換流站組合式軌道巡檢機器人的設計

劉志遠，王化玲，王宏麗，劉 婷

（1.國網寧夏電力公司檢修公司，寧夏銀川750000；2.山東魯能智能技術有限公司，山東濟南250002）

0 引 言

在智能電網快速發展的形勢下，變電站的智能化已經成為一種趨勢［1］。變電站的檢測經歷了三個階段：傳統的人工巡視和紙質記錄的方式；利用監控與數據采集系統、繼電保護等裝置；變電站巡檢機器人。變電站巡檢機器人不僅減輕了人員的工作負擔，而且可以對大量數據進行保存、處理、實時顯示、報警等。文獻［2］對變電站巡檢機器人的結構、功能等進行了介紹。依據變電站面積大、設備處于露天狀態及施工簡單等特點，變電站巡檢機器人大多采用速度快、效率高、運動噪聲低的輪式結構。但是輪式機器人存在越障能力、地形適應能力差等缺點，一般只適用于野外且地形不太復雜的地區，這阻礙了智能電網的普及。

高壓直流輸電線與交流輸電線相比具有容量大，線路造價低、運行可靠等優點，因而得到廣泛的應用［3］。而換流閥作為高壓直流換流站的核心器件，當其周期性導通和阻斷過程中，電壓和電流的急劇變化會產生頻譜較寬的電磁干擾，在閥廳內距墻壁1 m處150 k Hz～1 GHz頻段的電磁干擾水平最大值范圍為102～105 dB（基準1μV／m，下同）；在9～150 k Hz的低頻段換流閥廳內距墻壁1 m處的電磁干擾最大值為140 dB［4］。同時，相對于交流變電站，高壓直流換流站的噪聲源更多，聲功率級更大［5］。因此，直流換流站相比變電站存在更多的電磁干擾、噪聲等問題。

本文有針對性的研制了一種組合式軌道巡檢機器人，采用組合式工字型軌道及各種抗干擾措施克服直流換流閥廳強電磁、多噪聲的影響。本文重點設計及實現了直流換流閥自動巡檢機器人的各項功能，提高了工作效率，減輕人員的勞動強度及直流換流站的智能化水平。該設計針對銀川東直流廳巡檢，進行大跨距組合式軌道巡檢機器人應用，具有一定的實踐價值。

1 組合式軌道巡檢機器人系統

結合室內換流閥廳、直流廳等室內設備實際情況，巡檢機器人硬件結構如圖1所示，采用工業級PC104主板、具有PC104總線結構的PM511板卡及串口擴展板，PM511板卡接收聲音和有毒氣體傳感器、電機控制、OLM線性條碼測距傳感器的電信號，進行處理，利用104總線傳送到主板；可見光圖像采集攝像機、紅外圖像采集攝像機的視頻信號通過串口接到PC104主板進行處理；最后經過電力載波發送到基站，同時接受基站的命令，調節運動控制卡調整電機1實現巡檢機器人在軌道上左右移動，調整電機2實現巡檢機器人的上下移動。

圖1 硬件總體結構圖

1.1 云臺系統的設計

巡檢機器人檢測主要依靠可見光與紅外視頻設備，云臺作為兩者的載體，防護等級需要在IP43以上的要求。云臺系統采用雙通道，即可見光通道和紅外通道，進行實時視頻信息傳輸。云臺驅動核心是通過內裝的電動機，負責水平方向的轉動。水平電機驅動減速器以增大驅動扭矩并降低輸出轉速，信息采集系統及其附件安裝于支撐板上，隨云臺的水平電機驅動而轉動，進而完成水平旋轉的動作［6］。為此，云臺為整個系統的檢測提供重要的支撐作用。

1.2 紅外熱成像儀的設計

巡檢機器人設計的一個核心項目就是檢測設備的溫度，紅外熱成像系統作為本系統核心器件，利用紅外探測器，接收物體按其表面的溫度自然輻射的紅外線，在不接觸的情況下，得到與物體表面熱分布相對應的“實時熱圖像”。當處于較強的磁場中時，紅外熱像儀可能會有屏幕變形或漂移到一邊、色彩退去不均勻、屏幕顯示波動或不穩定的情況。為了使可見光攝像機和紅外熱成像儀攝像機所觀測到的空間區域盡可能一致，把2個攝像頭左右平行緊湊放置于防護罩內使之結合成一體機。同時，減少強電磁干擾對紅外熱成像儀的影響，機器人垂直距離地面的高度不小于4 m，如圖2所示。

圖2 巡檢機器人實物圖

1.3 定位系統的設計

變電站巡檢機器人普遍采用的定位方式有：磁導軌、慣性、GPS等［7-9］。本系統采用OLM線性條碼測距傳感器，該傳感器采用視覺原理進行測量，預先在組合式軌道貼置條碼帶，傳感器通過檢測條碼帶實現系統的精確定位，可達到毫米級的高測量精度。本定位系統屬于非接觸式測量，提高了設備的使用壽命，是同等級激光測距使用壽命的兩倍。

2 組合式軌道的設計

結合換流站強電磁、多噪聲和封閉環境的特點，巡檢機器人采用組合式工字型軌道結構。圖3為組合式導軌圖，軌道由水平導軌和垂直移動導軌組成。在水平導軌上，巡檢機器人通過檢測條碼帶精確定位到水平的預置位；在垂直軌道上下移動對換流設備進行檢測，同時云臺進行水平轉動，實現對設備的全方位檢測。依據換流站電磁干擾的強度，水平軌道與地面垂直距離不低于4 m，水平軌道水平距離不低于90 m，能夠最大程度的避免強電磁的干擾。

圖3 組合式軌道圖

導軌安裝時直接在直流場墻壁內承重鋼結構上打孔攻絲或者鉚裝螺母，將鋼結構件的力引到波紋板外面的轉接板上，然后在轉接板上打孔，將導軌安裝在轉接板上。這樣安裝對直流場結構改變不大，僅需現場配打孔即可，而且轉接板和襯墊的結構設計較為靈活，不受直流場本體結構設計的影響。

2.1 軌道供電方式

電源系統是整個巡檢機器人的“心臟”，它為整個系統提供電能。目前，變電站的巡檢機器人大多采用輪式結構，其移動屬性決定其適合采用無纜化的電池供電。電池存在容量有限、重量大等特點。為保證巡檢機器人的正常工作，需要對電池電壓、電流、電量進行實時檢測，實現自動充電。這使得巡檢機器人系統存在更多的不穩定性，而且體積大［9］。組合式軌道巡檢機器人采取軌道滑觸供電方式，利用電刷直接接觸供電線，電源穩定，不存在輪式結構復雜的電源監測與控制系統，車體不需要攜帶電池，體重減輕，控制系統簡單，增加了系統的穩定性。

2.2 低壓電力載波通訊方式

基于組合式軌道，本系統采用低壓電力線載波通信方式，是以低壓配電線（380 V／220 V電力線）作為信息傳輸媒介進行數據或語音等傳輸的一種特殊通信方式［10］。此方案可以避免電磁干擾的影響，其原理框圖如圖4所示。該系統由三個部分組成：終端設備部分、管理中心部分和低壓電力線部分。終端設備的信號經過采集等處理后再調制成適合在電力線上傳輸的電力信號，通過耦合電路耦合到電力線上進行傳輸。管理中心有專門的接收設備，對接收的電力信號先進行解調及其它處理，再通過串口方式將其送到主控計算機。

圖4 低壓電力載波結構圖

3 通信系統的總體結構

為實現變電站主設備的遠程監控，即“五遙”（遙測、遙信、遙控、遙調、遙視）功能［12］。機器人系統為網絡分布式架構，整體分為基站層和終端層，如圖5所示。基站層由后臺機及智能控制與分析軟件系統組成；終端層為閥廳內的軌道式巡檢機器人本體及軌道。基站層和終端層通訊由網絡交換機、通信線纜等設備組成，負責建立基站層與終端層間透明的網絡通道。

4 軟件設計

換流站巡檢機器人是一種集各種視頻、音頻、控制的數據流的通信軟件系統，是一個復雜的軟件體系工程。為了簡化開發過程中的復雜關系，易于開發，實現程序的模塊化設計思想，引入了實時數據庫的概念。使用動態鏈接庫創建實時數據暫存區域，在通信實時主動更新數據的情況下，實現了各個執行模塊之間的數據交互功能。

圖5 系統整體結構示意圖

4.1 移動站軟件結構設計

移動站軟件的設計主要包括：運動控制子程序和工作子程序兩大部分。采用組合式軌道結構，運動控制子程序可以避免輪式結構的全局路徑規劃與局部行為規劃算法［13］，提高了系統的穩定性。通過設定不同的速度、方向，發送不同的信號驅動交流伺服電機，實時監測條碼帶達到預定位置。啟動巡檢機器人上下運動對設備進行檢測。工作子程序將采集的數據進行打包，通過電力載波實時發送到動態數據庫。

4.2 基站軟件結構設計

基站軟件系統的體系結構共分為4層，分別為數據層、功能層、邏輯層和表示層，如圖6所示。數據訪問層基于數據庫平臺，分類儲存不同的數據文件，包括底層發送的數據、處理的數據、控制數據等。業務邏輯層、服務層和表示層都是基于.NET FrameWork框架，業務邏輯層主要進行數據處理、命令控制等；服務層主要完成巡檢的各種服務，例如：視頻服務、控制服務、數據服務、基礎服務等。表示層是最頂層，包括用戶人機交互界面、定制報表、機器人控制、數據統計分析、數據查詢等。

圖6 基站監控后臺軟件體系結構

5 現場運行

本系統針對寧東站直流廳進行巡檢測試，如圖7所示，圖中左上方為檢測的可見光視頻，能清晰看出設備的開關狀態、各項指示與外觀。左下方為紅外視頻，分析設備、觸頭與接頭的溫度，達到預警值會自動報警，實時檢測設備的運行狀態。右邊區域為換流閥廳的示意圖，可以看出巡檢機器人的位置及設定的預置位，實時檢測機器人，保證工作正常進行。右下方為信息欄，標示巡檢機器人正在進行的動作，運行狀態等。經過現場測試，組合式軌道機器人特別適合于換流閥廳的特殊工作環境。

圖7 巡檢系統主界面

6 結 論

針對換流站設備，本文研制的組合式軌道巡檢機器人系統，實現了巡檢機器人在強電磁干擾環境下的工作。已經對銀川東直流廳進行巡檢測試，測試結果表明本機器人系統的非接觸式移動檢測與換流站綜合自動化的接觸式監控結合，真正形成了全監控方式，提高了換流站設備運行的安全可靠性。

［1］ 胡成群，劉 強，劉晶東.變電運行、管理、巡檢一體化［J］.電力信息化，2009，（05）：75-78.

［2］ 魯守銀，錢慶林，張 斌，等.變電站設備巡檢機器人的研制［J］.電力系統自動化，2006，（13）：94-98.

［3］ 何智江.發展中的中國高壓直流輸電事業［J］.高壓電器，2006，（06）：460-463.

［4］ 馬為民，聶定珍，萬保權，等.高壓直流換流站換流閥電磁干擾的測量［J］.高電壓技術，2008，（07）：1317-1323.

［5］ 胡雨龍，李 興，趙 明.高壓直流換流站噪聲綜合治理［J］.南方電網技術，2009，（01）：49-52.

［6］ 宋曉明.變電站智能巡檢機器人關鍵技術研究［D］.長沙：長沙理工大學，2013.

［7］ 肖 鵬，張彩友，馮 華，等.變電站巡檢機器人GPS導航研究［J］.傳感器與微系統，2010，（08）：23-25，28.

［8］ 肖 鵬，欒貽青，郭 銳，等.變電站智能巡檢機器人激光導航系統研究［J］.自動化與儀表，2012，（05）：5-9.

［9］ 王加芳，賈曉霞，房 靜.變電站巡檢機器人的編碼器／慣性無軌導航［J］.華電技術，2013，（08）：11-14，76.

［10］葉 飛，楊世仁，吳春鳳，等.變電站巡檢機器人電源監測及控制系統研究［J］.信息技術與信息化，2013，（04）：81-84.

［11］戚佳金，陳雪萍，劉曉勝.低壓電力線載波通信技術研究進展［J］.電網技術，2010，（05）：161-172.

［12］李敬紅.關于“五遙”技術在無人值班變電站的應用［J］.信息通信，2013，（02）：278-279.

［13］曲道奎，杜振軍，徐殿國，等.移動機器人路徑規劃方法研究［J］.機器人，2008，（02）：97-101，106.