變電站巡檢機器人電源系統研究

楊 墨 王仕榮 孫大慶 王賢華

（1.山東省電力特種機器人工程實驗室，山東 濟南 250101；2.山東魯能智能技術有限公司，山東 濟南 250101；3.云南電網公司大理供電局，云南 大理 671000）

0 引言

變電站運規要求運行人員進行日常巡檢工作，每天或定期采集大量的運行數據。這種人工方式存在勞動強度大，容易使人產生厭煩，檢測質量分散，主觀因素多，巡檢不到位難以監控，巡檢結果數字化不便等缺陷，不符合智能電網的發展方向［1-3］。為了解決這個問題，兼顧變電站的運行方式，變電站巡檢機器人部分替代人工巡檢已經成為一種趨勢。變電站巡檢機器人采用自主或遙控方式，通過紅外熱像儀對電氣設備、設備連接處和電力線路進行溫度檢測；使用可見光攝像機對運行設備的外觀異常和線路中懸掛的異物進行識別檢測；通過分析拾音器采集回來的設備聲音，確定設備的運行情況。巡檢機器人后臺系統對巡檢數據進行對比和趨勢分析，及時發現電網運行的事故隱患和故障先兆，如：異物、損傷、發熱、漏油等。巡檢機器人為提高變電站的數字化程度和全方位監控的自動化水平，確保設備安全可靠運行發揮了重要作用。

電源系統是為巡檢機器人提供動力的心臟部分，電源系統是否正常工作直接影響到機器人內部設備的穩定運行。巡檢機器人要在變電站長期值守、完全自治，就必須配備一套自動化水平高、穩定性強的電源系統。本文提出一種狀態監測全面，自動化程度較高，交互性好，實用性強，適用于巡檢機器人長期自主運行的電源系統。該系統全面監測電壓、電流、電量及溫度，具有過放、過充、欠壓等多重保護，實現機器人內部溫度自動調節及電池自動充電，非易失性存儲命令執行及異常發生時的狀態，能夠滿足變電站巡檢機器人的功能需求。本文詳細論述了其功能結構及工作原理，并給出了部分電路原理圖。

1 系統設計

變電站巡檢機器人電源系統功能結構如圖1所示。電源系統以單片機為核心，通過外圍接口和驅動控制等電路實現狀態檢測、電源輸出及充電過程控制、信息交互等功能。通過串口通信實現與工控機命令執行及狀態反饋的交互。通過檢測芯片監測電壓、電流、電量及溫度等信息，實現機器人運行狀態的實時監控。保護電池和電路安全，包括對電池過放、過充保護，過流、過壓保護和電路短路、浪涌保護等。當檢測到電池電壓過低時，電源系統上傳告警信息并自動切斷電池供電，從而防止電池過放。當檢測到電池充電電量超過預定飽和值時，電源系統自動停止電池充電，從而防止電池過充，綜合運用各種措施保證電池使用安全，延長電池使用壽命。電源系統控制充電機構實現自動充電，通過驅動電路控制繼電器組實現電池充電、供電切換和設備電源單獨控制。為了便于后續檢查機器人運行狀態，分析機器人運行故障，以事項形式存儲命令執行和異常發生時的電源狀態。控制散熱風扇和電加熱板使機器人本體內部溫度達到電池及設備工作的適宜溫度［4］。電源模塊根據設備電壓等級及功率要求，轉換分配為各支路電源輸出。指示燈顯示電源系統通信、電量及支路電源等狀態。

圖1 電源系統功能結構圖

2 功能模塊設計

2.1 電池選型

巡檢機器人的移動屬性決定其適合采用無纜化的電池供電。電池的選用通常需要考慮如下幾個因素：（1）電壓等級：決定了機器人內部設備的電壓適用范圍；（2）電池容量：決定了機器人的工作時間和續航能力；（3）尺寸和重量：在某種程度上決定了機器人本體的尺寸和重量。根據變電站巡檢任務的工作量，設計變電站巡檢機器人最高速度為1.5 m/s，連續工作時間最長為3 h。根據機器人內部設備電壓及功耗，計算出機器人靜態工作電流2 A，動態工作電流4 A，最大工作電流10A，考慮電池裕量及衰減，機器人內部空間有限及移動設備自重不宜過重等限制，本文選用額定電壓25.2 V，容量50Ah的三元鋰電池組。三元聚合物鋰電池能量密度大，重量是相同容量的鎳鎘或鎳氫電池的一半，體積是鎳鎘的40%～50%，鎳氫的20%～30%。單體電壓高，自放電小，每月在10%以下。沒有記憶效應，循環壽命高，在正常條件下，鋰離子電池的充放電周期可超過500次。工作溫度范圍寬至-20～60℃。循環性能優越，可快速充放電，充電效率高達100%，不含有諸如鎘、鉛、汞等有害金屬物質，對環境無污染。

2.2 電源狀態監測

電源狀態監測是電源系統的基本功能，主要包括對電池組總電壓、電流、電量及溫度等基本信息的采集。通過監測電池組的實時狀態，實現對電池組的有效控制，提高電池使用安全及效率，延長電池使用壽命［5］。

2.2.1 電壓、電流、電量檢測

DS2438是美信公司推出的單總線智能電池監測芯片，具有體積小、硬件接線簡單等優點，便于對電池組運行狀態進行監測［6］。本文應用DS2438檢測電源狀態的原理圖如圖2所示。DS2438的Vad為電壓輸入端，DQ為數據讀寫端。DS2438片內集成有10位A/D轉換器，測量范圍是0～10V，分辨率為10mV。經過采樣電阻分壓和儀表放大器AD620阻抗匹配后，DS2438可以檢測機器人電池、充電器及外供電源的電壓值［7］。Vsens+、Vsens-為DS2438的電流輸入端。通過測量采樣電阻R2的兩端電壓，并將測量的電壓值送至DS2438的電流寄存器，間接測量電池的輸出電流或充電電流。電池電流等于電流寄存器中的值/（4096*Rsens），Rsens為采樣電阻的阻值。DS2438利用集成電流累加器（ICA，Integrated Current Accumulator）對電池剩余電量進行跟蹤。ICA保存著流經電池的總電流，通過與初始電量對比后，就可以得到電池的剩余電量。ICA寄存器存儲空間有限，跟蹤大容量電池組的剩余電量不夠用。可以使用外部非易失性存儲器擴展存儲空間，提高DS2438跟蹤剩余電量的適用范圍。

圖2 電壓、電流及電量檢測原理圖

2.2.2 溫度檢測

工作溫度是機器人電池組的重要參數，在判斷電池的安全性及效率等方面具有重要作用。溫度在電池工作過程中一直都存在變化，所以要實時采集溫度參數，防止過熱影響電池使用的安全、效率及壽命。而且在電池發生故障時，經常伴有溫度異常。通過監測電池溫度，可以盡早發現電池故障，及時更換，避免機器人運行故障，預防安全事故。本文采用美國達拉斯半導體公司的單總線數字溫度傳感器DS18B20采集系統溫度參數，其具有微型化、低功耗、易使用、抗干擾能力強等特點。

2.3 自動充電

機器人電池容量有限，一旦電池電量不足，必須及時充電。如果人工充電，機器人就無法實現完全自主運行，所以自動充電是機器人電源系統的核心功能之一。變電站巡檢機器人充電點定位采用磁軌道引導，RFID標簽定位，導航定位精度較高。側向充電對接裝置如圖3所示，由充電座（圖中1～4）和充電機構（圖中5～14）兩部分組成［8-9］。機器人通過電機驅動板控制充電機構電機轉動，電機通過齒輪齒條與傳動絲杠配合，實現充電機構的伸出或收回，進而實現充電機構極片與充電座極片夾的電氣連接，簡單可靠。充電機構上設有3個限位開關用于檢測充電機構位置。機器人在充電機構伸出過程中，實時檢測極片電壓是否正常，若檢測到正常，則停止伸出充電機構，準備充電。若充電機構伸出到極限位置后，仍然檢測極片電壓異常，則進行異常報警并重試。經實驗，極片夾水平面上有±15°、±10cm的誤差容忍度。用彈片壓緊極片夾后，垂直方向也有±2 cm的誤差容忍度。目前已有的對接系統一般允許的水平對接誤差為±5°、±5 cm。

圖3 接觸式側向充電對接裝置結構圖

2.4 實時時鐘及事項存儲

為了便于后續檢查機器人運行狀態，分析機器人運行故障，以事項形式非易失性存儲命令執行和異常發生時的電源狀態。狀態信息主要包括：精確到秒的時間標簽、電源狀態標志、告警標志、繼電器狀態、電池充放電電流、外部供電電流、電池啟動電壓、外部供電電壓、電池電壓、充電器電壓、溫度信息等。每條事項記錄占22個字節，除狀態信息外，還包括幀同步、命令字、執行狀態、記錄總數、事項召喚的起始地址及召喚個數等。集成器件FM31256可以非易失性存儲幾百條歷史事項，為分析問題、排除故障發揮重要作用。FM31256應用原理圖如圖4所示。FM31256采用I2C接口，內部具有256 kb的串行非易失性存儲器［10］，擦寫次數無限次，功耗低。片內實時時鐘以BCD（Binary-Coded Decimal，二-十進制代碼）格式提供時間和日期信息，可以通過外部電池或電容供電防止掉電丟失，還可以用軟件校準模式提高時間記錄器的精確性。另外，FM31256片內有早期電源失效報警模塊，PFI引腳電壓與1.2 V參考電壓進行比較，當PFI輸入電壓低于該閾值時，PFO引腳輸出低電平。PFI信號上升時，比較器有100mV（最大）的滯后以降低噪聲靈敏度，PFI的下降沿沒有滯后。PFO輸出可以作為系統判斷電池電壓的重要依據之一。

3 結語

圖4 FM31256應用原理圖

變電站巡檢機器人部分替代人工巡檢已經成為一種必然趨勢。機器人長期無人化自動巡檢，為電網安全穩定運行發揮了重要作用。本文提出了一種應用于變電站巡檢機器人的電源系統，對機器人全面監測電壓、電流、電量及溫度，全面記錄歷史事項信息，具有過放、過充、欠壓等多重保護，實現機器人內部溫度自動調節及電池自動充電。該系統狀態監測全面，自動化程度較高，交互性好，實用性強，適用于巡檢機器人長期自主運行。該系統已經成功應用于山東青島午山220kV、浙江金華蘭溪500kV、山西長治1000kV等全國10多個省市的智能變電站，順利投運30余臺。本文提出的電源系統能夠滿足變電站巡檢機器人的功能需求，并已經在工程現場驗證了良好的安全性和穩定性，運行效果良好，應用前景廣闊。

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