110kV智能變電站檢修機器人路徑規(guī)劃

何滿棠，袁鏡江，吳肯銳，袁文飛

（1.廣東電網(wǎng)有限責任公司東莞供電局，東莞 523000；2.國機智能科技有限公司，廣州 510535）

智能變電站中檢修機器人的設(shè)計是以推進智能變電站建設(shè)為主要目的。通過借助機器人的巡視系統(tǒng)、測溫系統(tǒng)、導航系統(tǒng)以及后勤系統(tǒng)等構(gòu)建機器人工作時涉及的不同單元模塊，并對子系統(tǒng)的功能進行明確分類的設(shè)計過程。根據(jù)系統(tǒng)工作原理以及工作環(huán)境，規(guī)劃智能變電站中檢修機器人安全工作的路徑，制定科學合理的路徑方案，通過在變電站運用檢修機器人的實驗結(jié)果顯示，合理規(guī)劃檢修機器人安全工作的路徑可以有效增加變電站的工作效率，因此檢修機器人安全路徑的規(guī)劃工作在智能變電站工作中應(yīng)該得到推廣應(yīng)用。

1 變電站檢修機器人系統(tǒng)的組成

1.1 變電站檢修機器人本體結(jié)構(gòu)

智能變電站中檢修機器人的外觀與傳統(tǒng)工業(yè)機器人造型相同，機器人外殼上安裝有檢修工作中需要的部件。機器人本體結(jié)構(gòu)包括不同單元，通過不同部件的協(xié)同合作進行工作。其主要部件為紅外熱像儀、攝像機、聲音采集器、傳感器以及電源面板等[1]。此類機器人可以24小時的通過導航部件以及設(shè)備布局，對預(yù)先設(shè)定的工作任務(wù)——即智能變電站的檢修工作進行完成。機器人的視窗內(nèi)通常安裝有紅外測溫攝像頭，且視窗外部會安裝有雨刮器，以保障機器人工作時視窗得到的景象清晰，同時，視窗上方配有提高紅外攝像儀夜間觀察距離和清晰度的紅外射燈。機器人的頭部安裝有揚聲器，方便工作人員和后臺進行溝通工作。機器人的主體機身上方安裝與頂部相連的云臺部件，以此操控機器人的仰角視角。機器人主體機身的運動依靠底部的驅(qū)動輪，而轉(zhuǎn)彎則需要隨動輪進行輔助進行。機器人尾端設(shè)有充電裝置，在機器人需要充電時會自動彈出，且機器人尾端還有電源開關(guān)以及機器人的開/關(guān)機按鈕等。

1.2 變電站檢修機器人部件功能

為保證在設(shè)定時間內(nèi)實現(xiàn)變電站檢修機器人的檢修工作，變電站檢修機器人的工作系統(tǒng)會使用攝像頭對戶外設(shè)備進行逐一檢測，且由于巡檢地點位置不同，機器人檢修時需要對變電站表計以及油位計進行定時拍攝，以此實現(xiàn)檢修工作的的全面覆蓋[2]。由于檢修機器人安裝有紅外攝像頭及測溫裝置，在檢修機器人系統(tǒng)下達檢測任務(wù)時，機器人會自動對設(shè)備以及接頭的溫度進行檢測，并將紅外測溫影像傳遞給后臺監(jiān)控界面，對該影像進行存儲，確保紅外影像及設(shè)備運行情況可以及時得到傳輸。對于設(shè)備運行狀況存在問題的部位，機器人也可以做到人工遙控與自主檢測的切換，且兩者切換速度較快，在人工遙控檢測結(jié)束后，不會影響機器人的正常自主檢修工作進度。若機器人檢修時發(fā)現(xiàn)變電站設(shè)備運行出現(xiàn)故障，會針對故障問題進行應(yīng)急處理，且將故障部位以及該部位溫度、油位計及表計的數(shù)據(jù)傳遞給后臺監(jiān)控單位，進行自動報警處理。機器人在進行檢修時，會定期對自身設(shè)備進行檢測，發(fā)現(xiàn)故障后會將故障問題發(fā)送至后臺，并對機器人的本體信息、檢測信息進行備份記錄，定期生成數(shù)據(jù)分析表傳給后臺。

2 變電站檢修機器人工作內(nèi)容

2.1 機器人巡視系統(tǒng)

檢修機器人的巡視工作主要由攝像機完成，其作用是對設(shè)備的運行情況進行監(jiān)控，并觀察和記錄設(shè)備主體、表針以及分合位置等部件是否出現(xiàn)異常。檢修機器人依靠其安裝的的攝像頭對所測設(shè)備進行各類照片的拍攝工作，且將照片上傳至監(jiān)控后臺進行存檔[3]。檢修機器人會對設(shè)備的本體、避雷器表計、各套管出線、主導流部分、油位計、斷路器本體、油溫表、互感器瓷套外觀、瓦斯繼電器、接地開關(guān)、SF6壓力表、冷卻系統(tǒng)、消防系統(tǒng)等運行區(qū)域進行監(jiān)控。

2.2 機器人測溫系統(tǒng)

檢修機器人的紅外熱像儀以及電動云臺會安裝在機器人主體上方，其工作內(nèi)容為負責對設(shè)備的本體及設(shè)備各部位溫度進行測量和數(shù)據(jù)收集，其測溫誤差可控制在2攝氏度之內(nèi)。檢修機器人的紅外熱像儀工作原理與普通成像儀類似，即將測物的紅外輻射采用光學系統(tǒng)進行聚集，在紅外探測器陣列上進行平面成像，并將其轉(zhuǎn)換為電信號，通過放大電路以及補償電路等方法對其進行線性處理，經(jīng)過紅外熱像儀中的圖像采集單元對其進行整合，最終形成被測物表面的熱像圖[4]。在檢修機器人完成熱像圖后，機器人的控制單元會對圖譜進行第一次存儲，并結(jié)合機器人巡檢系統(tǒng)安裝前預(yù)存在機器人內(nèi)部的全站設(shè)備檔案以及紅外專家?guī)鞌?shù)據(jù)對圖譜進行首輪安全性分析，當發(fā)現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備溫度超出規(guī)定溫度時，檢修機器人會觸發(fā)自身報警感應(yīng)模塊，當發(fā)現(xiàn)監(jiān)控設(shè)備溫度較上次測量溫度數(shù)據(jù)有較為明顯的提高時，檢修機器人也會將此情況傳遞給后臺，觸發(fā)報警模塊，并將設(shè)備的溫度數(shù)據(jù)以及紅外圖像上傳至后臺監(jiān)控系統(tǒng)，以不同顏色加以區(qū)分設(shè)備區(qū)域溫度，由后臺工作人員裁定設(shè)備運行情況。

2.3 機器人導航系統(tǒng)

檢修機器人的巡檢導航定位方式通常為RFID定位、磁軌跡引導、激光定位導航以及GPS定位導航[5]。在RFID導航技術(shù)中，正常的巡檢時，機器人作為導航中的閱讀器，其根據(jù)預(yù)設(shè)的軌道進行正常的行駛監(jiān)測。此時鋪設(shè)在機器人巡視路線上的RFID點保持為關(guān)閉狀態(tài)，當機器人進入標簽信號范圍后，會激活機器人內(nèi)置的RFID檢測模塊，使機器人接收所設(shè)標簽的代碼，解讀標簽傳遞的意義，以此完成檢修機器人在這部分RFID點的工作內(nèi)容。而磁軌跡導航是將磁軌跡布設(shè)在檢測路線的中部，由于檢修機器人需要監(jiān)測到所有設(shè)備，因此，機器人的軌道布設(shè)需要考慮站內(nèi)設(shè)備布局，減少井蓋、伸縮縫等客觀因素的影響，并要考慮觀測設(shè)備的最佳路徑。GPS定位導航也是檢修機器人的導航定位方式之一。但是此種方式受衛(wèi)星信號影響，在站內(nèi)的定位精度相對較差。除以上三種導航方式之外，檢修機器人也常采用激光定位導航，其優(yōu)點是平行性好、距離掌控精準，缺點是周圍環(huán)境很容易對其定位產(chǎn)生干擾。

2.4 機器人后勤系統(tǒng)

檢修機器人的后勤系統(tǒng)一般由充電室以及監(jiān)控后臺組成。充電室的作用是存放機器人和為機器人補充電能。通常充電室內(nèi)配有配電箱、充電座、充電器等設(shè)施。充電室的入口設(shè)置感應(yīng)鎖，當機器人準備進入充電室時，內(nèi)部的傳感器發(fā)出開門命令，觸發(fā)感應(yīng)模塊，使充電室入口打開。監(jiān)控后臺一般設(shè)置在變電站控制室內(nèi)，其主要由通訊設(shè)備、計算機、數(shù)據(jù)庫和監(jiān)控分析軟件等組成。監(jiān)控后臺與檢修機器人通過無線網(wǎng)進行數(shù)據(jù)的交互工作，其主要功能為檢修任務(wù)的下發(fā)、監(jiān)控檢修過程、生成檢修報表、檢修歷史數(shù)據(jù)的查看、對檢修機器人的操控等。

3 變電站檢修機器人帶電作業(yè)安全性的路徑規(guī)劃

檢修機器人帶電作業(yè)安全性的路徑規(guī)劃需要變電站檢修機器人系統(tǒng)根據(jù)后臺發(fā)布的任務(wù)，自主地進行最優(yōu)檢修路徑的設(shè)置，以保證檢修機器人可以在最短的時間內(nèi)完成下發(fā)的檢修任務(wù)。

3.1 搜索機器人帶電作業(yè)安全性路徑

檢修機器人在站內(nèi)進行檢修任務(wù)時，搜索其帶電作業(yè)時的安全路徑工作十分重要。相關(guān)工作人員可以采用笛卡爾坐標系對該路徑進行最優(yōu)化的設(shè)計，因為該種算法將路徑規(guī)劃問題轉(zhuǎn)化為空間內(nèi)路徑搜索問題，可以在不同路徑中計算出最短路徑，將其應(yīng)用于檢修機器人的站內(nèi)工作中，將不同檢修任務(wù)的最短路徑添加為一個集合，以此搜尋出檢修機器人在站內(nèi)進行檢修工作時的最短路徑[6]。

但是由于路徑搜索時，實際場地的因素會極大地影響計算結(jié)果，因此，在變電站內(nèi)搜索機器人帶電作業(yè)安全性路徑時，需要工作人員結(jié)合站內(nèi)實際情況，對計算路徑進行優(yōu)化修正，以此提高檢修機器人的工作效率，使檢修工作可以更好更快的完成。

3.2 篩選機器人帶電作業(yè)安全性路徑

檢修機器人的運行路徑設(shè)計時，通過采用笛卡爾坐標系計算出的最優(yōu)路徑僅是兩個坐標點之間的最短距離，將檢修機器人的各個最短檢修距離進行搜索整理，形成一個路徑集合，對路徑集合中路線的關(guān)節(jié)角范圍以及危險邊界平面的終角點進行剔除工作，最終形成一個可達目標點的路徑集合。由于安全性是檢修機器人工作中的重點方向，因此在檢修機器人帶電作業(yè)中，絕緣性能是其中較為重要的性能指標，通過對各個路徑集合中經(jīng)過危險點的頻率，對各個路徑集合的危險性進行評估，以此作為路徑篩選的依據(jù)，從路徑集合中篩選出最安全的一條路徑作為檢修機器人工作時的巡檢路徑，并對路徑上的各點進行最終記錄。

3.3 模擬機器人帶電作業(yè)安全性實驗

由于變電站工作的危險性較大，對于檢修機器人來說，其帶電工作時，可能受到不同類別和程度的損壞，因此，在路徑搜索及篩選完成后，對路徑進行模擬實驗是驗證路徑安全性的最有效方法之一[7]。通過在計算機內(nèi)模擬檢修機器人在站內(nèi)實際工作時可能遇到的所有問題，模擬其帶電工作時設(shè)備對其的影響，進而更準確的了解路徑中機器人與設(shè)備間的間隙與絕緣材料性能是否達到標準。同時，由于計算機模擬中設(shè)備電場固定，而在實際應(yīng)用時，由于檢修機器人的介入，設(shè)備的電場會產(chǎn)生一定的改變，造成實驗結(jié)果產(chǎn)生誤差，這便需要工作人員在模擬實驗時，結(jié)合空氣擊穿場強強度的大小進行多次實驗，判斷檢修機器人的運行路徑是否安全，從更全面地監(jiān)督保障檢修機器人在設(shè)計路徑可以正常工作，對其安全性路徑進行雙重驗證。

4 結(jié)束語

綜上所述，電力系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，且其作為對穩(wěn)定性要求較高的自動化系統(tǒng)，系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行是其工作的核心，同時也與社會民生的用電安全息息相關(guān)。因此，在電力系統(tǒng)中采用新型的科技以及材料，增強電力系統(tǒng)工作時的安全性和穩(wěn)定性是工作人員關(guān)注的重點方向。檢修機器人的路徑設(shè)計必須采取最新的科技及方法，使其可以在各種干擾中依然可以正常工作，通過在站內(nèi)實踐中應(yīng)用發(fā)現(xiàn)，設(shè)計最優(yōu)化的安全路徑可以更好地達成檢修機器人的工作，實用價值較高，值得在變電站中推廣使用。