變電站室內設備巡視機器人的應用與研究

沈靖龍 賴寶鵬 胡炳杰 吳鶴雯

摘要

智能機器人已經在變電站日常巡視運維作業中起到了舉足輕重的作用，然而傳統的巡視機器人體積臃腫，避障功能不盡完善為其應用蒙上了陰影，另一方面智能機器人在室內設備巡檢領域的研究相對缺失。因此本文對適用于變電站室內設備巡視的智能機器人展開了深入的研究，設計了一款室內設備巡視機器人并投入變電運維生產運用之中。該智能機器人通過紅外、超聲波傳感技術的配合實現了自動避障，并可預置巡視路線，進行變電站室內設備的巡視工作，定點收集10千伏開關拒、繼電保護裝置的運行信息。采集的設備信息通過無線網絡實時傳輸至變電站后臺，提升了變電站的巡視效率，實現了設備的智能運維。

【關鍵詞】巡視機器人 變電站 室內設備 智能巡檢

1 引言

隨著科技進步、電網發展及機器人技術的推廣，國家電網的不少地市公司已經在變電站運行維護工作中應用和推廣智能機器人。智能機器人不僅可以代替變電站值班人員進行變電站內一次二次設備的例行巡視、安防消防檢查還可以完成巡視大數據收集和整理，便于變電站管理人員和檢修人員進行分析和總結。智能機器人的采用意味著常規變電站運維值守模式的更新換代，并且隨著機器人應用經驗和技術的進一步積累，機器人代替人類管理變電站將成為可能。

巡視機器人的研究始于80年代末，并且逐漸成為變電站巡視技術改進和推廣的研究重點。加拿大、日本、美國在智能巡視機器人的研究中處于領先地位，如加拿大魁北克水電研究院在1998年開始進行輸電線路巡視機器人的研究，所設計的“LineScout”機器人，經過多代改進之后，采用遙控方式，可沿735千伏的導線進行自動避障巡視;日本東京大學2008年研制了“Expriner”機器人，可在500千伏的四分裂導線上行走，其機身使用碳纖維結構，配置兩對組輪具有兩個維度的作業臂;2014年美國研制的TI機器人趨于完善，可完成756千伏線路的高速巡視和強力續航。

在國內，不少高校也在智能巡視機器人的研究中取得了不錯的成就，如哈爾濱工業大學于2010年研制了高壓線除冰機器人，能除掉8-15毫米直徑導線上包裹的60毫米厚的冰柱;山東電力研究院于2012年研制出用于多分裂線路巡檢機器人樣機。

誠然智能機器人已經在輸電線路、變電站戶外設備巡視領域中成就頗豐，但關于變電站室內設備巡檢機器人的設計和巡檢技術研究方面，較為薄弱。因此本文在深入研究變電站機器人巡檢技術的同時，還著力于設計一款可適用于變電站室內設備巡視的智能機器人，填補變電站機器人巡視領域的空缺。

2 室內機器人巡檢技術研究

2.1 自動避障技術

變電站室內地面通常由蓋板構成如10千伏開關室和主控保護室，蓋板的鋪設導致室內設備路況存在坑洼、不平和障礙物的可能。因此如何實現巡視機器人在室內巡視過程中自動避障，并可根據設定的巡視路線進行巡視作業，將成為機器人研究中的重要一環。

本文自動避障技術采用紅外傳感器和超聲波傳感器進行配合。通過機器人發射紅外線和超聲波模擬量，實時反饋成Arduino核心中的成數字量，通過Arduino計算左右驅動電機偏移量（PWM波占空比）i，j的算如下式。

式中，i₁、j₁分別為上一次采樣值的PWM占空比。i₂、j₂分別為本次采樣值的PWM占空比。i_exp、j_exp為需要修正的PWM波占空比，進行路線的實時修正和自動避障。避障方案如圖1所示。

自動巡視的路線設定也是根據光感傳感器，反饋至CPU實時計算出路線偏移量S_exp，實現指定路線巡視。如圖2所示。

2.2 室內設備巡檢技術

室內設備巡視和檢測的范圍包括110kVGIS室、電容器室、主控繼保室、10kV開關室和電纜層。主要設備涵蓋低壓饋線柜，電容器組、站用變、保護屏的視頻音頻信息采集和運行工況判斷。

在巡視機器人上裝配無線網卡、高清攝像頭或者藍牙模塊，通過攝像頭采集巡視影像或照片，經無線網絡系統傳輸至手機或者電腦終端，實現視頻的遠距離自動傳輸和保存。另一方面經無線網絡或者藍牙系統將手機或者電腦終端發送的小車操控指令（前進、后退、左轉、右轉、攝像頭左轉、攝像頭右轉）通過串口通信的方式傳輸智能機器人CPU，實現對智能巡視機器人的控制（前進、后退、左轉、右轉、攝像頭左轉、攝像頭右轉）。巡檢技術方案如圖3所示。

3 室內機器人設計與應用

3.1 智能機器人硬件系統設計

機器人的設計以亞克力板，銅柱，銅螺母為材料，組裝機器人機身。以直流電機為驅動電機，設計四輪驅動類似汽車結構的機身作為變電站智能機器人的主要構架，為了實現機器人具備的室內設備巡檢功能，以Arduino開發板為基礎，拓展紅外傳感電路、數模轉換電路、PWM驅動電路、超聲傳感電路、循跡模塊電路、按鍵電路等設計智能巡視機器人的硬件電路部分，硬件電路和設計方案如圖4所示。

3.2 智能機器人軟件系統設計

智能巡視機器人的軟件部分用C語言編寫，主要由主程序和循跡子程序、Wi-Fi控制子程序、避障子程序等子程序組成，智能機器人程序流程框圖和方案如圖5所示。

4 實驗仿真驗證

為了驗證本文所設計的室內設備巡檢機器人性能和實用性，選取漳州供電公司所轄的三座變電站（220kV良璞變，1lOkV南坑變，110kV新華變）進行現場機器人巡視實驗。所設計的機器人和巡視視頻截圖如圖6所示。

在三個變電站的不同場所，包括戶外設備場地，主控室，繼電保護室，電纜層，排水溝等，檢驗巡視機器人巡視3種巡視效果（室內外設備巡視、電纜層巡視、排水溝巡視）和4個功能（WIIF傳輸視頻，遠程操控，自動循跡，自動避障功能）效果檢查，收集巡視時間信息如表1所示。

從圖6可以看出，所設計的智能機器人能夠實時傳輸變電站室內設備的運行工況影響，從而實現了機器人的智能巡檢。從表1數據分析發現，采用所設計的巡視機器人，是的變電站巡視時間有效縮短，巡視效率達到提升。

5 結論

本文對變電站巡視機器人的避障技術和巡檢技術進行了研究，設計了一款適用于室內設備巡檢的智能機器人。通過實驗發現，所設計的智能機器人在保證巡視任務完成和巡視質量的同時，縮短了巡視時間，有效提高了巡視效率。

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