研發了一套變電站機器人智能巡檢系統，從機器人本體、充電系統、無線傳輸系統、本地監控后臺和環境適應性等方面介紹了巡檢系統設計方案和各組成部分的關鍵技術。從現場勘查、設備安裝、巡檢規劃和巡檢應用等方面介紹了工程實施步驟和在電網220 kV、500 kV變電站的實際應用情況。分析了機器人巡檢調試過程中存在的行進時出軌、無線通信不穩定、表計讀取不準確、行走轉彎卡澀等問題，并提出了解決措施。該巡檢系統具有部署快速、適應性強、采集數據準確、定位精度高、超聲防撞等顯著優點，各項性能指標均滿足變電站智能巡檢需求，具有良好的推廣應用前景。

引言

隨著電網規模的增大、電壓等級的提高，對供電安全可靠性要求也更加嚴格，變電站正常運行成為保障電力系統供電安全的重要環節[1-2]。目前中國電網主要采用人工巡檢作業方式，即采用人工巡視、手工記錄的模式對運行中的變電設備進行檢查。人工巡檢存在勞動強度大、工作效率低、巡檢質量不穩定等缺點，惡劣氣象條件對巡檢人員身體也存在危害[3-5]。近年來，采用機器人巡檢代替人工巡檢模式已成為變電站巡檢發展的熱點方向[6-8]。

國外較早開展變電站機器人研究工作。日本在20世紀80年代開始研制的變電站巡檢機器人使用可見光和紅外傳感器對變電站設備進行巡檢，實現對巡檢數據進行自動處理[9-10]。加拿大魁北克研制的變電站巡檢機器人，實現了遠程監控，可在后臺對機器人進行實時控制和遠程操作[11]。巴西研制了在變電站高空行走軌道移動的熱點監測機器人，實現了變電設備異常發熱的紅外檢測[12]。

國內山東省電力公司于1999年最早開始變電站巡檢機器人研究，并于2004年研制成功第1臺功能樣機，后在國家863項目支持下研制出變電站巡檢機器人[13]。2012年重慶電力公司在500 kV巴南變電站成功應用機器人進行自主巡檢作業。2014年浙江國自機器人公司研制的機器人在瑞安變電站投運。目前，中國在變電站機器人巡檢領域取得了長足進展，但在多傳感器綜合探測、四輪驅動移動平臺、綜合導航和精確對準、故障精確診斷等技術方面還存在瓶頸[14-15]。

基于上述關鍵技術難點，研發了一套變電站機器人智能巡檢系統。本文介紹巡檢系統總體設計方案和組成部分，論述巡檢系統各部分關鍵技術，說明變電站機器人巡檢工程實施細節和在220 kV清遠站和500 kV五邑站巡檢應用情況，分析巡檢應用存在的問題并提出解決措施。研發的變電站機器人智能巡檢系統在后續巡檢應用中能較好地完成巡檢任務，取得良好的巡檢效果，具有良好的推廣應用前景。

1 機器人巡檢系統總體設計

1.1 巡檢系統組成

機器人巡檢系統由機器人本體、充電系統、無線傳輸系統、本體監控后臺及輔助設施組成。系統組成框圖如圖1所示。系統具有以下特點：(1)使用無軌導航方式，實現快速部署，可方便站間調配;(2)采用四輪獨立驅動，適應于各種復雜環境，提供高清晰度紅外及可見光視頻圖像，測溫精度達0.5 ℃;(3)采用基于激光雷達和慣導組合的精確地形匹配的導航方案，定位精度達到1 cm;(4)超聲防撞，提供高可靠性安全保障，可原地全方位運動，為巡檢提供更強的易用性。

1.2 機器人本體

機器人本體由外形結構部件、運動控制系統、供電系統、傳感器系統和導航系統組成。

1.2.1 外形結構部件

機器人外形結構設計以簡潔實用、硬朗可靠為基本原則，配合良好的平面切割技術，兼顧重量、穩定性和防護等級要求;表面采用噴塑和陽極氧化工藝處理，具有較強的防腐性能;機器人結構大量采用鋁合金材料，重量小于100 kg。

1.2.2 運動控制系統

機器人運動控制系統主要由運動控制器、電機驅動器、電機、減速器、車輪、超聲波避障模塊、手動遙控模塊、狀態指示燈等組成，如圖2所示。

運動控制系統主要實現與監控后臺的通信以及對車體及云臺的控制功能，實時接收車體、云臺狀態信息并上傳，其工作流程如圖3所示。

為適應變電站戶外運行需求，機器人車體選用輪式四輪驅動，在運動控制中應用PID控制及PMSM矢量控制算法進行車體控制，實現轉速精確控制和轉矩快速響應，保證了控制算法的成熟性和穩定性。4輪獨立驅動及柔性匹配控制實現了零轉彎半徑，原地360°旋轉，現場路徑規劃靈活，環境適應能力強。驅動電機使用低磁阻大扭矩驅動電機，系統調速范圍寬、效率高、可靠性好，機器人最大運行速度可達1.1 m/s，可越過10 cm障礙物、爬坡能力達到25°。

1.2.3 供電系統

(1)電池選型。采用磷酸鐵鋰電池供電，電池額定電壓36 V，電池容量50 Ah，為滿足電池充放電及儲運狀態下的安全要求，電池安裝在防爆、阻燃材料制作的專用電池箱內。

(2)電源管理系統設計。鋰電池組電源管理系統(BMS)采用集中式管理。BMS由主控單元(CMU)和若干個監控單元(BMU)組成。BMU檢測和均衡管理電池模塊的電壓和溫度，并將數據傳給CMU。CMU檢測鋰電池組的總電壓、總電流及絕緣度，負責與機器人控制系統及充電機通信，對電池組充放電進行保護。

(3)BMS性能改進。鋰電池間各個參數不可避免地存在一些微小差異，由于內阻、自放電影響及充放電次數增多，電池間參數差異會放大，將減少鋰電池壽命甚至產生電源安全隱患。通過BMS實施均衡管理，電池組將保持較好的一致性，可延長電池壽命和降低成本，確保電池一次充電后續航能力不小于5 h，提高系統可靠性和穩定性。

1.2.4 傳感器系統

(1)可見光探測。可見光攝像機用于觀察設備外觀和讀取儀表數值，具備自動或手動對焦功能，視頻分辨率達1 080 p，光學變焦倍數達30倍。采用自動光圈設計，通過檢測視頻信號平均值，自動控制鏡頭光圈的擴大或縮小，即可在不同照度下獲得標準視頻信號電平。機器人云臺上安裝了強光LED照明燈和雨刷器，實現可見光夜間和雨天探測。照明燈和雨刷器由本地監控后臺或遠程集控后臺進行控制。

(2)紅外熱像探測。紅外熱像儀的紅外探測器接收物體輻射熱量，把它轉換成電信號，經后續放大、濾波、模數轉換，CPU處理后在圖像顯示器上顯示。在實際測溫中，首先采用高精度黑體進行標定，找出黑體溫度與圖像灰度值的對應關系。紅外熱成像儀具備自動對焦功能，可在實時影像中疊加顯示溫度最高點位置及溫度值，紅外熱像儀熱靈敏度優于50 mK，測溫精度優于2 K。

(3)聲音探測。機器人安裝有擴音器和麥克，可實現與監控后臺雙向語音對講和現場聲音采集。同時，通過采集運行設備的正常和異常聲音，提取出聲音的特征參數，建立正常和異常聲音模型庫。將機器人采集的噪聲數據傳送到控制后臺，基于音頻診斷軟件和模型庫進行運行狀態識別，判斷設備異常聲音，并發出警報。診斷流程如圖4所示。

聲音分析軟件主要由信號處理、信號特征提取和信號顯示等部分組成。信號處理部分包括端點檢測、分幀和加窗。端點檢測用來檢測輸入聲音信號中的有效語音成分，采用倒譜特征法;分幀是將原始語音信號分為小段，并做幀移處理;加窗是在分幀之后使頻譜平滑、防止高頻泄漏。信號特征提取過程包括FFT求取功率譜、帶通濾波器組、求取對數能量、離散余弦變換和提取一階差分MFCC系數。顯示部分能夠顯示被測聲音中各個頻率的數字化信號圖形。

(4)全方位智能云臺。云臺安裝在機器人平臺上方，用于承載可見光、紅外以及聲音傳感器。云臺以直流伺服電機驅動，使云臺具有水平和垂直2個相互獨立的旋轉自由度。云臺俯仰框裝有紅外和可見光光窗。云臺運動控制核心部分采用數字信號處理器(DSP)芯片，該芯片負責水平和俯仰2個自由度的電機運動控制以及與接口轉換模塊通信。云臺主要性能指標滿足如下要求：云臺預置位數量≥10 000個，垂直運動范圍–30°~+90°，水平運動范圍0°~+360°連續，定位精度±0.1°，水平旋轉速度0.01~60°/s，垂直旋轉速度0.01~30°/s。

1.2.5 導航系統

機器人依靠激光雷達、慣導、里程計綜合導航，利用多傳感器融合技術，得到車體定位信息，實現按照預設路線和停靠位置自主行走和停靠功能。激光雷達選用SICK公司LMS511高性能室外型激光掃描雷達，測量距離達80 m，掃描范圍190°，分辨率0.166 7°，掃描頻率高達25 Hz。可在–30 ℃~+55 ℃惡劣環境中工作。慣導可提供車體三軸姿態角(或角速率)以及加速度信息，分辨率0.05°，誤差1.5°。里程計信息包括車體當前坐標，由車體運動學模型和4輪轉速位移等信息計算得到，誤差在3%以內。

1.3 充電系統

充電房由充電柜、充電座、無線通信設備和自動卷簾門組成。充電柜和充電座用于機器人自動對接充電，無線通信設備選用與本地監控后臺相同的無線網橋和天線，天線安裝在充電房的頂部。

機器人工作狀態分為巡檢、充電、空閑等3種。收到巡檢命令后，機器人檢查電池電量是否充足，充足即進入巡檢狀態，開始執行巡檢任務，否則拒絕執行并報警。巡檢完成后，機器人返回充電房。機器人在巡檢中實時檢測電池電量，如果電量不足則返回充電房充電，充電過程完全自動化。

1.4 無線傳輸系統

機器人通過無線網橋與本地監控后臺實現雙向、實時信息交互。信息交互內容包括機器人本體狀態和被檢測設備圖像、語音和指示性數據。機器人采用5.8 GHz頻段高質量等級的室外專用數字無線網橋，實現長距離多路視頻、音頻以及數據的實時傳輸，最長傳輸距離達10 km，數傳誤碼率≤10-6，數傳時延≤20 ms，圖傳時延≤300 ms，由于此頻段的無線網橋無需申請無線執照，比其他有線網絡設備更方便部署。機器人通過無線網橋接收監控后臺的控制指令，進行云臺轉動、設備檢測、車體運動和自動充電，并檢測機器人狀態和各類預警、告警信息并進行上報。在通信中斷、接收的報文內容異常等情況下，圖像、語音、數據不丟失，同時系統將發出告警信息，并在通信恢復后自動續傳。

1.5 本地監控后臺

本地監控后臺由計算機、無線通信設備、監控分析軟件和數據庫等組成。機器人與監控后臺通過無線局域網連接，采用TCP/IP協議進行數據交互，傳輸內容如圖5所示。

監控后臺軟件采用C++語言開發，基于.NET架構，可以在Windows的各個版本操作系統跨平臺運行，軟件組成如圖6所示。

(1)實時監控模塊負責查看機器人運行過程中的圖像信息、車體狀態信息、車體行進信息、電池狀態信息、巡檢現場氣象信息、巡檢任務信息等。

(2)任務規劃模塊分為例行、特巡任務規劃和遙控巡檢3種模式，可隨時進行任務模式的切換。根據變電站巡檢需求，例行任務規劃可提前生成若干巡檢任務，每天定期巡檢;特巡任務規劃可實時生成臨時巡檢任務，執行特殊巡檢任務。

(3)遠程遙控模塊可以實時遙控機器人到規定地點做規定動作。該模塊可通過手柄控制云臺方位和俯仰，控制車體速度和方向。

(4)配置中心模塊包括設備配置、地圖配置和基本配置3個子界面。設備配置界面包括紅外配置、可見光配置、車體配置和云臺配置。

(5)歷史查詢和數據分析模塊可實現可見光圖像、紅外圖像、聲音及表計讀數、設備位置狀態、注油設備油位等信息的存儲、診斷和查詢。

1.6 環境適應性

機器人按照全國各地區變電站極端環境氣候設計，針對暴風大雨、濕熱、高海拔、寒冷等惡劣氣候條件，變電站強電場、強磁場環境，通過“三防”設計、防風設計、電磁兼容性、抗震設計以及溫度適應性等設計，確保機器人在不同氣候條件下長期可靠、安全穩定運行。

1.6.1 “三防”設計

機器人外殼采用靜電噴涂工藝，具有防腐蝕、防水、防氧化三防功能，機器人內部傳感、控制均采用模塊化設計，標準化生產。機器人采用一體化結構設計，具有防水、防塵功能。整機滿足GB 4208中IP54的設計要求，最大涉水深度大于10 cm。

1.6.2 防風設計

機器人采用四輪驅動底盤結構，設備重心低，有利于機器人在地面上穩定運行。機器人本體結構緊湊設計和密封性高，具備抵抗10級風能力。

1.6.3 電磁兼容設計

機器人電子元器件，電源、通信等模塊采用屏蔽、隔離處理，關鍵信號通過阻抗匹配設計、各設備模塊采用等電勢共地設計，輸入輸出接口的濾波和保護設計等技術確保各模塊的信號完整性、安全和可靠性。

1.6.4 防振動設計

機器人在變電站巡檢過程中，由于受路面環境的影響，不可避免地會有一定程度的振動，針對可能出現的固定螺絲松動、部件斷裂等問題，采取以下防振措施：(1)對所有緊固件增加彈墊、齒形墊圈、涂加螺紋膠及采用防松螺母等設計提高螺栓螺釘緊固效果及緊固強度;(2)對部件斷裂部分優化設計提高部件強度;(3)增加防護套、減振彈簧等措施，減緩外力對管路連接部位的作用。

1.6.5 溫度適應性設計

為保證在炎熱或寒冷環境下正常工作和長期儲藏，機器人所有部件和元器件均選用寬溫度范圍的工業級產品;在云臺護罩內安裝排熱風扇和加溫板，可自動對護罩內環境進行排熱或加溫，有利于護罩內可見光相機和紅外探測器在不同溫度環境下正常工作。機器人工作環境溫度為–25 ℃~+55 ℃，存儲環境溫度為–30 ℃~+65 ℃，工作和存儲環境相對濕度為5%~95%(無冷凝水)。

2 變電站機器人巡檢工程實施

2.1 變電站現場勘查

變電站機器人巡檢工程實施的現場勘查階段分為以下幾個步驟：(1)根據站內設備分布、特征物和巡檢便利性等信息選取充電房最優安裝位置;(2)根據變電站建筑物實際情況選擇無線通信設施安裝位置;(3)視道路連通性、臺階高度等決定道路是否需要改造;(4)根據站內設備布置情況，初步確定巡檢路線。

2.2 巡檢設備安裝

2.2.1 充電房安裝

機器人充電房內設有自動充電裝置，配有能夠自動開啟和關閉的門禁系統。充電房外形尺寸2.0 m (寬)×2.5 m (長)×2.8 m (高)，采用一體化箱式結構，安裝在變電站高壓設備區的空地上，所在位置比站內主干道高，修筑的地基自然放坡與站內道路相連。充電房選址原則：(1)靠近主控室，基建和調試方便;(2)選擇平整地面，避免坑洼明顯地帶;(3)不宜過于遠離巡檢區域。

2.2.2 無線網橋和氣象傳感器安裝

無線網橋和微氣象傳感器是機器人巡檢輔助設備，分別承擔著無線通信和氣象監測功能，二者均采用戶外使用的環境設計，防護等級達到IP55，為便于與后臺監控設備進行有線連接，將無線網橋和氣象傳感器安裝在站內主控樓頂層，電源及數據線沿墻壁套管走線，連接至監控后臺。

2.2.3 監控后臺安裝

監控后臺由計算機、路由器、鼠標、鍵盤、擴音器和麥克風等組成。計算機和無線網橋連接至路由器上，路由器可連接至運行單位局域網。

2.3 巡檢規劃

2.3.1 巡檢線路規劃

技術人員根據待巡檢設備分布位置、巡檢道路情況，以充電房為起點進行站內巡檢路線的規劃，實現巡檢路徑最優的方案規劃。

2.3.2 巡檢地圖構建

巡檢地圖通過機器人本體行走，借助后臺控制軟件自動生成，不需要改動變電站內部環境，不需改動變電站路面，不影響變電站設備設施正常運行。變電站巡檢地圖構建步驟如下。

(1)選擇地圖原點：原點選取一般靠近充電房。

(2)初始化激光雷達設備：開啟機器人激光雷達傳感器傳輸功能，完成激光雷達初始化。

(3)采集地圖構建數據：遙控機器人按照規劃的巡檢線路，繞整個變電站中行走一圈，機器人自動記錄所有設備以及建筑物地理信息，進而完成整個地圖構建數據的采集。

(4)自動生成地圖：完成地圖構建數據采集后，開啟地圖生成程序，自動生成變電站巡檢地圖。

(5)設定巡檢點與巡檢路線：地圖構建完成后，根據變電站巡檢設備類型及數量，設定巡檢點，并優化巡檢路線。

(6)巡檢測試：按照標定完成的最優路線，對變電站設備的巡檢點進行測試，查找遺漏，調整巡檢路線，保證設備巡檢點的全覆蓋。

機器人巡檢流程如圖7所示。

2.4 巡檢應用

2.4.1 220 kV清遠站應用

2015年12月完成機器人充電房、無線網橋和監控后臺在220 kV清遠站的布置，2016年1月機器人開始進行激光導航地圖掃描、巡檢地圖制作及巡檢任務點采集，4月完成巡檢應用。經過4個月的現場調試應用，完成了機器人部署和任務點采集，隨后執行全站巡檢調試。巡檢任務包含主變區域、220 kV區域、110 kV區域的2 490個巡檢任務點，覆蓋率達94.1%。巡檢任務點分布如圖8所示。

2.4.2 500 kV五邑站應用

2016年9月完成機器人充電房、無線網橋和監控后臺的布置，10月完成站內主變和500 kV區域的巡檢部署并開展巡檢。經過2周的現場調試，解決了機器人在500 kV區域強電磁場環境下的通信干擾問題，機器人在全部500 kV區域均可與后臺系統可靠通信。同時完成了主變和500 kV第一串區域部署和任務點采集，隨后執行部署區域巡檢。巡檢任務包含64個可見光巡檢任務點、273個紅外巡檢任務點和10個高清輔助觀測點。高清輔助觀測點包含開關控制箱、主變等設備外觀圖像。

3 巡檢應用問題分析與解決措施

在變電站進行機器人巡檢調試過程中，發現尚有待解決的技術問題，例如機器人運行中受外物干擾出軌、無線信號連接不穩定、表計讀取準確率不夠、機器人行走轉彎卡澀等。

3.1 機器人巡檢中出軌

機器人巡檢過程中，受到外部干擾，例如人員圍觀時，發生機器人脫離巡檢路線問題，經分析導航計算機記錄的傳感器、通信等數據，發現機器人里程計的輸出數據在出現異常時刻偶發一次跳變，由于跳變數值大于40 m，恰好達到下個轉彎點設定坐標，造成程序誤判使得機器人誤認為已到達轉彎點并執行轉彎動作。此后隨著機器人移動，里程數據仍按照跳變后的數值繼續累加，導致轉彎后機器人繼續前行的問題。

解決措施如下：(1)在車體控制板和導航計算機增加里程數據跳變判別和異常情況下處理數據程序，當里程數據變化量大于設定應用變化量時，車體控制板濾除異常數據，導航計算機按照前一幀正常數據累加預測值替代異常數據;(2)將迭代最近點算法用于巡檢機器人的前期地圖拼接和導航過程中的機器人定位，該算法具有邏輯簡單、精度較高、易實現、自身具有穩定性和魯棒性的特點。采用以上措施后，機器人運行中的抗干擾能力大大增強，實現了任意角度折線路徑的行走。

3.2 無線通信不穩定

機器人運行調試初期，存在部分巡檢路段后臺顯示畫面卡澀、數據回傳速度降低等現象。經現場觀察和分析，發現原因是該路段處于定向接收天線覆蓋的死角，接收通信信號太弱，造成后臺畫面停頓，數據回傳速度降低。

通過更換大功率、大發射角天線，并且調整信號增益、信號頻率、通信模式等參數，大大改善了通信質量，確保了機器人正常運行。

3.3 表計讀取不準確

巡檢任務中有較多的SF6壓力表需要識別讀取，但機器人對此類儀表的識別準確率較低，經分析發現是由于該變電站內安裝的SF6壓力表的指針細小，指針下半部為白色，上半部為黑色，而表盤刻度也為黑色，造成了儀表識別軟件難以區分指針和刻度，從而使得判讀不準確。

經過對站內全部SF6壓力表樣本的大量采集，重新優化儀表識別軟件的指針讀取算法，在后續的巡檢任務中，機器人SF6壓力表計識別準確率大大提升。

3.4 行走轉彎卡澀

機器人在原地轉向過程中，出現個別車輪懸空，轉彎動作卡澀現象。經過現場觀察和分析，原因是巡檢現場路面不平整，機器人安裝的是實心輪胎，輪胎彈性小，造成原地轉彎中個別車輪懸空。由于機器人原地轉彎是依靠4個輪子同時驅動完成的，車輪懸空造成轉彎動力不足，產生轉彎卡澀。

通過將實心輪胎更換為彈性較好的充氣輪胎，大大減小了路面不平造成的個別車輪懸空幾率，在后續巡檢過程中未曾出現此類問題。

4 結語

變電站機器人智能巡檢是電力巡檢模式發展的重要方向，實際應用中仍存在不少技術瓶頸。本文研發了一套變電站機器人智能巡檢系統，從機器人本體、充電系統、無線傳輸系統、本地監控后臺和環境適應性等方面介紹了巡檢系統設計方案和各組成部分的關鍵技術。該巡檢系統具有部署快速、適應性強、采集數據準確、定位精度高、超聲防撞等顯著優點，各項關鍵性能指標均滿足變電站智能巡檢任務需求。

從現場勘查、設備安裝、巡檢規劃和巡檢應用等方面介紹了變電站機器人巡檢工程實施步驟，通過在電網220 kV、500 kV變電站實際巡檢，指出了機器人巡檢調試過程中發現的問題，并進行分析解決，在后續巡檢應用中較好地完成了各類巡檢任務，取得了顯著效果，研發的巡檢系統具有良好的推廣應用前景。

作者：彭向陽 , 金亮 , 王柯 , 錢金菊 , 岳衛兵

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