機器人在110 kV 變電站的應用

王建綱

（山西太鋼集團嵐縣礦業公司，山西 呂梁 035200）

0 引 言

對于110 kV 變電站智能巡檢中應用的機器人，具體研究中，首先需要充分了解其對地理信息系統（Geographic Information System，GIS）、變壓器、高壓開關柜等電器設備巡檢工作中的主要應用優勢，然后再結合當前110 kV 變電站的智能巡檢工作需求，對其硬件組成和軟件功能進行分析。

1 110 kV 變電站電氣設備巡檢中的機器人應用優勢

就目前來看，智能機器人在110 kV 變電站電氣設備巡檢中的主要應用優勢包括以下幾點：（1）通過各類先進檢測技術與設備的應用，可讓獲取到的檢測數據更加精準，以此來提升變電站巡檢質量；（2）可替代傳統人工進行各類的常規巡檢工作，從而降低巡檢工作人員的作業強度，實現人力資源及其成本的合理節約；（3）可在室內出現異常情況時完成一些應急動作，如控制開關柜以及滅火等，以此來保障110 kV 變電站電氣設備的安全性；（4）可實現有毒氣體、溫度等環境條件的全面、準確監測，并具備交互對講和指揮功能，從而在110 kV 變電站應急救援等工作中發揮出更好的優勢；（5）可靈活實現轉彎、窄小空間避障等多項操作，并替代人工完成各項危險操作，從而進一步提升變電站巡檢工作人員的安全性[1]。憑借著這些優勢，智能巡檢機器人在當今的110 kV 變電站電氣設備巡檢中得到了越來越廣泛的應用。而此類機器人的硬件組成及其軟件功能應用也成了當今電力工程領域中的重點研究內容。

2 110 kV 變電站電氣設備智能巡檢中機器人的硬件分析

本次所研究的是一種應用在110 kV 變電站電氣設備智能巡檢中的機器人，其主體組成部分包括云臺、激光傳感器、紅外熱像儀、高清攝像頭、超聲傳感器、核心控制機箱、底盤模塊以及安全停障模塊等。以下是對其主要組成硬件進行的分析。

2.1 運動方式、模塊和障礙物感應裝置

此變電站戶外區域的機器人采用是地軌機器人，地軌巡檢機器人沿軌道行走，以激光雷達確保行走安全，搭載的高清可見光攝像機、紅外熱成像儀、環境及氣體傳感器對待巡檢對象進行表計讀數抄錄、位置狀態識別、溫濕度檢測以及機器人所處位置的局部環境監測。

此變電站戶內區域的機器人為掛軌形式，其主要材料是歐標直角4080 鋁型材，吊架部分使用膨脹螺栓固定在樓板上，吊架系統包括吊架頂板、吊架連接件、吊架底板。主控制室部分軌道離地約2.3 m，每隔2 m 左右安裝一個吊架；10 kV 配電室部分軌道離地2.6 m，每隔2.5 m 設置一個吊架，保證軌道及機器人運行的穩定性。

具體巡檢時，該機器人行走模塊可實時監測自身的低壓、高壓、斷路、短路、過流、過溫以及通信等情況，如果發現異常，則會控制機器人自動停工，并及時將錯誤狀態上報[2]。同時，該軌道式模塊的適應性也很穩定，在激光雷達導航的支持下，可在復雜地形、特殊環境下穩定行走，檢測畫面準確。

安全停障模塊是其障礙物感應裝置，該模塊包括遠距離和近距離2 級停障裝置，可在機器人巡檢中免受障礙物撞擊危害。其超聲停障警戒范圍為50 ～100 cm，當檢測到這一范圍內存在障礙物時，機器人便會減速，當機器人和障礙物的距離不足50 cm時，機器人行走運動將立即停止。

2.2 可見光與紅外熱影像儀集成的一體化云臺

在該機器人中，云臺的主要作用是對巡檢時的紅外熱像儀與高清攝像頭拍攝角度加以控制，將全向型云臺用作云臺設備，可為其360°水平旋轉拍攝與90°垂直拍攝提供支持。每一次上電后，云臺都會通過全向旋轉的方式進行一次自檢。該機器人云臺中的高清攝像頭像素為200 萬，光學變焦可達30 倍，以此來及時發現110 kV 變電站中存在的異常，盡最大限度避免產生嚴重的故障和事故。

2.3 無線通信設備和AP 無線網絡箱

將Rocket M2 設備用作該機器人中的無線通信設備，通過專利天線技術和模塊之間的完美組合，可在不需要外接天線的條件下實現30 km 的遠距離通信，同時也將柵格天線的全部功能都集成在其中，以此來充分滿足機器人巡檢中的通信需求[3]。

將實際巡檢區域作為依據，在變電站中進行無線網絡架設，其網絡覆蓋主要通過無線接入點（Access Point，AP）來實現。為確保機器人巡檢中高清視頻的流暢播放，可將一個無線AP 設置在110 kV 變電站，另一個無線AP 設置在客戶端，通過2 個無線AP 的連接來進行高清巡檢視頻的實時獲取和播放，以此來實現110 kV 變電站智能巡檢中實際情況的實時掌握。

巡檢機器人通過滑觸線電力載波方式與后臺服務器實時通信控制。充分利用配電房的電力資源，基于現有滑觸電力線通過載波方式高速傳輸模擬或數字信號，無需另外架設網絡線路，實現了機器人與遠程控制室的通信及數據遠程傳輸等功能，通信方式經濟且高效。巡檢機器人的主要通信方式如圖1 所示。

圖1 巡檢機器人主要通信方式

2.4 自主充電裝置和充電房

機器人的自主充電主要通過自主充電裝置來完成，該裝置主要由信號觸頭和正負極觸頭組成，充電成功后，裝置上的充電指示燈會呈綠色，充電電流會顯示在電流表上。同時，該裝置也支持自動充電和手動充電2 種模式的相互切換。在手動充電模式中，只需要讓機器人的正負極充電觸頭正確接觸到充電座上的正負充電觸頭，便可直接為機器人充電。

充電房的主要作用是存放機器人并為其充電，本次設計的機器人充電房尺寸是180 cm×180 cm×220 cm，其中設置了自主充電座、專用配電箱、自動卷簾門、手動充電器以及電燈等裝置。通過角鋼和優質槽鋼焊接出機械強度足夠高的基本骨架，通過鍍鋅板材料制作其外殼，從而使整個充電房具備良好的堅固性和抗腐蝕能力。

2.5 監控平臺和微氣象站數據交互

在該機器人進行110 kV 變電站電氣設備巡檢時，監控平臺和微氣象站之間的數據交互主要通過網絡來實現，從而使監控平臺能夠對變電站的室外環境監測數據做到實時獲取。本次設計中，監控平臺和微氣象站之間的通信協議為傳輸控制協議/網絡協議（Transmission Control Protocol/Internet Protocol，TCP/IP）。具體巡檢中，需根據實際的環境情況來合理設置機器人輔助硬件，使其與檢測環境相適應[4]。借助于監控平臺，用戶可對110 kV 變電站室外的風速、溫度、濕度以及降水等信息進行實時查詢，以此來滿足實際的變電站巡檢需求。

2.6 其他附屬設備設置

除了以上幾種主要的硬件設備外，在該機器人的硬件中，還包括以下幾項其他附屬設備：（1）設置了2 個開關按鈕，一個是電源開關，主要負責為機器人中的各個設備上電，另一個是急停開關，主要負責機器人底盤停止運動操作的強制執行；（2）將UF-R1021T 型耳神藍牙音響作為機器人音響，將厚實的橡膠包裹在其兩邊，以此來實現智能檢測中的語音播報；（3）將HD-18D 碟型拾音器設置在機器人上，負責硬盤錄像機、有源音箱以及錄音機等的直接驅動；（4）將遙控安卓手機作為遙控器，以此來進行機器人巡檢操控。

3 110 kV 變電站電氣設備智能巡檢中機器人的軟件功能分析

在110 kV 變電站電氣設備智能巡檢機器人的實際應用中，其主要的軟件功能包括實時監控、巡檢計劃、遠程遙控以及數據管理等。以下是對其主要軟件功能進行的分析。

3.1 實時監控

在機器人巡檢時，用戶可通過打開客戶端軟件，進入模塊界面來實時查看其巡檢路線、當前位置和即將巡檢的設備等，這些信息都將以紅外視頻或高清視頻的形式顯示在界面上。在該模塊的實現中，主要的支持功能包括電子地圖、可見光視頻、紅外視頻、微氣象信息、近期巡檢任務以及運行信息等。110 kV變電站智能巡檢中的機器人實時監控模塊主要功能情況如表1 所示。

表1 110 kV 變電站智能巡檢中的機器人實時監控模塊主要功能情況

3.2 巡檢計劃

在該巡檢機器人的巡檢計劃軟件模塊中，主要的功能包括以下2 個：（1）任務安排，通過一個日歷信息控件顯示日歷中每一天關于巡檢任務的信息，包括當天110 kV 變電站巡檢任務的制定、執行及其完成等信息，具體應用中，可根據實際需求對機器人的重復巡檢計劃加以科學制定，包括每個月的巡檢頻次、巡檢日期以及每次巡檢時間等；（2）任務編輯，該軟件主要負責110 kV 變電站機器人巡檢任務的編輯與下發處理，具體應用中，可按照實際需求對該功能界面任務樹里的一些設備進行勾選，將其儲存成一個巡檢任務，并將這個任務下發給機器人，以此來進行機器人的巡檢控制。為便于用戶巡檢設備的勾選，該軟件還設置了變電站設備分類與查詢功能，借助于這一功能，可按照110 kV 變電站中不同的設備區域、不同的設備類型以及不同巡檢類型進行設備查詢，或通過關鍵字搜索進行設備查詢[5]。

3.3 遠程遙控

操作者可在該軟件上按實際的巡檢任務需求將機器人遙控到指定的巡檢地點，對待檢測設備實施特巡，并進行紅外和可見光圖像拍攝。該軟件模塊的主要支持控件包括以下幾種：（1）雷達控件，該控件和汽車倒車雷達具有基本相同的功能，可實現機器人巡檢中激光信息的實時顯示，遙控其與周邊障礙物保持安全距離；（2）車體控件，該控件和汽車方向盤功能類似，點擊其中的不同區域，便可對機器人巡檢中的左轉、右轉、前進以及后退進行遙控；（3）云臺控件，該控件與車體控制操作方法類似，通過鍵盤鼠標組合的方式，可對云臺進行左轉、右轉、變倍、降低、抬高等運動進行遙控；（4）模式切換控件，主要負責機器人巡檢中遙感遙控和按鈕遙控2 種模式的切換。

3.4 數據管理

在該巡檢機器人的軟件系統中，數據管理也是一個至關重要的軟件功能模塊。通過該模塊，可將110 kV 變電站機器人巡檢中獲取到的歷史數據進行統計分析，再將最終獲得的結果以設備地圖、日歷、柱狀圖、列表等形式顯示在客戶端軟件界面上。在110 kV 變電站的智能巡檢工作中，機器人數據管理軟件主要可實現以下幾項功能：（1）缺陷控件可顯示出系統設備分析所獲得的異常結果，對于這些異常情況，可采用人工確認的方式重新進行修改；（2）歷史曲線控件可將某一設備巡檢中的所有歷史數據繪制為一條曲線，通過這條曲線，便可明確該設備在某一段時間里的實際運行狀態；（3）歷史數據界面上會顯示出同一設備不同歷史時段里的巡檢圖片，并對其差異性做出科學對比，以此來實現相應設備異常及其發展趨勢的科學掌握。

4 結 論

要想使其硬件和軟件優勢得以充分發揮，相關單位、研究者、技術人員就需要對其硬件組成及其軟件功能等進行全面研究。明確硬件系統中各個組成部分的主要功能及其應用方法，借助于各種軟件功能來進行機器人巡檢作業的控制。通過這樣的方式，才可以進一步提升巡檢機器人的應用效果，提升其巡檢效率、質量和安全性，以此來充分滿足當今110 kV 變電站電氣設備的實際巡檢工作需求，為智能巡檢機器人的應用和110 kV 變電站的發展奠定良好基礎。