摘要：变电站电力设备是电力系统的关键设备，其工作状况直接关系到电力系统运行的可靠性和安全性，在发展国民经济以及建设现代化社会等方面都具有举足轻重的作用。现今，各行各业对电力系统依赖程度日益提高，人类社会向信息时代快速迈进，电网向大容量、超高压方向飞速发展，对电力系统运行可靠性和安全性提出了更高要求。目前变电站数量剧增，而运维人员力量相对减少，在此背景下，传统的人工巡检方式已难以满足电力系统发展需求，须向机器人智能巡检方向转变。本文分析了变电站智能巡检机器人全局路径规划设计。
关键词：变电站；智能巡检机器人；路径规划设计；
电力工业向大机组、大容量与高电压供电迅速发展，变电站自动化水平日益提高，无人值守、智能变电站的普及，变电站巡检质量得到重视，传统的巡视方式已经满足不了现代化变电站发展的要求，智能机器人代替人工巡视将是未来的主要发展方向。
一、功能
1.智能识别检测功能。智能巡检机器人配备可见光摄像机、红外热成像仪和拾音器等检测设备，并能将所采集的视频和声音上传至本地监控后台及远程集控后台。智能巡检机器人搭载高清摄像头，具备自动对焦功能，支持遥控拍照、摄像和定时、定点自动拍照、摄像，能够对有读数的表盘及油位表计进行数据读取，自动记录和判断，并提出报警，读数的误差小于5%。智能巡检机器人搭载拾音器，能够对设备运行噪声进行采集、远传、分析。智能巡检机器人搭载红外热像仪，具备自动对焦功能。智能机器人巡检系统的红外检测系统能对变压器、互感器等设备本体以及各开关触头、母线连接头等的温度进行实时采集和监控，并采用温升分析、同类或三相设备温升对比、历史趋势分析等手段，显示影像中温度最高点位置及温度值，能按照要求对电流致热型和电压致热型缺陷或故障进行自动分析判断，并提出预警。
2.智能定位导航功能。智能巡检机器人具有自主充电功能，能自动开启、关闭充电房门，并与充电座配合完成自主充电。智能巡检机器人启动会对常用模块、电池模块、网络连接模块、安全模块进行自检，当任一模块发生异常时，警示灯亮，并将故障信息上传到本地监控后台，本地监控后台会发出警报声。智能巡检机器人具有定位导航功能，能够按照预先设定的路线和停靠位置进行激光自主行走和停靠巡线。
3.自主巡检监盘功能。智能巡检机器人支持全自主巡检和遥控巡检两种模式。全自主巡检模式包括例行全面巡视和特殊专项巡视两种方式。例行巡检方式下，系统根据预先设定的巡检内容、时间、周期、路线等参数信息，自主启动并完成巡视任务；特巡方式由操作人员选定巡视内容并手动启动巡视，智能巡检机器人可自主完成巡检任务。遥控巡检模式由操作人员手动遥控智能巡检机器人，完成巡视工作。
二、变电站智能巡检机器人全局路径规划设计
1.系统特点及结构。控制电路采用优化的电路设计及合理抗干扰措施，保证了其能在恶劣的电磁环境中长期稳定运行；系统软件方面，采用了基于时间和事件触发的混合式系统设计模式，并利用了自顶向下逐步求精的开发方法，保证了控制软件的高可靠性和实时性；通过软硬件的配合，实现了对云台姿态的高精度控制、云台运行参数和状态可在线设置和查询、预置位多达1000个（硬件存储时）至无穷多个（需控制协议配合）等一系列功能，保证了巡检机器人可靠高效的完成巡检任务。
2.系统硬件设计。一是微处理器模块。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆该模块由单片机与外围电路构成。单片机是生产的一款高性能、低功耗的微处理器，具有先进的RISC结构和指令集，由于其单时钟周期指令执行时间，工作于16MHz时性能高达16MIPS。单片机内128K字节程序存储器和4K字节EEPROM被分别用来存储控制系统程序、系统参数和预置位数据；该模块利用片上PWM输出口与电机控制模块连接，角度采样模块和通信模块则分别与单片机SPI端口和串行口连接。二是通信和供电模块。通信和外围供电电路设计主要从提高硬件电路抗干扰性出发，对相关电路进行优化设计，保证系统运行的可靠性。通信模块选择了通信方式，同时采用通信模块电源与微处理器模块电源隔离及信号传输光电隔离等手段，切断干扰由通信线路传输至微处理器控制电路的通道，降低了干扰由通信线路引入的可能性。考虑到系统电源会受到电机运行时电刷换向及PWM输出的干扰，通过增加PCB内部电源层和地层、合理的元器件布局及增加去耦电容等方法予以抑制。
3.系统软件设计。一是巡检机器人在控制过程中，一方面需要能够按要求动作，另一方面也需要满足一些特殊的功能要求，如参数设置、运行状态监控等。根据这些要求，控制系统提供的主要功能有：姿态调整、预置位设置及调用、直接数据控制、控制参数设置、控制精度补偿、运行状态查询等。值得说明的是，“直接数据控制”功能是指可以通过协议接收数据并运动至相应姿态的一种控制方式，预置位可独立于控制板存储，因此允许预置位以任意方式存储于任意位置，而预置位个数也可达到无限多个。二是控制算法设计。控制主要是对运行速度和姿态的控制。由于无速度反馈，因此运行速度控制为开环控制，水平和垂直运行速度直接由PWM脉宽占空比给出，而姿态控制则需要根据水平和垂直方向上的角度反馈闭环进行。为精确的控制姿态，文本使用了PID控制方法，其离散的PID控制律为： ，式中：u(k)为k时刻控制器的输出量；KP、KI、KD分别为比例系数、积分系数和微分系数；e(k)为当前时刻的云台水平（垂直）方向当前角度值与期望值之差；e(k-1)为上次采样时刻的云台水平（垂直）方向角度值与期望值之差。三是控制软件设计。对运行过程分析可知，角度采样和电机控制是控制系统始终需要关注的核心功能，与其相关的代码应由系统周期性地执行。另一方面，控制系统也需要处理一些随机性事件，如：与外部通信、异常事件输入等。为此控制系统采用了基于时间和事件触发的混合式系统架构，一个周期性执行的系统任务完成电机控制、角度采样、系统状态采集等功能，而其它随机性事件则交由各自的中断处理例程处理。
4.实验。实验中先将装有可见光摄像机的固定于底座上；之后调整姿态，使摄像机对准预先安放标志物并设定预置位（为便于后续计算，此时的摄像机处于水平位置），同时采集摄像机图片并记录此时的水平和垂直角度AD采样值分别为3105和1945；然后再控制使摄像机偏移后再调用该预置位，当运行到位后再次读取角度AD采样值并与之前采样值相减，取绝对值后得到控制误差。
变电智能巡检机器人解决了人工巡检存在的劳动强度大、效率低、检测质量分散、手段单一等问题，弥补了巡检后无法将人工检测数据准确、及时传送至生产管理信息系统实现数据共享等不足。变电智能巡检机器人作为变电站设备巡检的重要辅助工具，是人工智能技术的扩展，它能自动完成日常设备巡视、红外测温、倒闸操作前后装备状态检查、极端气候巡查等工作，从而大大提高变电站设备巡检效率和质量，降低变电运维人员劳动强度和工作风险，提升变电站智能化水平，为变电站无人值守提供强大技术支撑。
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论文作者:左向上,赵川川
论文发表刊物:《电力设备》2017年第22期
论文发表时间:2017/12/7
标签：机器人论文; 变电站论文; 智能论文; 模块论文; 系统论文; 功能论文; 电力系统论文; 《电力设备》2017年第22期论文;