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摘要：开发了变电站机器人智能检测系统，从机器人本体、充电系统、无线传输系统、局部监控背景和环境适应性等方面，介绍了检测系统各组成部分的设计方案和关键技术。
关键词：变电站; 机器人; 巡检系统; 设计; 智能巡检; 工程实施; 问题分析
引言
随着电网规模的扩大和电压水平的提高，对供电的安全性和可靠性要求也越来越严格。变电站的正常运行，已成为保证电力系统供电安全的重要环节。目前，我国电网主要采用人工检查方式，即，对运行中的变电站设备，采用人工检查和人工记录的方式进行检查。人工检查存在劳动强度高、工作效率低、质量不稳定等缺点，恶劣的天气条件，也会对检查人员的健康造成危害。近年来，用机器人代替人工巡检模式，已成为变电站巡检发展的一个热点。
1 机器人巡检系统总体设计
1.1巡检系统组成
机器人检测系统由机器人本体、充电系统、无线传输系统、监控后台和辅助设施组成。该系统具有以下特点:(1)采用无轨导航，部署迅速，站与站之间部署方便;(2)采用四轮独立驱动，适应各种复杂环境，提供高清红外可见光视频图像，测温精度高达0.5℃;(3)采用激光雷达与惯性导航相结合的精确地形匹配导航方案，定位精度可达1cm;(4)超声波防撞，提供高可靠性和安全保障，可全方位移动到位，为巡检提供更强的易用性。
1.2机器人的身体
机器人本体由外部结构部件、运动控制系统、电源系统、传感器系统和导航系统组成。
该机器人的设计以简单、实用、坚固可靠为基本原则，结合良好的平面切割技术，兼顾重量、稳定性和保护水平的要求。表面经喷塑和阳极氧化处理，具有较强的防腐性能。机器人的结构主要由铝合金制成，重量不到100公斤。
机器人运动控制系统主要由运动控制器、电机驱动器、电机、减速器、车轮、超声波避障模块、手动遥控模块和状态指示灯组成。
运动控制系统主要实现与监控背景的通信以及车身和云台的控制功能。实时接收车身和云台状态信息并上传。其工作流程如图所示。
为了满足变电站户外运行的需要，机器人本体选用轮式四轮驱动。运动控制采用PID控制和PMSM矢量控制算法对人体进行控制，从而实现精确的速度控制和快速的转矩响应，保证了控制算法的成熟和稳定。四轮独立驱动，灵活匹配控制，实现零转弯半径，原地360°旋转，现场灵活路径规划，对环境适应性强。驱动电机采用低磁阻、大扭矩驱动。该系统调速范围广，效率高，可靠性好。机器人的最大运行速度可达1.1 m/s，可跨越10 cm障碍物，爬升至25°。
供电系统(1)电池选型。电池由磷酸铁锂电池供电，额定电压36v，电池容量50ah。为满足电池充放电、储存、运输的安全要求，将电池安装在由防爆阻燃材料制成的专用电池箱内。(2)电力管理系统设计。锂电池组电源管理系统(BMS)采用集中管理。BMS由一个主控制单元(CMU)和几个监控单元(BMU)组成。BMU检测并平衡电池模块的电压和温度，并将数据传输到CMU。CMU检测锂电池的总电压、总电流和绝缘，负责与机器人控制系统和充电器通信，保护电池充放电。(3)BMS性能改进。锂电池之间存在一些细微的参数差异是不可避免的。由于内阻、自放电以及充放电次数的增加等因素的影响，会放大电池之间参数的差异，降低锂电池的使用寿命，甚至产生潜在的供电安全风险。通过BMS实现平衡管理，使电池组保持良好的一致性，可以延长电池寿命，降低成本，保证一次充电后电池寿命不小于5小时，提高系统的可靠性和稳定性。
1.3传感器系统
(1)可见光检测。可见光摄像机是用来观察设备的外观和读取仪器的数值。具有自动或手动对焦功能，视频分辨率可达1080p，光学变焦倍数可达30倍。采用自动光圈设计，通过检测视频信号的均值，自动控制镜头光圈的膨胀或收缩，在不同光照条件下可获得标准的视频信号电平。机器人头部装有强大的LED灯和雨刷，可在夜间和雨天探测可见光。照明和雨刷由本地监控后台或远程集中控制后台控制。
(2)红外热像检测。红外热像仪的红外探测器接收到物体的辐射热，将其转换为电信号，经过后续的放大、滤波和模数转换后，CPU处理并显示在图像显示器上。在实际温度测量中，首先对高精度黑体进行标定，找出黑体温度与图像灰度值之间的对应关系。红外热像仪具有自动对焦功能，可以实时叠加图像中温度的最高位置和温度值。红外热像仪的热灵敏度在50 mK以上，测温精度在2 K以上。
(3)声音检测。机器人配有麦克风和麦克风，通过监控背景和现场语音采集，实现双向语音对讲。同时，通过采集运行设备的正常和异常声音，提取声音的特征参数，建立正常和异常声音模型库。机器人采集的噪声数据将传输到控制背景。基于音频诊断软件和模型库，识别运行状态，判断异常声音，发出报警。诊断过程如下所示。。
2 变电站机器人巡检工程实施
2.1变电站现场调查
变电站机器人检测项目的现场调研阶段分为以下几个步骤:(1)根据站内设备分布、特点、检测便利性等信息，选择充电房的最佳安装位置;(2)根据变电站建筑物的实际情况选择无线通信设施的安装位置;(3)道路是否需要改造，取决于道路的连通性和台阶的高度;(4)根据站场设备布置，初步确定检查路线。
2.2巡逻设备的安装
2.2.1充电室的安装
机器人充电室配有自动充电装置和门禁系统，可自动开启和关闭。充电室外形尺寸为2.0m(宽)×2.5m(长)×2.8m(高)。采用整体箱式结构，安装在变电站高压设备区高于站内主干道的空地上。基础的自然坡度与车站内的道路相连。充电房定位原则:(1)靠近主控室，易于搭建调试;(2)选择平地，避免明显的坑洼;(3)不应离巡逻区域太远。
2.2.2无线网桥和天气传感器安装
无线桥接和微气象传感器辅助设备检查机器人,分别承担无线通讯和气象监测功能,户外的环境设计使用,达到外壳防护等级IP55,为了方便与后台监控设备,电缆连接无线桥和气象传感器安装在顶部的站长在层,排队墙衬套电源和电缆,连接到监控的背景。
2.2.3监控后台安装
监控后台由计算机、路由器、鼠标、键盘、放大器和麦克风组成。计算机和无线网桥连接到一个路由器，该路由器连接到操作单元的LAN。
2.3 巡检规划
2.3.1巡检路线规划
根据设备的分布位置进行检查和道路的情况进行检查,技术人员将充电室为出发点规划的路线的检查,从而实现最优规划路线的检验计划。
2.3.2巡逻地图的构建
在机器人本体上行走，借助后台控制软件，自动生成巡逻地图。不需要改变变电站内部环境、变电站路面及变电站设备设施的正常运行。变电站测量图的施工步骤如下:(1)选择地图原点:原点一般靠近充电室。(2)激光雷达设备初始化:打开机器人激光雷达传感器的传输功能，完成激光雷达初始化。(3)地图施工数据采集:遥控机器人将按照规划的巡线巡视整个变电站，机器人将自动记录所有设备和建筑物的地理信息，从而完成对整个地图施工数据的采集。(4)地图自动生成:完成地图建设数据采集后，打开地图生成程序，自动生成变电站巡检地图。(5)设置巡更点和巡更路线:地图建设完成后，根据变电站巡更设备的类型和数量设置巡更点，优化巡更路线。(6)巡检试验:根据最优校准路线对变电站设备巡检点进行检测，发现遗漏，调整巡检路线，确保设备巡检点的全覆盖。
3.结语
变电站机器人智能检测是电力检测模式发展的一个重要方向。本文开发了变电站机器人智能检测系统，从机器人本体、充电系统、无线传输系统、局部监控背景和环境适应性等方面介绍了检测系统各组成部分的设计方案和关键技术。该检测系统具有部署速度快、适应性强、数据采集准确、定位精度高、超声波防撞等明显优点。各项关键性能指标均满足变电站智能检测任务的要求。
从现场调查、设备安装、检验计划和检验程序等方面，介绍了变电站巡检机器人项目的步骤,通过电网220千伏、500千伏变电站实际检查,指出了检测机器人的调试过程中发现的问题,以及分析、解决在随后的检查应用程序中，完成各种检验任务,并取得了明显成效,研制开发的检测系统，具有良好的推广应用前景。
参考文献：
[1]赵坤. 变电站智能巡检机器人视觉导航方法研究[D]. 北京: 华北电力大学, 2014: 1-2. (1)
[2]宋晓明. 变电站智能巡检机器人关键技术研究[D]. 长沙: 长沙理工大学大学, 2013: 1-2. (1)
[3]陈启卷, 毛慧和, 肖志怀.便携式电力设备巡检装置[J]. 电力系统自动化, 2001, 25(2): 61-63.
论文作者:李方平,李迎涛
论文发表刊物:《当代电力文化》2019年第12期
论文发表时间:2019/10/30
标签：变电站论文; 机器人论文; 系统论文; 设备论文; 电池论文; 地图论文; 本体论文; 《当代电力文化》2019年第12期论文;