變電站巡檢機器人檢測及控制系統研究

趙剛

摘要：變電站巡檢工作全天候、強電磁等復雜環境要求，巡檢機器人開始成為變電站巡檢的主要設施。變電站巡檢機器人具有靈活性強、檢測結果精準等優勢，有非常光明的應用前景。本文從導航定位及運動控制、電源管理、云臺控制和圖像及聲音檢測等方面，分析了變電站巡檢機器人檢測及控制系統。

關鍵詞：變電站；巡檢機器人；檢測系統；控制系統

前言：變電站巡檢機器人的檢測及控制系統，主要有導航定位與運動控制系統、電源管理系統、云臺控制系統、圖像與聲音檢測系統等四部分，是提高變電站設備巡檢效率、節約人力資源的重要工具。變電站巡檢機器人所搭載的動態電源管理、智能模式識別等多種先進技術，能夠對變電站設備完成自動巡檢與遙控巡檢行為，并可及時發現變電站設備的問題，在強化變電站自動化程度的前提下，有效提高了設備巡檢效果。

1.導航定位及運動控制系統

導航定位及運動控制系統是變電站巡檢機器人的主要系統之一，其性能對機器人運行穩定性與定位精確度有決定性的影響。現有的巡檢機器人導航定位系統一般采取磁導航方式，利用機器人上磁傳感器組來判斷機器人行走路線相對于磁軌跡的偏移，來完成對機器人行進方向的引導，使其依照預定路線運行，實現巡檢機器人對變電站設備的檢測。巡檢機器人的導航定位系統優點是原理簡單，定位精度高，導航可達厘米級，應用效果較好，且具有較強的抗干擾能力。但其缺點主要在于機器人運行前，需要鋪設大量的磁軌跡，前期準備工作如地面處理等工作量很大，且巡檢路線缺少靈活性，不能完全滿足變電站對設備巡檢的需求。

行走方式關系到巡檢機器人運動控制系統運行穩定性與運行速度。變電站巡檢機器人主要有輪式與履帶式兩種行走結構，其中，最常見的行走方式是輪式，這種方式的特點是靈活性高、結構簡單、運行效果高、易于控制等，在平坦路面上可持續高速行走，具有顯著優勢。但在有溝渠、臺階等非平臺地面，輪式移動結構構存在運行問題。在光滑、柔軟地面上，輪式結構因其與地面接觸面積小，導致易在以上路面出現打滑、沉陷等現象。履帶式機器人與地面接觸面積大，適用于路面泥濘、柔軟的作業現場，在地面不平、有溝壑、樓梯臺階、負重要求高的場所具有顯著優勢。但履帶式機器人的缺點是移動速度較慢，轉向靈活性不高，減震效果差，運行時聲音較高，整體重量大，功耗高等，且對地面會造成一定程度的破壞。地面條件若較為惡劣，則可能導致巡檢機器人履帶破損。在對變電站巡檢機器人行走方式進行長期跟蹤后，結合地形適應性、速度、控制精度等因素進行綜合分析得出，在相對平坦的變電站路面上，巡檢機器人的行走方式多使用輪式結構。

2.電源管理系統

電池組是變電站巡檢機器人的主要動力源，電源管理系統通過采集電池組與設備參數，來調整管理策略，轉換分配電池組電能，并及時作出電量不足等異常狀況的預警，以確保巡檢機器人實現全自主運行的能源供應。變電站巡檢機器人要長期值守于變電站，為實現高度自治目標，必須要具備自動化水平高、穩定性強的電源管理系統。

電源管理系統核心為單片機，通過對電池組的保護來確保電池正常運行，并提高電池效率、延長電池使用時間。電源狀態信息會直接反饋在機器人外部的指示燈上，一旦電池電量過低，則必須進行充電。自動充電是變電站巡檢機器人電源管理系統的關鍵技術之一。電源管理系統在檢測到電池電量不足時，會自動運行保護措施，發出警告信息并使機器人提前結束巡檢，返回充電室充電。在極端情況下，電源管理系統會自動斷電來避免電池過放。當電池充滿后，電源管理系統會自動切斷充電回路，防止電池過充。整個充電過程實現了自動化，完全由機器人的電源管理系統來完成。

電源管理系統還會控制散熱風扇與電加熱板，來調節電池組工作溫度。電池組工作過程中，溫度一直處于不斷變化狀態，電源管理系統通過采集電池組工作實時溫度，來避免溫度過高而影響電池效率及安全性，延長電池使用時限。此外，電池故障大多伴隨著溫度異常，因而檢測電池溫度，就可及時發現電池故障。

此外，電源管理系統會將命令執行與異常狀況存儲在芯片上，便于工作人員檢測機器人的運行狀態與故障排查。狀態信息包括精度為秒的時間標簽、告警標志、電池充放電電流、溫度等，并有記錄總數、事項召喚個數與起始地址等信息。

3.云臺控制系統

變電站巡檢機器人是按預先設定的路線運行至檢測點后，調用云臺控制功能，使用可見光攝像機、紅外熱像儀等設備來檢測電力設備狀況。云臺控制系統的作用主要是承上啟下，其性能是巡檢機器人紅外成像質量的主要因素之一，對機器人巡檢工作質量與效率有直接影響作用。

4.圖像及聲音檢測系統

電力設備的圖像采集是通過變電站巡檢機器人所持有的可見光攝像機、紅外熱像儀等設備來實現，圖像采集完成后會利用無線設備將其上傳至后臺，并通過圖像預處理、特征提取等環節，來判斷電力設備內部缺陷問題，和外部機械、電氣情況，之后向上一級發送告警信號。這種圖像檢測系統使得工作人員無需隨時關注監視屏幕，有利于節約人力資源，實現變電站無人值守目標。

在聲音檢測上，傳統的檢測方式是利用設備上的音頻傳感器與信號處理單元來實現，但這種方式需要在每一個待檢測電力設備上安裝音頻傳感器，缺少靈活性，且安裝成本高、操作困難。相比之下，巡檢機器人靈活性更強，巡檢工作中到達待檢測設備旁，就會自動啟用音頻采集模塊，錄制設備運行聲音，并將錄音進行編碼后上傳至音頻訓練和識別模塊。音頻訓練功能負責提取聲音特征，存儲音頻特征庫與聲音信號，之后利用識別功能來提取待識別聲音特征，通過與特征庫的對比來判斷電力設備運行情況。

5.推廣變電站巡檢機器人的意義

變電站人工巡檢方式是工作人員對電力設備進行簡單判斷，對人力資源要求較高，在巡檢過程中存在勞動強度大、主觀因素多、效率不高等問題，導致變電站無法精確控制巡檢成果，難以真正把控巡檢質量。人工巡檢還會受天氣影響，在極端氣候條件下無法開展巡檢工作，使得管理成本增加，與當代信息化、自動化的發展趨勢相悖。應用巡檢機器人是提高變電站電力設備巡檢質量與效率的主要措施，現已在國內各大變電站中逐漸推廣開來。變電站巡檢機器人能夠在復雜天氣、強電磁等環境下工作，憑借多項前沿技術，實現了變電站設備的自動巡檢。實踐表明，巡檢機器人可在暴雨、高溫等惡劣天氣下正常工作，且具有準確度較高的檢測結果，這大大減少了人力資源消耗，提高了巡檢質量，減少了維護成本，是推動變電站無人值守發展的重要保障。

結束語：變電站巡檢機器人可實現全天候、全自主智能巡檢與監控，對保障變電站安全穩定運行發揮了重要的作用。巡檢機器人已成為變電站巡檢的發展趨勢，通過創新型技術手段的應用，來確保電力設備的安全穩定運行，為變電站提供了全方位安全保障，具有廣闊的發展空間。

參考文獻：

[1]李榮，欒貽青，王海鵬，李建祥，周岳，許瑋，黃銳.全向四驅變電站巡檢機器人運動控制系統設計[J].機床與液壓，2020，48（08）：112- 116.

[2]汪鵬. 變電站巡檢機器人系統結構設計與控制研究[D].安徽大學，2020.

[3]廖雯. 基于FPGA的變電站巡檢機器人運動控制系統設計與實現[D].湖南工業大學，2018.

[4]邢義，劉晉，鐘楊.基于DSP的變電站巡檢機器人控制系統研制與應用[J].電工技術，2018（03）：44- 46.

[5]周高，王文華，郝曉紅，郝玉廷.基于GPS/LMS信息融合的變電站巡檢機器人導航控制系統[J].電工技術，2017（08）：27- 28.