局域網、巡檢機器人（Server模式，服務器端）組成。客戶端與服務器端之間遵循TCP/IP和UDP通信協議，巡檢監控管理中心作為客戶端通過無線局域網數據鏈路層索引巡檢機器人的服務器IP地址，實時獲取服務器端的反饋信息，綜合分析生成該時段的相關巡檢信息反饋數據包。如圖1所示。

圖1 系統總體結構圖

3 基于OpenWrt變電站巡檢機器人關鍵技術

3.1 巡檢監控管理中心

巡檢監控管理中心是根據NET Framework和AForge.NET框架下開發的一款具備模糊推理、圖像識別、視頻解碼、數據壓縮存儲管理等功能的應用程序，可支持Windows操作系統下的計算機終端。該應用以C＃高級語言為基礎，采用高度模塊化的程序工具類庫開發，可移植性以及擴展性強。

同時考慮到系統所要求的各項功能、組成結構、后期擴充性要求和開發環境的方便程度，本系統的軟件開發采用面向對象的模塊化程序設計方法，以現在通用的Windows操作系統作為運行平臺，選擇Microsoft Visua Studio 2010作為開發工具，采用功能更為強大的C#開發語言③。開發客戶端軟件操作界面，配合相應的下位機的服務器端應用程序。

該系統結構如圖2所示，巡檢監控管理中心采用人機式交互界面，該界面下涵蓋控制面板、監測面板、數據管理系統三大功能庫。人機交互界面是用戶進入操作界面的管理入口，用戶可通過密鑰進入軟件操作界面，實現對系統中不同功能庫的各項具體操作。作為用戶最直觀操作界面，該界面以調用功能庫下控件的響應事件控制巡檢機器人完成一系列動作指令以及相關數據分析、處理。

圖2 巡檢監控管理中心系統結構

（1）控制面板通過運動解碼器可分別實現對機械臂的空間位移和機器人運動軌跡的控制；調用巡檢機器人系統自帶的SertoNet網口轉串口數據類庫完成數據上載；根據巡檢計劃對巡檢任務進行配置；巡檢機器人初始化設置即現場監測位置定點信息、IP地址設置、機械臂順序運動控制系統設置等一系列根據現場實際情況進行的出廠后初始化信息配置。

（2）監測面板作為巡檢機器人現場運行狀態信息反饋的功能庫，可顯示現場實時視頻監控畫面、紅外測溫讀數、設備噪聲趨勢圖。同時記錄匯總變電站內電力一次設備儀表度數、開關閉合狀態等相關信息的運行狀態表，反饋巡檢機器人的設備運行狀態和電量實時監控畫面，并且根據現場變電站內2維地圖顯示當前位置。在巡檢任務結束后自動生成巡檢報告，存儲到數據管理系統。

（3）數據庫管理系統中用戶可進行登錄、管理、查詢相關巡檢報告。綜合Aforge.Fuzzy類庫中模糊推理工具、圖像識別數據庫以及噪聲分析數據庫對巡檢數據進行分析、處理，并由巡檢報告制作工具生成最終巡檢報告，分類存儲到巡檢報告數據庫。

3.2 變電站內無線局域網部署

綜合考慮變電站內強電磁干擾、建筑物的隔斷削弱作用以及紅外測溫儀和網絡視頻信號上傳過程中的高帶寬要求，本文采用5.8GHz頻段信號的WiFi設備作為無線接入點(Access Point，AP)建立變電站內無線局域網④。該局域網具備高速接入、信號傳輸穩定、抗干擾性強以及高傳輸帶寬的特點。

站內無線局域網系統通架構分為移動式無線基站（安裝在巡檢機器人上的OpenWrt無線路由設備）、無線基站（部署于巡檢線路周圍）、網絡交換機三部分組成。無線基站的部署采用扇區天線或者全向天線盡可能的覆蓋巡檢機器人運動軌跡，在避免相同信道干擾前提下，AP部署采用點對多點的不同頻點鄰近覆蓋組網方式，減少網絡延時和避免由于單點故障造成的網絡癱瘓。5.8GHz頻段信號的WiFi設備在滿足站內無線信號的帶寬和傳輸穩定性的要求下，通過光纖連接設備以太網端口與交換機端口保證通信信道的高速性，同時使用支持標準IEEE 802.3af POE以太網線供電的FS728TP交換機，避免變電站內運距離架設強電線路的安全性問題。采用AutoCell射頻自動管理技術保證站內無線局域網信道合理規劃以及高效的功率調整⑤。其巡檢線路的無線信號覆蓋范圍平面圖，如圖3所示。

圖3 無線信號覆蓋平面示意圖

3.3 巡檢機器人電源供電系統設計

考慮到充電接口長期插拔操作易造成觸點磨損，導致充電設備接觸不良，降低充電效率；同時裸露充電設備容易引發電火花，存在重大安全風險⑥。因此巡檢機器人采用基于電磁感應原理的無線充電方式，實現設備自主充電。無線充電裝置包括車載充電接收電路和地面充電發射電路。無線充電樁地面安裝楔形卡槽，一方面可以擺正車體的充電位置，保證最大充電效率；另一方面該卡槽作為提供充電裝置的接通的電信號裝置，保證設備在充電區域內持續可靠供電，離開時自動斷開電源。

圖4 電源供電系統結構

巡檢機器人的電源供電系統主要包括無線電能發射模塊、BMS控制模塊和無線電能接收模塊，具體電源供電系統結構如圖4所示。

無線電能發射模塊以全橋逆變結構的高頻電路為核心，將由發射模塊供電電路的整流穩壓的36V直流電逆變成高頻交流信號傳送到無線電能接收模塊。其中方波信號發送電路提供PWM波作用于驅動電路，保證橋臂的可靠導通與截至⑦。

無線電能接收模塊通過整流濾波電路將交流電整流成鋰電池組所需的直流電，充電過程由BMS控制模塊管理。最終由鋰電池組提供巡檢機器人供電模塊提供所需的36V工作電壓

BMS(Battery Management System，電池管理系統)控制模塊能夠實時監測巡檢機器人的耗電量信息，實時反饋到巡檢監控管理中心。實現鋰電池組均衡合理的充電和用電。

3.4 巡檢機器運動控制系統設計

巡檢機器人的運動控制系統以基于PowerPC的嵌入式實時操作系統為核心，涵蓋有全局路況檢測模塊、巡檢機器人移動控制模塊以及機械臂順序控制模塊。如圖5所示。

圖5 運動控制系統結構

全局路況檢測模塊主要包括磁導引檢測電路、超聲波避障電路、紅外反射傳感器電路，可提供移動過程所需的磁導引軌跡、路障信息、以及路面黑色定位標簽的模擬信號。

巡檢機器人移動控制模塊采用MOSFET搭建的兩路并聯H橋電路，同時外接36V直流電。該電路具有輸出電流大，響應速度快的特點，能夠將全局路況檢測模塊信號提供的路況模擬信號，經中央處理系統分析轉換成巡檢機器人移動控制模塊所需的數字信號，實現巡檢機器人自主循跡、位置鎖定。

機械臂順序控制模塊硬件電路由相互獨立的六片內置H橋電路的L298N驅動芯片組成，通過PWM波輸出實現對六路伺服電機的單點控制。結合BP神經網絡算法對現場不同監測點所需機械角度樣本進行訓練，按照順序存儲方式將不同監測點最優機械角度保存到機械臂順序控制模塊存儲單元。

3.5 OpenWrt無線路由系統

OpenWrt無線路由系統作為連接站內無線局域網和巡檢機器人的移動式無線基站，其系統架構如圖6所示。

圖6 OpenWrt無線路由系統架構

該系統主要由底層硬件接口、相關設備驅動、以AR9331X芯片為核心的OpenWrt操作系統組成。具備無線圖傳、數據包轉化和路由等功能。其中OpenWrt作為一款集成度高、可擴展性強，同時支持二次開發的嵌入式Linux系統，用戶可根據設備功能需求開發具備特定功能的嵌入式系統固件。根據巡檢機器人的功能需求，在OpenWrt中植入網絡路由組件實現無線路由功能，同時根據開源的固件庫編譯一個包含Kmod-video-core（視頻設備驅動API）、Mjpg-Streamer(圖像流傳輸API)和SerToNet（串口轉網口API）等組件設計的OpenWrt固件系統。

該路由設備采用OFDM（正交頻分復用技術）可通過5.8GHz專網射頻頻段接入站內無線局域網，支持高達432Mbit/s的數據共享吞吐量，實現數據的高速、穩定傳輸。

4 基于OpenWrt的變電站巡檢機器人現場應用

巡檢機器人樣機研制完成后，對產品各項基本性能指標進行初步測試。并在河南某35kV變電站內進行初步現場模擬實驗。

該35kV變電站容量為2×15MVA，電壓等級為35/10kV，占地面積為34.9m×19.3m，共673.5㎡，35kV側2路總進線，10kV側共10路出線。根據文中變電站內無線局域網部署方案，現場站內無線局域網由8臺5.8GHz無線路由設備、1臺FS728TP交換機組成。現場測試區域共2臺巡檢機器人一臺主用、一臺備用，所需巡視區域共計450個觀察點，巡視道路總長2.5km，完成一次巡檢任務約90min。

巡檢機器人接收監控管理中心發布的巡檢任務，根據現場布置的磁導線軌跡和現場路面黑色定位標簽，按照各個觀察點第一次模擬巡檢訓練樣本存儲的巡檢規劃信息，通過巡檢機器人運動控制系統以及各類傳感器設備完成觀察點信息采集，巡檢任務結束自行返回無線充電樁充電，同時上載數據。用戶通過調用巡檢監控管理中心主機的巡檢報告以及現場相關檢測數據獲取當前測試情況，如某一次巡檢任務中10kV出線斷路器設備紅外熱成像圖以及設備溫度幅值大小，具體如圖7所示。

圖7 斷路器設備紅外檢測溫度圖

5 結束語

本文設計一種基于OpenWrt的變電站巡檢機器人，并投入現場試驗。該巡檢機器作為可移動式無線基站，具備小型化、多功能、完全自主運行等特點。通過攜帶電力一次設備檢測所需傳感器，根據站內地面磁導線以及地面定位標簽由巡檢機器人運動控制系統實現全路況自主導引。由現場部署5.8GHz頻段信號的無線AP設備構成的無線局域網完成巡檢數據上載，同時用戶可通過巡檢監控管理中心實時查看現場實時反饋信息并在巡檢結束后自動生成巡檢報告。現場布置的無線充電樁，實現設備的自主充電。現場運行情況良好，基本達到預期效果。隨著智能電網的高速發展，無人值守變電站已成為智能變電站的主流趨勢。巡檢機器人作為無人值守智能電站的重要環節，具有重要的發展前景。

引文：周立輝，張永生，孫勇等，智能變電站巡檢機器人研制及應用：電力系統自動化，2011；②蔡煥青，邵瑰瑋，胡霽等，變電站巡檢機器人應用現狀和主要性能指標分析：電測與儀表，2017；王開宇，基于C#的數據與視頻監控上位機軟件設計：現代電子技術，2017；袁慧，基于安全隧道和IEEE802.1x的變電站安全AP設計：電力信息與通信技術，2016；王新峰，劉霜霜，WLAN網絡中無線射頻資源的自動管理策略：計算機應用與軟件，2016；宋志鋒，吳秀海，孟杰等，變電站巡檢機器人充電技術研究：現代制造，2014；熊承龍，沈兵，趙寧，基于電磁感應的無線充電技術傳輸效率的仿真研究：電子器件，2014。